水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子的狀況直接影響水產(chǎn)品的產(chǎn)量、品質(zhì)及安全生產(chǎn)。因此，在現(xiàn)代工廠化養(yǎng)殖中，對養(yǎng)殖水體的溫度、酸堿度(pH)、溶解氧、氨氮值、電導(dǎo)率等環(huán)境因子進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測，正受到越來越多的關(guān)注。
根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，通常數(shù)據(jù)信息傳送可分為有線數(shù)據(jù)傳輸和無線數(shù)據(jù)傳輸。有線數(shù)據(jù)傳輸存在布線麻煩、維護(hù)成本高、數(shù)據(jù)精度差、可靠性較低等缺點(diǎn)。而無線數(shù)據(jù)傳輸由于其靈活性和便利性，已廣泛應(yīng)用到社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，如國防軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報(bào)、大型車間和倉庫管理、機(jī)場和大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等，并且顯著地提高了工作效率。為此，筆者應(yīng)用NRF24L01無線通信模塊，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，
系統(tǒng)上位機(jī)以LabVIEW為開發(fā)工具設(shè)計(jì)了一種水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子無線監(jiān)測系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
如圖1所示，監(jiān)測系統(tǒng)由單片機(jī)監(jiān)測終端和監(jiān)測中心PC機(jī)組成。其中單片機(jī)監(jiān)測終端由傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、LCD顯示模塊、無線通信模塊等構(gòu)成。單片機(jī)監(jiān)測終端既可以獨(dú)立完成各種信息的采集、預(yù)處理及顯示任務(wù)，又能向監(jiān)測中心PC機(jī)傳送所采集到的數(shù)據(jù)信息。監(jiān)測中心PC機(jī)主要完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)查詢和歷史資料統(tǒng)計(jì)分析等功能。
本系統(tǒng)的具體工作過程如下：首先，各傳感器把采集到的非電量轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號(hào)，通過調(diào)理電路變換為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，然后，通過電流/電壓轉(zhuǎn)換器，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)對水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，通過無線通信模塊發(fā)送出去，監(jiān)測中心PC機(jī)收到數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、存儲(chǔ)、以曲線圖和表格形式實(shí)時(shí)顯示水質(zhì)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子的自動(dòng)監(jiān)測。
2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 傳感器選擇
傳感器處于水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子在線監(jiān)測系統(tǒng)的最前端，選擇時(shí)無論在精度、重復(fù)性，還是響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性等方面都應(yīng)符合水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測儀器的有關(guān)技術(shù)要求，而且輸出信號(hào)應(yīng)具有良好的線性性。
pH測試采用PHG-96FS型pH傳感器，該傳感器是專用于測試溶液pH的精密儀表，具備自動(dòng)溫度補(bǔ)償、三點(diǎn)校正等功能。其性能穩(wěn)定，操作簡便，測量范圍從0．00一14．00pH，精度±0．02 pH，輸出電流4～20 mA。
2．2 微處理器
本系統(tǒng)選用STC公司的STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)。它是宏品科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低消耗/超強(qiáng)干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。該單片機(jī)具有62K FLASH程序存儲(chǔ)器，1280字節(jié)片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，片內(nèi)集成8路10位精度高速A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250 k/s、2路PWM。另外，內(nèi)部還集成MAX810專用復(fù)位電路、看門狗電路等，可以用來提高程序運(yùn)行的可靠性。微處理器主要完成管理傳感器、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳送等功能。
2．3 無線收發(fā)系統(tǒng)
無線收發(fā)系統(tǒng)是水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子監(jiān)測無線傳感器系統(tǒng)中重要的組成部分，本系統(tǒng)選用NORDIC公司生產(chǎn)的無線通信芯片NRF24L01。NRF 24L01工作于2．4～2．5 GHz ISM頻段，其工作電壓為1．9～3．6 V，特點(diǎn)是功耗低，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型ShockBurST技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。該芯片采用FSK調(diào)制方式，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)或1對6的無線通信，通信速率可以達(dá)到2 Mbps
2．4 NRF24L01與單片機(jī)的接口電路
無線收發(fā)模塊NRF24L01與單片機(jī)STC12C5A60S2/AD/PWM的接口連接如圖2所示。NRF24L01的MISO腳連接單片機(jī)的P1．3腳，其功能是NRF 24L01將接收到的數(shù)據(jù)解調(diào)后輸出到單片機(jī)中。NRF24L01的MOSI腳連接單片機(jī)的P1．4腳，其功能是單片機(jī)將準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絅RF24L0 1，經(jīng)過調(diào)制后發(fā)送到上位PC機(jī)。NRF24L01的CE腳連接單片機(jī)的P1．1腳，CE為使能發(fā)射或接收引腳。在CSN為低的情況下，CE協(xié)同NRF24L01的CONFIG寄存器共同決定NRF24L01的狀態(tài)。
2．5 串口通信接口電路
上位PC機(jī)與單片機(jī)之間的通信通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232來完成。
串行通信接口電路如圖3所示，當(dāng)單片機(jī)與PC機(jī)通信時(shí)，其數(shù)據(jù)傳輸過程如下：MAX232的11腳T1in接單片機(jī)TXD端P3．1，TTL電平從單片機(jī)的TXD端發(fā)出，經(jīng)過MAX232轉(zhuǎn)換為RS-232C電平后從MAX232的14腳T1out發(fā)出，再連接到串口座的第3腳，再經(jīng)過交叉串口線后，連接至PC機(jī)的串口座的第二腳RXD端，至此計(jì)算機(jī)接收到數(shù)據(jù)。PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)從PC機(jī)串口座第3腳TXD端發(fā)出數(shù)據(jù)，再逆向流向單片機(jī)的RXD端P3．0接收數(shù)據(jù)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 數(shù)據(jù)采集
數(shù)據(jù)采集工作流程圖如圖4所示。單片機(jī)P1口初始為AD模式，設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，使系統(tǒng)周期性地采集數(shù)據(jù)，采集時(shí)間到，系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集完畢后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并打包，通過無線通信模塊發(fā)送，發(fā)送完后，進(jìn)入下一輪采集工作。
pH的采集選用上海力瓊電子有限公司生產(chǎn)的PHG-96FS型測試儀，其輸出電流為I=pHx(8/7)+4．00 mA。通過電流/電壓轉(zhuǎn)換器將pH測試儀輸出的電流轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電壓接到單片機(jī)的P1口，將P1口設(shè)置為AD模式，可得模擬輸入電壓Vin=pHx[(8/7+4)]xRx1 000。然后，根據(jù)A/D模擬輸入量Vin與數(shù)字量輸出D的關(guān)系D=Vinx1 024/Vref，Vref為單片機(jī)A/D模塊的參考電壓，其值為Vref=5 V，最后得到pH的計(jì)算式為pH= 35xD/(1 024xRx36 000)。其部分程序如下：
3．2 pH顯示程序
PHG-96FS測試儀的分辨率為0．01 pH，則本系統(tǒng)也將計(jì)算得到的pH保留小數(shù)點(diǎn)后兩位小數(shù)，具體的做法為將temp=35*gedata/(1 024*R *36000)的分子乘以100，即temp=35*gedata/(1 024*R*360)，其部分程序如下：
3．3 下位機(jī)串口通信程序設(shè)計(jì)
定義串行通信的波特率和通信模式是下位機(jī)串口通信的一個(gè)重要工作，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的波特率為57 600位/秒，即上下位機(jī)傳送數(shù)據(jù)的速度是每秒發(fā)送57 600位。另外，使用的是串行方式1，因此波特率的選擇取決于定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的溢出速率和電源控制寄存器PCON。本系統(tǒng)的晶振頻率為11．059 2 MHz，可得重裝數(shù)值N=0xFF。當(dāng)接收到無線模塊傳來的采集信號(hào)時(shí)，下位機(jī)便將采集到的數(shù)據(jù)解包，通過串口傳送給上位機(jī)，LabVIEW將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為pH并通過前面板顯示。其程序流程圖如圖5所示。
3．4 基于LabVIEW的PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)
LabVIEW是美國國家儀器(National Instruments，NI)公司開發(fā)的一種圖形化編程開發(fā)工具，采用數(shù)據(jù)流的方法來描述程序的執(zhí)行。Lab VIEW除具有靈活而強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理能力外，搭建測試平臺(tái)時(shí)還具有開發(fā)時(shí)間短、調(diào)試輕松、程序擴(kuò)展方便等特點(diǎn)，因此，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測量分析、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)等方面。
本系統(tǒng)LabVIEW程序設(shè)計(jì)包括前面板和程序流程框圖兩部分。前面板是圖形用戶界面，由輸入控件和顯示控件組成，界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形，以及其他控制(control)和顯示對象(indicator)。本文以pH監(jiān)測為例，虛擬儀器的前面板設(shè)計(jì)如圖6所示。面板中包括串口選擇、數(shù)據(jù)采集、pH校正值、歷史數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)退出等輸入控制件，以及pH的實(shí)時(shí)顯示等。
程序流程框圖提供虛擬儀器的圖形化源程序，由端口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線構(gòu)成。其中端口用于與前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)用于實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框用于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，用于定義框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。本系統(tǒng)的程序流程框設(shè)計(jì)如圖7所示，程序流程中除了常規(guī)的程序流程控制之外，還采用了數(shù)據(jù)包的解壓、數(shù)據(jù)的搜索匹配和數(shù)據(jù)的濾波處理等。
4 結(jié)束語
本系統(tǒng)以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)，采用無線收發(fā)模塊NRF24L01，實(shí)現(xiàn)了對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子pH的實(shí)時(shí)采集、顯示和存儲(chǔ)，以及歷史數(shù)據(jù)查詢等，克服了傳統(tǒng)有線監(jiān)控系統(tǒng)帶來的布線復(fù)雜、監(jiān)測不便等不利影響。經(jīng)測試表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)顯示準(zhǔn)確，所測數(shù)據(jù)能為pH的控制和水產(chǎn)養(yǎng)殖決策提供依據(jù)。另外，該系統(tǒng)界面友好、操作簡便、易擴(kuò)展、性價(jià)比高，具有較好的應(yīng)用前景。
