王建喜，朱培逸，李 鑫

（常熟理工學(xué)院 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

傳統(tǒng)漁業(yè)的特點(diǎn)是周期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，因此減輕漁業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率是漁民多年來(lái)的夢(mèng)想也是新時(shí)期對(duì)漁業(yè)快速發(fā)展的必然要求，自動(dòng)化是減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率、實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)漁業(yè)向現(xiàn)代漁業(yè)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵措施之一[1-3].在眾多的水體參數(shù)中，溶氧量濃度（DO）是養(yǎng)殖水體的一項(xiàng)重要參數(shù)，也是可以對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)控制的水體參數(shù)之一.水體溶氧是魚(yú)、蝦、蟹類賴以生存和微生物進(jìn)行硝化過(guò)程所必須的物質(zhì)[4].因此本文以溶氧量濃度這一水體參數(shù)為例，根據(jù)無(wú)線傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水體中溶氧量的濃度變化，自動(dòng)控制增氧機(jī)的開(kāi)關(guān)，從而達(dá)到既維持水體溶氧量的濃度，又能節(jié)約用電，延長(zhǎng)增氧機(jī)使用壽命，降低養(yǎng)殖成本的效果，完全符合國(guó)家對(duì)工業(yè)提出的節(jié)能降耗的要求.

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

不同的養(yǎng)殖種類有不同的溶解氧需求，要根據(jù)養(yǎng)殖的具體情況確定.冷水性魚(yú)類生長(zhǎng)快、攝食量大、代謝旺盛、溶解氧消耗比較多.本研究利用鱒魚(yú)類作為設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，主要原因在于鱒魚(yú)喜棲于高溶解氧水域.一般情況下，鱒魚(yú)溶解氧安全臨界值為3.15mg.L-1，長(zhǎng)期在低氧環(huán)境下飼育的魚(yú)，其安全臨界值降為2.45mg.L-1，溶解氧低于5mg.L-1時(shí)，鱒魚(yú)呼吸頻率加快，低于4mg.L-1時(shí)游動(dòng)遲緩，當(dāng)魚(yú)群集在入水口呈現(xiàn)浮頭狀時(shí)，水中溶解氧大約已降到了3毫克/升以下，這時(shí)魚(yú)的生命已經(jīng)受到了威脅.安靜環(huán)境下，魚(yú)耗氧量會(huì)降低.溫度、光照、震動(dòng)等對(duì)魚(yú)體的刺激因素，都會(huì)使耗氧量增加而降低溶解氧環(huán)境的安全性[5].因此工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖鱒魚(yú)要求水體溶解氧一般應(yīng)高于5mg.L-1或是水體飽和溶解氧的60%以上[6]，如果使用增氧機(jī)不斷向水體中充入空氣來(lái)滿足溶解氧的要求，對(duì)增氧機(jī)控制要求低，比較容易實(shí)現(xiàn)；如果使用某個(gè)功率的增氧機(jī)連續(xù)滿載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，水體的溶解氧遠(yuǎn)高于要求，此時(shí)就可以對(duì)增氧機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制，在保證水體溶解氧要求的基礎(chǔ)上能減少電能消耗，節(jié)約成本.本文采用的整個(gè)硬件系統(tǒng)主要由兩部分組成，上位機(jī)監(jiān)控中心包括一臺(tái)安裝有監(jiān)控軟件的PC機(jī)，此電腦包含無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器模塊，并能通過(guò)多種方式連接到Internet網(wǎng)，以備用戶遠(yuǎn)程訪問(wèn)和控制.下位機(jī)由多個(gè)增氧節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)增氧節(jié)點(diǎn)相對(duì)獨(dú)立，可單獨(dú)進(jìn)行訪問(wèn)和數(shù)據(jù)上傳.節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心端采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式，各傳感器可以直接連接在節(jié)點(diǎn)上，大大減少無(wú)線傳輸模塊的數(shù)量，降低整個(gè)系統(tǒng)成本.系統(tǒng)的整體框架如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

每個(gè)增氧節(jié)點(diǎn)擬采用單片機(jī)為主控制器，結(jié)合最新的外圍器件，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)監(jiān)測(cè)多路溶解氧的變化，并可同時(shí)顯示在液晶顯示器上，也可通過(guò)RS-232串口與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通信，完成數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程校正等功能，還可以通過(guò)控制接口連接開(kāi)關(guān)繼電器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)增氧機(jī)、循環(huán)泵等設(shè)備的啟停，完成自動(dòng)控制功能.單個(gè)節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖2所示.

系統(tǒng)主控制芯片選用ATMEL公司的AT89S52，主要組成部分有：電化學(xué)溶氧量傳感器、信號(hào)調(diào)理部分、單片機(jī)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示器以及標(biāo)準(zhǔn)的RS-232通信接口，可方便與其他設(shè)備的連接.如利用此標(biāo)準(zhǔn)接口，連接無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，則可組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，便于在無(wú)法布線的區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控.

首先，各個(gè)位置的溶氧量傳感器將各處的溶氧量濃度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的微弱電流或電壓信號(hào)，經(jīng)精密放大器調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)的0～5V電壓后，送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字電壓值，再送入單片機(jī)中進(jìn)行處理.單片機(jī)依據(jù)不同位置的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)融合運(yùn)算，判斷這片水體的溶氧量是否低于設(shè)定閾值，同時(shí)根據(jù)程序設(shè)定，啟停增氧機(jī).這些數(shù)據(jù)也可以通過(guò)RS-232接口直接傳送給計(jì)算機(jī)或其他數(shù)據(jù)傳輸模塊.

2.1 信號(hào)調(diào)理電路

微弱信號(hào)極易受到環(huán)境因素的干擾，甚至被淹沒(méi)在背景噪聲中.電化學(xué)傳感器的輸出電流一般都比較小，而傳感器本身的阻抗又比較大，因此選用合適的高阻抗放大電路成了電路測(cè)量部分成功的關(guān)鍵.圖3給出的電流-電壓變換器（也稱零阻電流計(jì)），作為電流檢測(cè)單元，被普遍用于高阻抗傳感器測(cè)量中，優(yōu)點(diǎn)是電流檢測(cè)靈敏度高.

在微電流測(cè)量電路中，電路的響應(yīng)時(shí)間通常受限于由電阻和電路中輸入寄生電容構(gòu)成的時(shí)間常數(shù).當(dāng)該時(shí)間常數(shù)不小于電化學(xué)反應(yīng)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)時(shí)，測(cè)量結(jié)果往往會(huì)發(fā)生畸變而變得不可靠，用寄生電容消除電路可以使這種影響減到最小.圖3中Cf為寄生電容，R1和C1為外加的RC網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)調(diào)整電阻R1和電容C1的大小，可使RfCf=R1C1，就可消除寄生電容的影響.

圖2 單個(gè)節(jié)點(diǎn)硬件框

圖3 電流-電壓變換器

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換芯片可選用美國(guó)TI公司的TLC2543.片內(nèi)含有一個(gè)14通道多路器，可從11個(gè)外部模擬輸入或三個(gè)內(nèi)部自測(cè)電壓中選擇一路進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出，片內(nèi)設(shè)有采樣保持電路，主處理器只需發(fā)出讀某一通道命令即可，A/D轉(zhuǎn)換電路如圖4所示.

圖4中AIN0-AIN10為模擬信號(hào)輸入端，/CS為片選端，DATA INPUT為串行數(shù)據(jù)輸入端，DATA OUTPUT為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端，EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束端，I/O CLOCK為I/O時(shí)鐘，REF+為正基準(zhǔn)電壓端，REF-為負(fù)基準(zhǔn)電壓端，VCC為電源引腳，GND接地.

2.3 開(kāi)關(guān)繼電器控制電路

在各種自動(dòng)控制設(shè)備中，都存在一個(gè)低壓的自動(dòng)控制電路與高壓電氣電路的互相連接問(wèn)題，一方面要使低壓的電子電路的控制信號(hào)能夠控制高壓電氣電路的執(zhí)行元件，另一方面又要為電子線路的電氣電路提供良好的電隔離，以保護(hù)電子電路和人身的安全，電磁式開(kāi)關(guān)繼電器就能很好地實(shí)現(xiàn)這些要求.本文選用HK4100F電磁繼電器控制一個(gè)小型的增氧機(jī)設(shè)備.

2.4 串口電平轉(zhuǎn)換電路

ELA RS-232C是目前最常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，用于計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間，計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信.但RS-232C規(guī)定的邏輯電平與單片機(jī)的邏輯電平是不一致的.因此在應(yīng)用中，必須把微處理器的信號(hào)電平(TTL電平)轉(zhuǎn)換為RS-232C電平，或者對(duì)二者進(jìn)行逆轉(zhuǎn)換.在這里選用專用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232來(lái)實(shí)現(xiàn).

2.5 無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量與無(wú)線收發(fā)模塊的性能息息相關(guān)，因此該模塊的硬件部分的設(shè)計(jì)十分重要.考慮到通信距離和障礙繞行能力，系統(tǒng)采用頻率為433MHz的射頻信號(hào)進(jìn)行無(wú)線通信.權(quán)衡功耗、靈敏度、數(shù)據(jù)傳輸速率和封裝尺寸等，選用nRF905作為節(jié)點(diǎn)的無(wú)線收發(fā)模塊，nRF905單片無(wú)線收發(fā)器由一個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器，一個(gè)帶解調(diào)器的接收器，一個(gè)功率放大器，一個(gè)晶體震蕩器和一個(gè)調(diào)節(jié)器組成.可以自動(dòng)處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便.此外，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11mA，工作于接收模式時(shí)的電流為12.5mA，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能.

3 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件包括主程序、自檢程序、通信程序、數(shù)據(jù)采集程序、報(bào)警控制程序、數(shù)據(jù)處理程序、比較判斷子程序及無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)程序等若干個(gè)子程序.軟件采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，并采用模塊化設(shè)計(jì)，使程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的功能.軟件結(jié)構(gòu)如圖5.

主程序初始化以后置位AT89S52的中斷EA，使CPU開(kāi)放中斷，并啟動(dòng)TLC2543對(duì)IN1-INn通道的模擬輸入量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換.在電路設(shè)計(jì)中，TLC2543與AT89S52是采用中斷方式連接的，所以系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理功能是在中斷服務(wù)程序中完成的.當(dāng)AT89S52響應(yīng)中斷請(qǐng)求后，調(diào)用中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序進(jìn)行壓棧，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，讀取來(lái)自TLC2543數(shù)據(jù)輸出口的8位數(shù)字量，并將數(shù)字量?jī)?chǔ)存到單片機(jī)RAM中，然后啟動(dòng)TLC2543的下一次轉(zhuǎn)換.在檢測(cè)過(guò)程中，將A/D轉(zhuǎn)換器采集到的電信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后存入內(nèi)部RAM以70H為首址的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，然后將此數(shù)據(jù)Ux分別和基準(zhǔn)電壓U0、U1進(jìn)行比較.而后再通過(guò)判據(jù)算法，以確定是否控制增氧機(jī)的工作及報(bào)警.

圖5 軟件結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

本文介紹了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)增氧機(jī)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的不足，安裝和拆卸方便靈活，功能擴(kuò)展性強(qiáng).可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)化、可視化，并且能及時(shí)全面地了解水的酸堿度、水位、水流速度等，從而對(duì)水質(zhì)進(jìn)行更有效的監(jiān)控，也可定時(shí)控制其他漁業(yè)機(jī)械.系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，具有重要的實(shí)用價(jià)值.

[1]陳中祥，曹廣斌，劉永，等.低溫工廠化養(yǎng)殖水體氨氮處理微生物的初步研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21（8）：132-136.

[2]Wang Ning,Zhang Naiqian,Wang Maohua.Wireless sensors in agriculture and food industry-recent development and future perspective[J].Computers and Electronics in Agriculture,2006,50(1):1-14.

[3]Pierce F J,Elliott T V.Regional and on-farm wireless sensor networks for agricultural systems in Eastern Washington[J].Computers and Electronics in Agriculture,2008,61(1):32-43.

[4]馬從國(guó)，趙德安，秦云，等.基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38（8）：113-115，119.

[5]王昭明.鮭鱒魚(yú)養(yǎng)殖技術(shù)[J].科學(xué)養(yǎng)魚(yú)，2004，8：12-13.

[6]Harry Westers.Application of Pure Oxygen in Recirculating Systems[R].West Lafayette:Purdue University USA,Second Annual workshop on Commercial Aquaculture using Water Recirculation Systems,1991.