袁 琦，儲春華，李中品，李潔菁

（海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海南 儋州 571737）

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)行自動監(jiān)測，正受到越來越多的關(guān)注[1]。

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[2-3]。而無線數(shù)據(jù)傳輸由于其靈活性和便利性，已廣泛應(yīng)用到社會各個領(lǐng)域，如國防軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報、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[4-5]，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

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、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，通過調(diào)理電路變換為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，然后，通過電流/電壓轉(zhuǎn)換器，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號傳送給單片機(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)計分析、存儲、以曲線圖和表格形式實時顯示水質(zhì)數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子的自動監(jiān)測。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of system

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

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，選擇時無論在精度、重復(fù)性，還是響應(yīng)時間、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，具備自動溫度補(bǔ)償、三點校正等功能。其性能穩(wěn)定，操作簡便，測量范圍從0.00～14.00 pH，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)。它是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/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程序存儲器，1280字節(jié)片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲器，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。NRF24L01工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段，其工作電壓為1.9～3.6 V，特點是功耗低，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，可以實現(xiàn)點對點或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NRF24L01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RF24L01，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)。

圖2 NRF24L01與STC12C5A60S2接口電路Fig.2 Interface between NRF24L01 and STC12C5A60S2

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，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，至此計算機(jī)接收到數(shù)據(jù)。PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時從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

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)置一個定時器，使系統(tǒng)周期性地采集數(shù)據(jù)，采集時間到，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=pH×（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=pH×[（8/7+4）]×R×1 000。 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=Vin×1 024/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的計算式為 pH=35×D/（1 024×R×36 000）。 其部分程序如下：

圖3 串口通信接口電路Fig.3 Circuit interface of serial communication

圖4 數(shù)據(jù)采集工作流程圖Fig.4 Flow chart of software for data acquisition

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)也將計算得到的pH保留小數(shù)點后兩位小數(shù)，具體的做法為將temp=35*gedata/（1 024*R*36 000）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

定義串行通信的波特率和通信模式是下位機(jī)串口通信的一個重要工作，本系統(tǒng)設(shè)計的波特率為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器/計數(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時，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。

圖5 下位機(jī)串口通信程序流程圖Fig.5 Flow chart of software for serial communication

3.4 基于LabVIEW的PC機(jī)軟件設(shè)計

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。LabVIEW除具有靈活而強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和信號處理能力外，搭建測試平臺時還具有開發(fā)時間短、調(diào)試輕松、程序擴(kuò)展方便等特點，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)顯示與存儲等方面[6]。

本系統(tǒng)LabVIEW程序設(shè)計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的實時顯示等。

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、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)點用于實現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框用于實現(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)流動方向[7]。本系統(tǒng)的程序流程框設(shè)計如圖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。

圖6 pH監(jiān)測前面板圖Fig.6 Front panel of monitoring for pH

圖7 pH監(jiān)測程序流程圖Fig.7 Flow chart of monitoring software for pH

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)以LabVIEW為開發(fā)平臺，采用無線收發(fā)模塊NRF24L01，實現(xiàn)了對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子pH的實時采集、顯示和存儲，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、性價比高，具有較好的應(yīng)用前景。

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