林永鋮 林超洋 梁志鋒 羅永生 張京玲

（五邑大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

當(dāng)遇到梅雨或惡劣天氣時(shí)，水中溶氧量會減少，pH值和水溫都會變化，這些水質(zhì)參數(shù)都會直接影響到淡水魚的生存和生長。而傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方法，對這些環(huán)境的把握，需要養(yǎng)殖戶多年的摸索而得出，并且還要親自到淡水養(yǎng)殖場觀察水質(zhì)是否出現(xiàn)變化，所以普遍存在工作效率低下，水質(zhì)參數(shù)把握不準(zhǔn)確的問題。另外，淡水養(yǎng)殖場的水位如果超出水位警戒線，大量的養(yǎng)殖魚會逃逸或者當(dāng)水位過低也不利于魚的生長，加上淡水養(yǎng)殖場被投毒的事件不斷出現(xiàn)，更加引起了人們對淡水養(yǎng)殖問題的關(guān)注。所以人們設(shè)想通過建立物聯(lián)網(wǎng)淡水養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)解決這一現(xiàn)實(shí)問題[1]。

本文提供了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的的淡水養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，其可以測量多種水質(zhì)參數(shù)、報(bào)警自動處理、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，并且可以通過短信實(shí)時(shí)了解和控制魚塘設(shè)備和水質(zhì)，充滿人性化的設(shè)計(jì)及考慮，可以更好的讓魚塘養(yǎng)殖戶實(shí)現(xiàn)智能管理。

1 淡水養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的的淡水養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)將STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片。這個(gè)系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)模式，其中下位機(jī)部分使用了主從機(jī)模式，節(jié)點(diǎn)模塊是下位機(jī)的從機(jī)，主要負(fù)責(zé)收集各種傳感器的數(shù)據(jù)、控制各種設(shè)備、保障人體檢測報(bào)警和水質(zhì)超標(biāo)報(bào)警。主控模塊是下位機(jī)的主機(jī)，主要負(fù)責(zé)上下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸和傳達(dá)上位機(jī)的命令。上位機(jī)是由通信模塊，電腦軟件平臺模塊和手機(jī)軟件模塊構(gòu)成的，主要負(fù)責(zé)對檢測的魚塘進(jìn)行綜合信息化管理與控制，可在手持的移動設(shè)備和筆記本上運(yùn)行。

本控制系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，下位機(jī)部分由 4個(gè)單片機(jī)通過 str30無線模塊組成的主從機(jī)系統(tǒng)，將一個(gè)單片機(jī)作為主機(jī)控制其他的三個(gè)單片機(jī)，主機(jī)還通過USB串口和上位機(jī)進(jìn)行通信。3個(gè)從機(jī)主要負(fù)責(zé)控制喂食器和抽水泵和測量各種水質(zhì)參數(shù)，如果超過設(shè)定水質(zhì)參數(shù)或者檢測到人體接近，則反饋報(bào)警信息給主機(jī)。上位機(jī)通過串口通信和主機(jī)進(jìn)行通信，同時(shí)也可以通過短信模塊和手機(jī)端進(jìn)行信息交流。所以本系統(tǒng)利用str30無線模塊，wifi模塊，短信模塊和串口通信實(shí)現(xiàn)軟件平臺和下位機(jī)的通信。

圖1 系統(tǒng)模塊圖

在圖1所示中，PC上位機(jī)可以通過串口通信給主機(jī)發(fā)送控制和查詢命令，主機(jī)通過str30無線模塊向3個(gè)從機(jī)分別發(fā)送查詢和控制命令，從機(jī)接收到命令后進(jìn)行相應(yīng)的動作，反饋信息給上位機(jī)，并且可以通過上位機(jī)給手機(jī)端傳輸數(shù)據(jù)。同時(shí)上位機(jī)也可以通過wifi模塊對攝像頭和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。

1.1 濁度模塊功能

如圖2所示，我們利用濁度傳感器，通過液體溶液中的透光率和散射率來綜合判斷濁度情況，由于濁度值是漸變量，于是我們利用LM393，連接IN2-和OUTPUT引腳做出一個(gè)電壓跟隨器，并在輸出端加上10k的上拉電阻，此時(shí)我們可以得出0～5V的模擬電壓，對應(yīng)透光度0～100%，最后通過AD轉(zhuǎn)換來得到相應(yīng)的濁度系數(shù)。

圖2 從機(jī)傳感器模塊系統(tǒng)圖

1.2 雨滴模塊功能

我們利用電阻浸泡于水中時(shí)，電導(dǎo)率會提高的原理，在我們設(shè)定的水位警戒線放置一個(gè)電阻，當(dāng)水位高于警戒線浸泡電阻，我們能通過電阻值的變化來得到電壓的變化，然后利用LM393的電壓比較得到電平輸出，借此判斷水位是否達(dá)到或超出警戒線。

1.3 超聲波模塊功能

可以檢測水位高度。該模塊的工作電壓為 DC 5V，最遠(yuǎn)測距為5m，盲區(qū)為25cm，角度小于50°，抗干擾強(qiáng)，防水。

1.4 pH模塊功能

內(nèi)帶溫度補(bǔ)償，工作電壓為5V，工作電流為5～10mA，可以檢測的范圍為 pH 0～14，輸出方式為模擬電壓信號輸出。此模塊靈敏度高，響應(yīng)速度快，靜態(tài)功耗小，體積小巧，易于安裝。感應(yīng)距離：0～5m，輸出高電平，H=3.3V，L=0V。供電直流：3.3～15V，靜態(tài)電流：20μA。

1.5 str30無線通信功能的實(shí)現(xiàn)

下位機(jī)和上位機(jī)的通信方式采用 str30無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在實(shí)現(xiàn)以單片機(jī)為主控的主從機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。這個(gè)無線通信部分的電路原理圖如圖3所示，圖中利用串口將主從機(jī)通過無線模塊連接起來。

圖3 str30無線通信模塊接線圖

1.6 溫度模塊功能

探頭采用 DS18B20溫度傳感器芯片,芯片每個(gè)引腳均用熱縮管隔開從而防止短路，加上內(nèi)部有封膠，防水防潮。外部使用了不銹鋼管進(jìn)行封裝，同樣起到防水效果。供電在 3.0～5.5V間，可以測量在-55～125℃的溫度數(shù)據(jù)。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)備的軟件系統(tǒng)主要包括以單片機(jī)為主控的下位機(jī)、手機(jī)終端機(jī)及上位機(jī)軟件三部分。

2.1 上位機(jī)人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)

如圖5所示，利用QT軟件進(jìn)行了人機(jī)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)，選擇QT是因?yàn)镼T支持Windows平臺，而我們平時(shí)所用的基本都是 Windows系統(tǒng)，而且QT有比較完善的串口通信的類，而我們的通信都是通過串口實(shí)現(xiàn)的[2]。

圖4 軟件系統(tǒng)框圖

使用上位機(jī)界面中主界面的采集數(shù)據(jù)和子界面各個(gè)魚塘的采集數(shù)據(jù)按鍵，可以向主機(jī)發(fā)送約定的一串十六進(jìn)制的命令，同時(shí)，上位機(jī)還同步保存將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后的實(shí)際參數(shù)到一個(gè)TXT文件，且可以在查詢數(shù)據(jù)中隨時(shí)查看。在上位機(jī)的魚塘控制區(qū)，通過按下控制按鈕，上位機(jī)會向主機(jī)發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)對魚塘的氧氣泵、水泵等的開關(guān)或報(bào)警控制。在上位機(jī)的報(bào)警區(qū)，可以實(shí)時(shí)地接收主機(jī)返回的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示魚塘的安全情況，而在各個(gè)魚塘子界面中，還設(shè)有單獨(dú)魚塘布防按鍵，并可以記錄發(fā)生的各種報(bào)警的次數(shù)。上位機(jī)可通過串口與一個(gè)短信模塊進(jìn)行通信，可接收外部用戶手機(jī)發(fā)送的短信，或者向用戶發(fā)送短信。

2.2 下位機(jī)的程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)主要通過單片機(jī)STC12C5A60S2為主控組成的主從機(jī)模式。整個(gè)從機(jī)程序分初始化程序，數(shù)據(jù)采集程序以及命令處理程序三大部分。初始化程序主要是進(jìn)行 AD采集，串口和定時(shí)器初始化設(shè)置。數(shù)據(jù)采集程序是通過定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)定時(shí)1s采集一次數(shù)據(jù)，采集pH和濁度的程序是在AD中斷中進(jìn)行的，由于此單片機(jī) AD中斷只有一個(gè)，所以設(shè)置標(biāo)志位使得采集 pH后再進(jìn)行濁度的采集，避免發(fā)送沖突。而采集水位是通過定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)時(shí)[3]。命令處理程序是接收到主機(jī)的命令之后，根據(jù)不同的命令采取不同動作，而且只有處理完一個(gè)命令之后才繼續(xù)處理下一個(gè)命令[4]，否則不接受主機(jī)的命令。

圖5 淡水養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)

主機(jī)按順序循環(huán)查詢從機(jī)數(shù)據(jù)，從機(jī)不能主動發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)[5]。每查詢完一個(gè)從機(jī)后比較報(bào)警報(bào)警字節(jié)中的狀態(tài)位，如果有修改，則馬上反饋信息給上位機(jī)。然后保存當(dāng)前的信道信息，檢測有沒有上位機(jī)的命令，處理完之后繼續(xù)查詢一下個(gè)從機(jī)。

主機(jī)發(fā)送查詢命令給從機(jī)，等待從機(jī)的應(yīng)答，超時(shí)修改報(bào)警字節(jié)的最高位，發(fā)送給上位機(jī)。繼續(xù)查詢下一個(gè)從機(jī)。

如果接收到上位機(jī)的控制命令，主機(jī)修改報(bào)警字節(jié)中的狀態(tài)位，馬上回應(yīng)，中斷查詢循環(huán)，給從機(jī)發(fā)送控制命令，等待從機(jī)反饋所有數(shù)據(jù)給主機(jī)，接收到從機(jī)返回的數(shù)據(jù)后主機(jī)保存數(shù)據(jù)，比較報(bào)警報(bào)警字節(jié)中的狀態(tài)位，如果有修改，則馬上反饋信息給上位機(jī)。

主機(jī)發(fā)送控制命令給從機(jī)，超時(shí)則重發(fā)兩次，若超過兩次，主機(jī)馬上改變報(bào)警這個(gè)字節(jié)的最高位，發(fā)送給上位機(jī)。

3 監(jiān)控系統(tǒng)平臺

如圖5所示，此平臺是淡水養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)平臺，此軟件平臺分為主控界面和子界面。從主控平臺的全局操作區(qū)可以看到，短信模塊初始化按鍵用于開啟短信功能，自動對模塊進(jìn)行初始化，還有系統(tǒng)的開關(guān)按鈕，此外，用戶還可以根據(jù)實(shí)際的需要設(shè)置定時(shí)采集魚塘數(shù)據(jù)的時(shí)間。而在魚塘控制區(qū)和報(bào)警區(qū)可以直觀的看出各個(gè)魚塘的報(bào)警信息和電氣設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)，在開關(guān)區(qū)還能一鍵控制所有魚塘的電氣設(shè)備，一鍵控制是否開啟布防系統(tǒng)或者一鍵查詢所有魚塘的數(shù)據(jù)，起到總控制的作用。

本系統(tǒng)的子界面對應(yīng)著不同的魚塘，進(jìn)入不同的子界面能看到不同魚塘的詳細(xì)數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)參數(shù)顯示區(qū)可以看到魚塘的實(shí)時(shí)水質(zhì)數(shù)據(jù)，在報(bào)警功能設(shè)置區(qū)能單獨(dú)的控制該魚塘是否開啟布防，下面顯示著超水位報(bào)警和人體檢測報(bào)警的次數(shù)。在短信功能設(shè)置區(qū)里，用戶可以先設(shè)定自己的手機(jī)號碼，設(shè)置完畢后，上位機(jī)會通過短信模塊向用戶發(fā)送一個(gè)操作指令表，用戶可以通過自己手機(jī)的短信發(fā)送對應(yīng)的指令，上位機(jī)收到信息后可讀取到相應(yīng)的內(nèi)容，進(jìn)行相應(yīng)的操作，如發(fā)送查詢指令，上位機(jī)會查詢魚塘的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后向用戶返回一條包含各種參數(shù)的短信，或者發(fā)送控制指令，上位機(jī)會對魚塘的電氣設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制。在魚塘設(shè)置區(qū)，只要用戶預(yù)先設(shè)定各種水質(zhì)參數(shù)，系統(tǒng)就能根據(jù)用戶設(shè)定的水質(zhì)參數(shù)，自動調(diào)整魚塘的水質(zhì)直至達(dá)到用戶預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)值。此外，該系統(tǒng)還可以隨時(shí)調(diào)取歷史數(shù)據(jù)，讓用戶可以研究以往水質(zhì)參數(shù)，更加科學(xué)且方便的管理多個(gè)魚塘。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)在整體上的功能能夠比較好的實(shí)現(xiàn)，我們進(jìn)行了軟件、硬件的設(shè)計(jì)和調(diào)試，保證能夠把從機(jī)所采集的數(shù)據(jù)通過無線通信的方式發(fā)送到主控平臺上，然后再PC上位機(jī)顯示出來，同時(shí)也能在PC上位機(jī)和手機(jī)終端上查詢控制魚塘數(shù)據(jù)和設(shè)備。通過現(xiàn)場試驗(yàn)，本系統(tǒng)能長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 楊定鵬, 張洋洋, 季春霖. 智能漁場系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 控制工程, 2003, 10(z1): 8-10.

[2] Blanchette J, Summerfield M. C++GUI Qt 4編程[M].2版. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2008.

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[5] 樊昌信. 通信原理[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1988.