賈海天，蓋之華，賈 春，施連敏　(.蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 5009；.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封 475004)

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基于MSP430的GPRS水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)

賈海天1，蓋之華1，賈 春2，施連敏1(1.蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215009；2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封 475004)

根據(jù)FAO(聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織)最新發(fā)表的《2006年世界漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖狀況》的報(bào)道，我國的水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到3 100萬t，約占世界養(yǎng)殖總產(chǎn)量的70%，養(yǎng)殖產(chǎn)量每年仍以5%的速度增長，是世界上最大的漁業(yè)生產(chǎn)國。隨著我國水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量的快速增加，養(yǎng)殖中的深層次問題也日漸暴露，主要表現(xiàn)在水資源污染問題和水產(chǎn)品病害問題。針對水產(chǎn)養(yǎng)殖中遇到的資源、環(huán)境、病害等諸多問題，人們普遍認(rèn)識要發(fā)展高效、無公害養(yǎng)殖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展，要珍惜十分寶貴的水資源，保護(hù)環(huán)境，與自然和諧相處，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)品的生產(chǎn)從數(shù)量型向質(zhì)量、效益型轉(zhuǎn)變。筆者采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GSM網(wǎng)絡(luò)、變量控制技術(shù)、單片機(jī)控制組態(tài)軟件相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種基于MSP430的GPRS水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，可以更加精細(xì)地控制水產(chǎn)養(yǎng)殖過程，得到良好的人機(jī)交互，從而更好地進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。

1水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)組成

按照《水產(chǎn)養(yǎng)殖水產(chǎn)養(yǎng)殖質(zhì)量安全管理規(guī)定》的要求，水產(chǎn)養(yǎng)殖基地的水環(huán)境需要滿足水環(huán)境要求和養(yǎng)殖水產(chǎn)品藥物殘留監(jiān)控的要求，進(jìn)行定期檢查與監(jiān)控。對水產(chǎn)養(yǎng)殖進(jìn)行合理的監(jiān)管，是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。該研究設(shè)計(jì)的基于MSP430與GPRS水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

目前，遠(yuǎn)程湖面數(shù)據(jù)的傳輸主要采用GSM無線網(wǎng)絡(luò)，通過中國移動公司提供的GSM 2G服務(wù)，系統(tǒng)建設(shè)周期短，可以省去自身通信網(wǎng)的建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用，覆蓋范圍廣。GPRS通信通過中國移動SIM 卡，實(shí)現(xiàn)經(jīng)過TCP/IP 傳輸數(shù)據(jù)到服務(wù)器。

2水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1硬件總體框架水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。MCU通過溫度、濕度、水質(zhì)、值傳感器采集相應(yīng)的信息，通過GPRS模塊至服務(wù)器。該研究MCU微控制單元主要選擇MSP430。MSP430具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富、方便高效的開發(fā)環(huán)境等特點(diǎn)。MSP430控制芯片工作電壓為 1.8～3.6 V，采用雙時鐘系統(tǒng)；另外MSP430是16位單片機(jī)，處理數(shù)據(jù)更多，更強(qiáng)大，MSP430也具有較豐富的片內(nèi)外資源，與各傳感器、GPRS有很好的接口[1]。

2.2時鐘電路和JTAG接口MSP430系列單片機(jī)時鐘模塊包括數(shù)控振蕩器(DCO)、高速晶體振蕩器和低速晶體振蕩器等3個時鐘源。在系統(tǒng)中需要設(shè)計(jì)高速晶體振蕩器和低速晶體振蕩器兩部分電路。由MCU主控電路(MSP430主控電路)可以看出，低速晶體振蕩器(Y1)滿足了低功耗及使用32 kHz晶振的要求。振蕩器默認(rèn)工作在低頻模式，即32 kHz，也可以通過外接8 MHz的高速晶體振蕩器(Y2)工作在高頻模式，它為MSP430工作在高頻模式時提供時鐘，XT2最高可達(dá)8 MHz。

用JTAG接口實(shí)現(xiàn)在線仿真，標(biāo)準(zhǔn)的14針JTAG接口，主要連接線有TMS、TCK、TDI、TDO、RST、TEST。內(nèi)部有若干個寄存器連接到了430的內(nèi)部數(shù)據(jù)地址總線上，所以可以用JTAG訪問MSP430內(nèi)部的所有資源，包括對Flash的讀寫操作。

2.3電源電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)中各個模塊電路主要采用6 V 的直流電，而GPRS模塊采用4.2 V 的直流電供電，因此需要專用的芯片將6V 的電源通過適當(dāng)?shù)碾娮柁D(zhuǎn)為3.3 V 的電源。

2.4GPRS和單片機(jī)接口電路GPRS通信模塊選用華為公司的MG323作為GSM收發(fā)模塊，主要為語音傳輸、短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口。MG323是一款雙頻GSM/GPRS 工業(yè)級無線模塊，支持153.6 kbps下行速率；提供高質(zhì)量的語音、短信功能，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，具有STK/ FTP/ HTTP/ Audio Record/ TTS 等擴(kuò)展功能，以及華為擴(kuò)展AT命令集。

MG323模塊通過50pin的B2B連接器將SIM卡相關(guān)信號引到外部，由用戶自行在接口板上放置SIM卡座，SIM卡對應(yīng)接口定義見表1。

表1　SIM卡接口定義

Pin42、Pin44、Pin46、Pin48、Pin50為模塊電源管腳，用于給模塊內(nèi)部供電。當(dāng)模塊以最大功率發(fā)射時，瞬時電流最大可以達(dá)到2 A左右，可能會引起VBAT的電壓跌落，模塊要求VBAT供電電壓最低不能低于3.3 V；Pin41、Pin43、Pin45、Pin47、Pin49為模塊電源地管腳。GPR通信電路見圖2。

2.5看門狗電路看門狗電路是一個可清零的定時計(jì)數(shù)器，作為一個計(jì)時器使用，計(jì)數(shù)器滿產(chǎn)生中斷時執(zhí)行看門狗中斷函數(shù)。該研究采用基于CD4060的硬件看門狗電路，當(dāng)看門狗計(jì)數(shù)溢出，使其重新計(jì)數(shù)，若程序溢出，看門狗也會溢出，這時程序復(fù)位[2]。

2.6溫度測量電路溫度測量傳感器采用DS18B20芯片，DS18B20是一種單總線數(shù)字測溫芯片。DS18B20可以直接將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以串行傳送給MCU，同時可以傳送CRC校驗(yàn)碼，提高抗干擾糾錯能力。DS18B20 8引腳封裝Pin1接地；Pin2 數(shù)字信號輸入輸出，一線輸出：源極開路，Pin2腳采集到的溫度信息可以傳遞到MSP430的P4.3口；Pin3電源可選電源管腳。其他管腳不需要接線[3]。

3水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1GPRS網(wǎng)絡(luò)接入GSM手機(jī)短信模塊實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)終端的數(shù)據(jù)聯(lián)系，設(shè)計(jì)中采用了MSP430單片機(jī)和GSM模塊MG323實(shí)現(xiàn)。MG323通信模塊電路由GSM通信電路、GSM軟控開關(guān)、GSM復(fù)位電路和GSM通信指示燈組成；單片機(jī)與MG323模塊通信通過AT指令。由AT指令進(jìn)行呼叫、短信、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等控制。AT指令集中有多套指令，包括控制命令控制命令、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)命令、安全性命令等。

GPRS與網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)(GGSN)的PPP建立無線連接，PPP協(xié)商成功以后接入移動2G網(wǎng)絡(luò)，通過GPRS網(wǎng)關(guān)獲取IP地址，進(jìn)行Socket端口初始化并且與監(jiān)控中心服務(wù)器端口建立連接，在串口和GPRS模塊建立信道以后，系統(tǒng)將溫度信息通過串口發(fā)送到GPRS 模塊，GPRS 模塊在把數(shù)據(jù)壓入?yún)f(xié)議棧后通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控中心，待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢關(guān)閉此Socket，完成通信過程。GPRS通信過程如圖3所示。

GPRS 與Internet 的聯(lián)接主要需要進(jìn)行通信波特率、接入網(wǎng)關(guān)、移動終端類別等設(shè)置，其設(shè)置都可以通過MG323內(nèi)置的AT 指令進(jìn)行設(shè)置。MG323模塊對外提供一路異步RS-232 UART1(8線全串口)通信接口。UART1支持標(biāo)準(zhǔn)Modem握手信號控制方式，通過UART1接口與外界進(jìn)行串行通信和AT指令輸入。UART1接口信號定義見表2。

DTE(DataTerminalEquipment)為數(shù)字終端設(shè)備，DCE(DataCircuit-terminatingEquipment)為數(shù)字通信設(shè)備。DCE一方提供時鐘，DTE不提供時鐘，但它依靠DCE提供的時鐘工作。

例如建立TCP連接步驟如下：

(1)AT+QIOPEN="TCP"，"172.168.80.150"，"8081"http://連接一個TCP服務(wù)器。地址是172.168.80.150：8081。

表2　UART1接口信號定義

(2)OK // 命令語法格式正確并且當(dāng)前狀態(tài)可以建立TCP連接。

(3)CONNECT // TCP連接成功，并且串口進(jìn)入數(shù)據(jù)模式。

(4)send date information //這一段是從服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)。

(5)OK //序列的返回，說明已經(jīng)成功返回到命令模式。

3.2傳感器信息測量采集MSP430的Timer_A是一個16位的定時/計(jì)數(shù)器。它有3個捕獲/比較寄存器；能支持多個時序控制、多個捕獲/比較功能和多個PWM輸出；有廣泛的中斷功能，中斷可由計(jì)數(shù)器溢出產(chǎn)生，也可以由捕獲/比較寄存器產(chǎn)生。

3.3低功耗實(shí)現(xiàn)MSP430低功耗主要是在不需要使用CPU的時候讓CPU進(jìn)入休眠狀態(tài)，待要使用CPU時調(diào)用中斷來運(yùn)行CPU。在休眠狀態(tài)下，關(guān)閉外圍電路如傳感器供電等。

4結(jié)語

該研究設(shè)計(jì)了一種基于MSP430的GPRS水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)作為主控制模塊，具有完善的信息采集系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用；通過GPRS 模塊與上位機(jī)進(jìn)行無線通訊，對水產(chǎn)養(yǎng)殖過程實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控。同時通過Internet 使管理部門也能在線實(shí)時監(jiān)管，進(jìn)一步保證水產(chǎn)養(yǎng)殖的規(guī)范，有效地抑制養(yǎng)殖過程中水環(huán)境出現(xiàn)的問題。該系統(tǒng)不僅能讓水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測工作更方便快捷，而且還能對水產(chǎn)養(yǎng)殖過程自動進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，保證適宜魚類和蟹類生長的水環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁鋒林，邱興陽，鄭健.基于STC89C52 與GPRS 藥品倉儲溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)，2015(1)：14-17.

[2] 樓平.基于GPRS的無線遠(yuǎn)程氣象數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù)，2012(5)：118-122.

[3] 周鵬.基于STC89C52單片機(jī)的溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012(35)：10-13.

摘要設(shè)計(jì)了一種水產(chǎn)養(yǎng)殖的多鏈路數(shù)據(jù)采集與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。各個監(jiān)控終端采集ZigBee傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，msp430對監(jiān)測的信號進(jìn)行運(yùn)算處理。通過GPRS模塊和Internet使傳感器監(jiān)控水產(chǎn)信息資源，同時各監(jiān)控終端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，使監(jiān)管中心對水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)管，確保水產(chǎn)養(yǎng)殖達(dá)到一個比較好的條件，提升產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞水產(chǎn)養(yǎng)殖；GPRS；MSP430 單片機(jī)；監(jiān)控系統(tǒng)

GPRS Aquaculture Monitoring System Based on MSP430

JIA Hai-tian1, GAI Zhi-hua1, JIA Chun2et al(1. Suzhou Institute of Trade & Commerce, Suzhou, Jiangsu 215009; 2. Yellow River Conservancy Technical Institute, Kaifeng, Henan 475004)

AbstractThe multi link data acquisition and equipment monitoring system for aquaculture was designed. The ZigBee sensor data was collected to be minitored, MSP430 was adopted to calculate the monitoring signal. It monitor aquatic product information resources by GPRS module and the Internet sensors. The monitoring terminal for remote control at the same time, make the monitor center real-time minitoring all kinds of data in aquaculture. It can ensure that the aquaculture to achieve a better condition and improve the quality and yield.

Key wordsAquaculture; General Packet Radio Service(GPRS); MSP430 singlechip microcomputer; Monitoring system

收稿日期2015-05-05

作者簡介賈海天(1979- )，男，河南開封人，工程師，碩士，從事物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)研究。

基金項(xiàng)目2013年度蘇州市科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(SNG201339)。

中圖分類號S 951.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2015)18-331-02