摘要：為改善目前國內養(yǎng)殖水質監(jiān)測的現(xiàn)狀，利用GSM在無線通信領域的技術優(yōu)勢，設計了一種養(yǎng)殖水質監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對養(yǎng)殖水質pH和溫度的無線動態(tài)監(jiān)測。系統(tǒng)以STC89C52單片機為主控器，利用溶液pH傳感器和溫度傳感器模塊收集養(yǎng)殖水質pH和水溫數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集與處理，并提供了數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲、分析以及預警功能；采用SIM900A短信收發(fā)模塊，實現(xiàn)水質監(jiān)測無線監(jiān)管。結果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸正常，能夠完成水產(chǎn)養(yǎng)殖水質參數(shù)的監(jiān)測。

關鍵詞：STC89C52；pH傳感器；SIM900A；水質監(jiān)測

中圖分類號：TN713 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）14-3749-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.053

Abstract： In order to improve the situation of domestic aquaculture water quality monitoring，a kind of aquaculture water quality monitoring system was designed by using wireless communication technology GSM，which realized the wireless dynamic monitoring of pH and temperature in aquaculture water. STC89C52 microcontroller was as the main controller，which realized data acquisition and processing of pH and temperature of aquaculture water by the pH value detection sensor and temperature sensor，and the system provided real-time display，storage，analysis and pre-warning function. The SIM900A was adopted to receive and send text messages to gain wireless transmission and dynamic monitoring functions. The experimental results showed that the system is stable，the data transmission is normal，and the monitoring of the water quality parameters can be completed.

Key words： STC89C52； pH sensor； SIM900A； water quality monitoring

中國部分地方養(yǎng)殖水質監(jiān)測水平相對較低， 多數(shù)采取經(jīng)驗法或化學試劑分析法[1]。pH是養(yǎng)殖水體最重要的水質指標之一[2]，中國漁業(yè)水質標準GB11607-89規(guī)定養(yǎng)殖水體魚類生長的pH安全范圍為6.5～8.5，pH過高或過低均對魚類有直接損害，甚至致魚死亡。因此，在養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中要監(jiān)測水體的pH[3]，及時了解水質狀況，采取相應的調節(jié)措施改善水體環(huán)境，保證養(yǎng)殖魚類的正常生長。測量pH的常用方法有化學分析法、試紙分析法和電位分析法?；瘜W分析法、試紙分析法不能實現(xiàn)pH實時在線測量，而電位檢測法一般采用玻璃電極傳感器，檢測儀器體積小巧，便于攜帶和使用，其測量的數(shù)據(jù)準確、可靠，但需要人工記錄數(shù)據(jù)，費力耗時，不能實現(xiàn)pH動態(tài)變化的實時監(jiān)測。近年來，不少工程人員已開始設計實現(xiàn)無線網(wǎng)絡系統(tǒng)對水質進行遠程監(jiān)控[4，5]。本系統(tǒng)設計了水產(chǎn)養(yǎng)殖水體pH和水溫無線實時監(jiān)測系統(tǒng)，以便養(yǎng)殖人員實時了解水體pH和水溫狀況，從而及時采取有效的措施調控水質。該系統(tǒng)對保證水產(chǎn)養(yǎng)殖的安全生產(chǎn)、減輕工人的勞動強度、提高養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)效率具有重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)設計

整個系統(tǒng)由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理器模塊、無線通信模塊、電源模塊和顯示模塊組成。其中，pH傳感器模塊包括pH傳感器和信號調理電路，信號調理電路對傳感器輸出的微弱信號進行調理放大，以滿足處理器A/D轉換要求；無線模塊采用SIM900A作為主芯片，主要負責收發(fā)短信，以便數(shù)據(jù)遠程交互；顯示模塊主要顯示采集到的pH、養(yǎng)殖水溫度和補償后標定溫度[6，7]；電源模塊負責給系統(tǒng)提供所需要的電壓，保證系統(tǒng)正常運行。

2 硬件設計

系統(tǒng)工作時，由溶液pH檢測傳感器和溫度檢測傳感器對養(yǎng)殖水質的指標進行監(jiān)測，由信號調理電路放大調整后傳送到處理器模塊進行數(shù)據(jù)處理，最后由無線通信模塊發(fā)送至監(jiān)控人員，以便工作人員及時了解水質狀況。

2.1 pH信號調理電路設計

系統(tǒng)采用的是Arduino pH傳感器和溫度傳感器補償模塊C5B1，模塊自帶信號調理電路。傳感器探頭檢測到微弱的電壓信號傳給信號調理電路，然后將放大處理后的信號傳送出來。其中傳感器模塊的加熱電壓為5.0±0.2 V、工作電流為5～10 mA，pH傳感器檢測范圍為0.00～14.00，分辨率為0.01、檢測溫度為0～100 ℃、響應時間小于5 s，以模擬電壓信號輸出和數(shù)字信號輸出，pH信號調理電路如圖2所示。

pH傳感器電極輸出的信號為信號電極pH+和參比電極的相對電壓pH-。選用的傳感器參比電極為氯化鉀溶液。pH+經(jīng)同相比例放大電路放大后輸出。另外，通過穩(wěn)壓電路和電壓跟隨器在pH-上施加一個恒定的電壓。選用氯化鉀溶液做參比溶液，pH-電壓值為350 mV，可以保證信號電極為正值。pH+電極輸出為mV級電壓信號，具體范圍在120～450 mV之間，且內阻很高。在調理電路的設計中，采用自動校準運算放大器TLC4502構成信號調理電路。TLC4502是一種新型的高精密運算放大器，具有低輸入失調電壓漂移和高輸出驅動能力，并可在上電后失調電壓自動校準為零。經(jīng)過調理放大11倍后，信號調整為2.5～5.0 V以滿足單片機A/D轉換器輸入范圍。

2.2 A/D轉換電路

系統(tǒng)采用的A/D轉換器為PCF8591芯片。通道CH2連接調理后的pH信號，CH3連接溫度傳感器信號輸入，該系統(tǒng)中只用到單個芯片，因此將A0、A1和A2都選擇接地。A/D轉換器PCF8591利用數(shù)據(jù)線SDL和時鐘線SCL與CPU聯(lián)系。由軟件決定水溫及水質pH和溫度數(shù)據(jù)的采集時間和數(shù)據(jù)的存儲以及顯示。PCF8591芯片引腳連線如圖3所示。

2.3 顯示電路設計

溫度傳感器補償模塊采用DS18B20溫度傳感器進行水質溫度檢測。溫度數(shù)據(jù)和水質pH由傳感器采集信號，經(jīng)過單片機處理存儲，通過LCD12864顯示，以便人們可以現(xiàn)場實時了解水質情況。

2.4 GSM短信模塊設計

GSM短信模塊采用SIM900A，它主要用于語音或數(shù)據(jù)通訊，SIM900A擴展的TCP/IP—AT命令使用戶在做數(shù)據(jù)傳輸方面應用時非常有用[8，9]。SIM卡的接口電源由短信模塊內部的電壓穩(wěn)壓器提供，正常電壓值為2.8 V或1.8 V。為了保護SIM卡，本設計使用SMF05C來做靜電保護，SIM900A電路具體連接如圖4所示。

系統(tǒng)采用單片機STC89C52控制SIM900A電路，將單片機的TXD連接到SIM900A的TXD_0上，將RXD連接到SIM900A的RXD_1上，通過單片機發(fā)送和接受控制命令來完成與SIM900A的通信。NETLED信號用來驅動網(wǎng)絡狀態(tài)燈，通過網(wǎng)絡狀態(tài)燈的閃爍可以判斷當前的網(wǎng)絡狀態(tài)（熄滅，關機；64 ms亮/800 ms熄滅，未注冊到網(wǎng)絡；64 ms亮/3 000 ms熄滅，注冊到網(wǎng)絡；64 ms亮/300 ms熄滅，GPRS通訊）。當短信模塊開機時，用戶可以拉低PWRKEY引腳1 s以上后釋放此引腳來開機，此引腳在模塊內部已被拉至3 V。當收到短消息時，RI腳將變?yōu)榈碗娖剑３值碗娖?20 ms，然后再變成高電平。當模塊作主叫方時，RI保持高電平。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)程序的總體設計

系統(tǒng)具體工作流程圖如圖5所示。系統(tǒng)工作時，首先對各個設備進行初始化，以保證各模塊正常運行。當主控制器判斷各個模塊完成初始工作且與無線通信入網(wǎng)成功后，傳感器開始采集電壓信號，并將采集到的微弱信號放大處理后送入處理器進行處理，并且通過液晶顯示屏顯示處理后的信號數(shù)據(jù)。與此同時，處理器還定時將數(shù)據(jù)通過無線模塊SIM900A發(fā)送到工作人員的設備上，以便工作人員及時了解現(xiàn)場情況。最后，由工作人員對采集的數(shù)據(jù)進行分析對比，如果顯示正常，則系統(tǒng)保持連續(xù)動態(tài)監(jiān)測狀態(tài)；如果水質超標或者不符合養(yǎng)殖要求時，能一鍵撥號通知工作人員及時做出調整。

3.2 無線通信相關程序設計

在程序中定義了大量的變量來控制短信程序執(zhí)行的走向（flag_rec_message，接收到短信標志位；Buffer_Uart0_Rec[]，Uart0中斷接收數(shù)組；rec_data_len_uart，標記Buffer_Uart0_Rec接收數(shù)組的長度；flag_rec_message_data=0，開始接收短信數(shù)據(jù)；flag_start_rec_message，開始處理短信數(shù)據(jù)標志位；temp_rec_data_uart0，定義暫時存取接收數(shù)據(jù)的變量），接短信與打電話流程（A是接收短信的總流程，B是A中接收短消息極其相關數(shù)據(jù)的詳細過程，C是撥打電話的過程）具體流程如圖6所示。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 溫度測量部分試驗數(shù)據(jù)

溫度測量部分選用pH探頭和DS18B20溫度傳感器，溫度變化引起阻值的變化，呈線性關系。采用平衡電橋電路將阻值的變化轉換為電壓的變化[10]。測得溫度與電壓的數(shù)據(jù)關系如表1所示。

對溫度模擬電壓與溫度關系進行線性擬合，并給出溫度標定公式：

T=231.86U-187.77 （1）

其中，U代表電壓，T代表溫度。將此公式寫入FLASH，即可得到傳感器模塊溫度標定值。

4.2 pH測量部分試驗數(shù)據(jù)

在不同溫度下，用pH已知的標準溶液對參數(shù)進行標定，常用的標準溶液為鄰苯二甲酸氫鉀（pH=4.00）、混合磷酸鹽（pH=6.86）、四硼酸鈉（pH=9.18）。根據(jù)被測溶液pH的變化范圍，選擇其中兩種標準溶液，通過試驗得出以下數(shù)據(jù)，測得pH與電壓值的數(shù)據(jù)關系如表2所示。

由數(shù)據(jù)分析可得，溫度小范圍的波動對電壓值的影響不大，原因是傳感器模塊中加入了溫度補償以便得到更準確的數(shù)據(jù)。對pH與溫度關系進行線性擬合，并給出pH標定公式：

pH=-5.23U+25.06 （2）

其中，U代表電壓，將關系式存入FLASH，即可在液晶屏上顯示pH。

5 結論

系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心，采用溶液pH檢測傳感器和溫度檢測傳感器模塊采集pH和水溫數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示；除此之外，以SIM900A為無線通信模塊，定時通過無線模塊將水質信息發(fā)送給工作人員，當水質超標或者不符合養(yǎng)殖要求時，通過一鍵撥號進行提醒。結果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸正常，能夠完成水產(chǎn)養(yǎng)殖水質參數(shù)的監(jiān)測。對于保證水產(chǎn)養(yǎng)殖的安全生產(chǎn)、減輕工人的勞動強度、提高養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)效率具有重要的現(xiàn)實意義。如果系統(tǒng)增加無線監(jiān)測節(jié)點和中轉節(jié)點，還可構成一個規(guī)模較大的、距離較遠的無線監(jiān)測網(wǎng)絡。

參考文獻：

[1] 武靜濤，馬長寶，劉永波.水質監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計[J].計算機測量與控制，2009，17（12）：2575-2578.

[2] 趙小強，馮 勛.基于ZigBee的水質pH值在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].西安郵電大學學報，2014，19（6）：71-75.

[3] 袁 琦，黃建清，符 新，等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質預測模型研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學，2013，52（1）：143-146.

[4] 汪學清，楊永田，孫 亭.無線傳感器網(wǎng)絡中基于網(wǎng)格的覆蓋問題研究[J].計算機科學，2006，33（11）：38-39，78.

[5] 仲元昌，郭開林，徐寶桂，等.面向三峽庫區(qū)水環(huán)境監(jiān)測的混合網(wǎng)絡構建[J].世界科技研究與發(fā)展，2010，32（6）：737-740.

[6] 羅勇鋼，劉冠軍，鄒 君.一種一體式pH傳感器的研制[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（12）：54-56.

[7] 胡月明，黃建清，王衛(wèi)星，等.水產(chǎn)養(yǎng)殖水質pH值無線監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（11）：113-114.

[8] 劉向華.智能家居中無線傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].天津：天津大學，2006.

[9] 李海生.基于GSM短消息的遠程檢測系統(tǒng)[D].河北秦皇島：燕山大學，2005.

[10] 董 華.基于MSP430單片機的pH計的設計[D].長春：吉林大學，2006.