周博昊 王志鵬 高 寧 劉子廷 王素芹*

（江蘇海洋大學(xué)理學(xué)院，江蘇 連云港222005）

1 概述

在海水養(yǎng)殖的過(guò)程中，為了保證養(yǎng)殖環(huán)境的適宜，及時(shí)調(diào)整水質(zhì)，需要每天對(duì)溫度、酸堿度、濁度等參數(shù)進(jìn)行多次測(cè)量[1]。隨著傳感器技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的養(yǎng)殖用戶選用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但由于造價(jià)昂貴，大部分用戶選擇相對(duì)廉價(jià)的人力測(cè)量。結(jié)合目前離線式實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)存在的測(cè)試周期長(zhǎng)，數(shù)據(jù)反饋速度慢等問(wèn)題[2]，本文設(shè)計(jì)了基于STC89C54 的海水養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以提高海水養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益。

2 系統(tǒng)方案選擇

2.1 設(shè)計(jì)構(gòu)想

采用STC89C54 單片機(jī)作為本系統(tǒng)的核心控制芯片，通過(guò)系統(tǒng)中放置的環(huán)境傳感器采集養(yǎng)殖環(huán)境的數(shù)據(jù)，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器送入到核心單片機(jī)處理，處理后的數(shù)據(jù)單片機(jī)會(huì)發(fā)送到液晶屏實(shí)時(shí)刷新顯示，也會(huì)通過(guò)串口通訊技術(shù)與手機(jī)藍(lán)牙連接。在數(shù)據(jù)顯示界面用戶可以清楚的看到養(yǎng)殖環(huán)境實(shí)時(shí)參數(shù)的變化。用戶可在軟件中修改某一參數(shù)的警報(bào)閾值，系統(tǒng)將在軟件程序燒錄成功后對(duì)超出閾值的參數(shù)發(fā)出警報(bào)，在液晶屏和手機(jī)終端顯示警報(bào)內(nèi)容。

2.2 硬件選擇

選用STC89C54 單片機(jī)作為核心控制芯片，采用E-201-C型PH 復(fù)合電極作為PH 傳感器（輸出電壓0～840mV），內(nèi)阻一般為幾十MΩ 到幾百M(fèi)Ω。DS18B20 溫度傳感器、TSW-30 濁度傳感器和TDS（總?cè)芙夤腆w）傳感器采集養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)，除溫度數(shù)據(jù)直接由I2C 串行總線技術(shù)送往單片機(jī)外，其他參數(shù)的數(shù)據(jù)先經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器PCF8591 進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換后，再通過(guò)I2C 串行總線技術(shù)送到單片機(jī)，進(jìn)行協(xié)調(diào)處理。處理后的數(shù)據(jù)將顯示在LCD 液晶屏，同時(shí)利用串口技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)終端，方便用戶查看了解養(yǎng)殖環(huán)境變化。

STC89C54 通過(guò)PH 傳感器采集水中酸堿度的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，分析當(dāng)前環(huán)境中酸堿度是否處于養(yǎng)殖要求的范圍。通過(guò)溫度傳感器、濁度傳感器、TDS 傳感器采集溫度、濁度、TDS 值，判斷這些參數(shù)是否超出預(yù)設(shè)的危險(xiǎn)值，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警。

系統(tǒng)將不停的刷新實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并在獲取數(shù)據(jù)的第一時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行與危險(xiǎn)值的比對(duì)，若有超出閾值的參數(shù)，則及時(shí)報(bào)警。

3 海水養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

海水養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由四部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)運(yùn)算與控制模塊、通知與顯示模塊。整體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖

3.2 系統(tǒng)的程序流程設(shè)計(jì)

如圖2 所示，系統(tǒng)在上電初始化后，將不間斷的采集養(yǎng)殖環(huán)境的數(shù)據(jù)，送往單片機(jī)進(jìn)行發(fā)送顯示和判斷，單片機(jī)處于不停接收、判斷、發(fā)送的工作狀態(tài)，手機(jī)終端也將收到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)化。

圖2 系統(tǒng)程序流程設(shè)計(jì)圖

4 系統(tǒng)功能

4.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)功能

通過(guò)PH 傳感器、溫度傳感器、濁度傳感器、TDS 傳感器實(shí)時(shí)采集養(yǎng)殖環(huán)境的數(shù)據(jù)，每個(gè)傳感器都有對(duì)應(yīng)的外圍電路，負(fù)責(zé)將傳感器采集到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入單片機(jī)。濁度傳感器內(nèi)對(duì)立放置了紅外發(fā)射二極管和光敏二極管，當(dāng)水中污物或是雜質(zhì)增加時(shí)，穿過(guò)水體入射到光敏二極管的光線將減少，得以實(shí)時(shí)采集水體濁度數(shù)據(jù)。PH 傳感器負(fù)責(zé)采集水中酸堿度數(shù)據(jù)，溫度傳感器以DS18B20 為傳感器芯片，加以不銹鋼封裝，可適于水下監(jiān)測(cè)。TDS 傳感器采集溶解性固體總量數(shù)據(jù)。

為了減少單片機(jī)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，加入PCF8591 作為A/D 轉(zhuǎn)換器，從而減少了單片機(jī)的運(yùn)算量，提高了單片機(jī)的工作效率，保證了顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的精度。

4.2 通知與顯示功能

數(shù)據(jù)采集模塊的所得到的溫度、TDS、濁度、酸堿度數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)顯示到系統(tǒng)的液晶顯示屏上，方便用戶及時(shí)查看。系統(tǒng)藍(lán)牙當(dāng)用戶離開(kāi)顯示屏，在養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)進(jìn)行巡查時(shí),同樣可以通過(guò)手機(jī)查看上述數(shù)據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到某一參數(shù)或多個(gè)參數(shù)超出用戶預(yù)設(shè)的危險(xiǎn)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提示用戶養(yǎng)殖環(huán)境的具體參數(shù)異常。

5 改進(jìn)與提升

在海水養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，因降低成本只實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度、濁度、TDS、酸堿度的測(cè)量，后續(xù)可以加入鹽度、溶解氧、氨氮含量的數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，替換性能更好的核心控制芯片還可以使系統(tǒng)接入物聯(lián)網(wǎng)，提高便利性，對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境的增氧、投料等功能也是需要進(jìn)一步考慮的[3]。