徐爽，易東

（銀川能源學(xué)院，寧夏銀川，750021）

0 引言

水質(zhì)監(jiān)測(cè)是現(xiàn)代漁業(yè)養(yǎng)殖過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，魚(yú)塘中水質(zhì)的好壞直接影響漁業(yè)養(yǎng)殖的產(chǎn)量與質(zhì)量。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法存在很多弊端，如養(yǎng)殖人員定時(shí)巡查，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)粗略判斷水質(zhì)情況，存在很大誤差；或者用水質(zhì)檢測(cè)的相關(guān)儀器設(shè)備，檢測(cè)耗時(shí)費(fèi)力?，F(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控技術(shù)正在向著智能化、自動(dòng)化、高效便捷化發(fā)展。國(guó)內(nèi)許多科研院所和高校在水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面已經(jīng)開(kāi)展了較多的研究，并在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面得到了一定的應(yīng)用，但是由于存在監(jiān)控系統(tǒng)布線復(fù)雜、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本高、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性差、遠(yuǎn)程控制困難等原因而導(dǎo)致在漁業(yè)水質(zhì)監(jiān)控方面的應(yīng)用還比較緩慢。

本文利用傳感器、單片機(jī)、自動(dòng)控制和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立了一個(gè)多傳感器檢測(cè)魚(yú)塘水質(zhì)的監(jiān)控系統(tǒng)，可以監(jiān)測(cè)溫度，PH值、水位、溶解氧含量等多種水質(zhì)參數(shù)，并且可以通過(guò)手機(jī)APP或物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)了解水質(zhì)信息和遠(yuǎn)程控制相關(guān)設(shè)備。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析、存儲(chǔ)、查詢、反饋和調(diào)節(jié)等智能化管理，有效地提高了管理效率與經(jīng)濟(jì)效益 ，減輕了管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及工作原理

系統(tǒng)包括STC15W4K56S4單片機(jī)模塊、傳感器采集模塊、聲光報(bào)警模塊、GPRS通信模塊、OLED液晶顯示模塊和繼電器控制模塊等組成，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。利用水溫、pH值、水位和溶解氧傳感器采集魚(yú)塘水質(zhì)參數(shù)送到單片機(jī)進(jìn)行分析與處理，再把數(shù)據(jù)信息通過(guò)GPRS上傳到物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)器上，如果水質(zhì)參數(shù)超出設(shè)定值便會(huì)報(bào)警，同時(shí)可以控制相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)。魚(yú)塘管理人員可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)OLED液晶屏查看水質(zhì)參數(shù)信息，也可以利用手機(jī)APP或物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控魚(yú)塘水質(zhì)參數(shù)的變化。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)

主控芯片選擇STC15W4K56S4單片機(jī)，它采用STC第九代加密技術(shù)，內(nèi)部有時(shí)鐘和復(fù)位電路，不需要外部時(shí)鐘和復(fù)位電路。STC15W4K56S4單片機(jī)利用IAP技術(shù)，可以省掉外部EEPROM；同時(shí)具有8通道10位脈寬調(diào)制；8通道10位高速ADC，每秒30萬(wàn)次；單片機(jī)內(nèi)部有56K字節(jié)EEPROM ，擦寫次數(shù)10萬(wàn)次以上；4K字節(jié)的大容量SRAM；一組高速同步串行通信端口SPI；具有超強(qiáng)抗干擾、抗靜電、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

2.2.1 水溫測(cè)量電路

水溫測(cè)量采用DS18B20水溫傳感器，它的工作電源電壓為3.0～5.5V；9～12位可調(diào)分辨率；測(cè)量范圍為-55℃～125℃，在-10℃～+85℃時(shí)精度為±0.5℃，傳感器探頭外部有不銹鋼保護(hù)管，可直接放入魚(yú)塘水中。電路如圖2所示，水溫傳感器的2引腳與單片機(jī)的P4.7口相連接。

圖2 水溫傳感器電路

2.2.2 PH測(cè)量電路

PH值測(cè)量選擇DF-SEN0161傳感器，它常用于水產(chǎn)養(yǎng)殖、環(huán)境水檢測(cè)等領(lǐng)域，PH是衡量溶液的酸堿程度。傳感器的工作電壓為DC 5V；測(cè)量的范圍為PH 0-14；精度為±0.1PH（25℃）；工作環(huán)境溫度為-10℃～50℃。電路如圖3所示，PH傳感器的2引腳與單片機(jī)的P1.6口相連接。

圖3 PH傳感器電路圖

2.2.3 水位測(cè)量電路

水位測(cè)量選擇D3B水位傳感器，它利用傳感器中央的壓力感應(yīng)膜來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)魚(yú)塘水位的測(cè)量。其工作電壓為4.2～6.2V；壓力范圍為0～1000mm水柱；電壓輸出為0.23～4.9V；線性度為0.2%。電路如圖4所示，水位傳感器的2引腳與單片機(jī)的P1.5口相連接。

圖4 水位傳感器電路

2.2.4 溶解氧測(cè)量電路

由一個(gè)陽(yáng)極和一個(gè)與傳導(dǎo)性電解質(zhì)連接的陰極組成的溶解氧傳感器，輸出的電流值與水中的氧濃度成比例關(guān)系，于是就可以根據(jù)輸出的電流來(lái)計(jì)算出水中的溶解氧含量。溶解氧傳感器即使在各種惡劣水質(zhì)中，膜也不容易損壞，在水文監(jiān)測(cè)、廢水處理、魚(yú)塘水質(zhì)、生物等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其檢測(cè)范圍是0～20mg/L，分辨率為0.1mg/L。電路如圖5所示，溶解氧傳感器的2引腳與單片機(jī)的P1.4口相連接。

圖5 溶解氧傳感器電路

2.3 液晶顯示模塊

系統(tǒng)采用OLED液晶屏顯示，它既能顯示英文字符，又能顯示中文字符。由于其自身發(fā)光特性，不需要背光，具有能耗低、體積小、清晰度高等優(yōu)點(diǎn)?？蓪?shí)時(shí)顯示系統(tǒng)采集的水質(zhì)參數(shù)，液晶顯示電路如圖6所示， 3引腳SCL與單片機(jī)的P2.6口相連接；4引腳SDA與單片機(jī)的P2.7口相連接。

圖6 液晶顯示電路

2.4 GPRS通信模塊

GPRS通信模塊采用SIM800C，它的抗干擾強(qiáng)、工作穩(wěn)定、外圍電路集成度高，適合用于語(yǔ)音、短信、GPRS數(shù)據(jù)服務(wù)、藍(lán)牙等各種領(lǐng)域。四個(gè)工作頻段GSM/ GPRS 850/900/1800/1900MHz；最大傳輸速率85.6kbps；支持3.3V和5V TTL串口以及5～18V的寬電壓范圍；操作溫度-40℃～+85℃。電路如圖7所示，GPRS通信模塊3引腳TXD與單片機(jī)的P0.0口相連連；4引腳RXD與單片機(jī)的P0.1口相連接。

圖7 GPRS通信接口電路

2.5 繼電器控制模塊

繼電器控制電路包括三個(gè)部分。電路如圖8所示，分別是繼電器控制的加熱片開(kāi)關(guān)電路、水泵開(kāi)關(guān)電路和氧氣泵開(kāi)關(guān)電路。當(dāng)前水溫低于預(yù)設(shè)值時(shí)，加熱棒工作，反之停止；當(dāng)前水位低于預(yù)設(shè)值時(shí)，水泵工作，反之停止；當(dāng)前溶氧量低于預(yù)設(shè)值時(shí)，氧氣泵工作，反之停止。其中繼電器控制加熱片開(kāi)關(guān)電路與單片機(jī)的P5.4引腳相連接，繼電器控制水泵開(kāi)關(guān)電路與單片機(jī)的P5.0引腳相連接，繼電器控制氧氣泵開(kāi)關(guān)電路與單片機(jī)的P4.6引腳相連接。

圖8 繼電器控制電路

2.6 聲光報(bào)警模塊

當(dāng)監(jiān)測(cè)到魚(yú)塘水情超過(guò)或低于預(yù)設(shè)值時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。聲光報(bào)警電路如圖9所示，三極管基極與電阻R3連接，電阻R3另一端與單片機(jī)的P2.5引腳相連接。

圖9 聲光報(bào)警電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括采集終端軟件設(shè)計(jì)和物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)。

3.1 采集終端軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)編程開(kāi)發(fā)工具選用KEIL軟件，C51語(yǔ)言。C51語(yǔ)言編寫的程序便于修改、維護(hù)以及升級(jí)。采用模塊化設(shè)計(jì)思想，采集終端程序由主程序模塊和一系列子程序模塊組成。主程序完成系統(tǒng)的初始化和調(diào)用子程序操作。各子程序包含傳感器采集數(shù)據(jù)、液晶顯示、聲光報(bào)警、GPRS通信和串口初始化等模塊。軟件程序流程如圖 10所示。

圖10 系統(tǒng)程序流程圖

3.2 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)使用中國(guó)移動(dòng)打造的OneNet開(kāi)放平臺(tái)，OneNET平臺(tái)作為連接和數(shù)據(jù)的中心，能適應(yīng)各種傳感網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)，幫助開(kāi)發(fā)者輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入與設(shè)備連接，快速完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部署，從而降低產(chǎn)品研發(fā)、運(yùn)行和運(yùn)維成本。

OneNet平臺(tái)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部署的流程：注冊(cè)并登錄，創(chuàng)建產(chǎn)品，創(chuàng)建設(shè)備，新增數(shù)據(jù)流，新建應(yīng)用并發(fā)布。采用公開(kāi)的 HTTP 協(xié)議，應(yīng)用生成 了四種水質(zhì)參數(shù)曲線、三個(gè)報(bào)警顯示和三個(gè)設(shè)備開(kāi)關(guān)。監(jiān)測(cè)平臺(tái)會(huì)不斷查詢數(shù)據(jù)是否更新，并將已更新的數(shù)據(jù)顯示在平臺(tái)網(wǎng)頁(yè)上，OneNet 監(jiān)測(cè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的接收、處理、存儲(chǔ)和查詢等功能。

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

利用調(diào)試好的系統(tǒng)在寧夏靈武某魚(yú)塘進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)魚(yú)塘水中溫度、pH 值、溶解氧和水位信息，同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)器能夠及時(shí)接收GPRS模塊傳送的水質(zhì)參數(shù)信息，并將水質(zhì)參數(shù)信息全部保存到云端數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶可以隨時(shí)遠(yuǎn)程查看魚(yú)塘水質(zhì)情況，并控制水泵、氧氣泵、加熱片的開(kāi)關(guān)。系統(tǒng)測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)多次測(cè)試比較，得到溫度絕對(duì)誤差0.5℃，PH值絕對(duì)誤差0.3，溶解氧絕對(duì)誤差0.3mg/L，水位絕對(duì)誤差1cm，測(cè)量精度滿足實(shí)際檢測(cè)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

基于單片機(jī)的魚(yú)塘水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了參數(shù)信息的采集、傳輸、分析、顯示等功能，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)魚(yú)塘水中的溫度、PH值、水位溶解氧含量等信息。管理人員可以利用物聯(lián)網(wǎng)WEB網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制。通過(guò)實(shí)際測(cè)試表明，系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)和功能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，智能化程度高，硬件成本低又容易擴(kuò)展出新的功能，具有較好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。