基于射频RF技术的鱼塘溶解氧无线监控系统的探讨

 0 引言

溶解氧是鱼类赖以生存和生长的必备条件之一。如果水中溶氧量降到一定限度，就会给鱼类生长带来不良的影响，氧量继续下降到临界状态就可造成鱼类大批死亡。水中含氧量主要与自然温度、湿度和鱼的密度等因素有关。水场要为在其中生长的鱼类提供一个良好的环境，使用的主要手段是给定水场自动控制系统一个最佳的设定值，设计一个良好的智能控制算法。这是水产养殖环境控制的两大核心问题。它又不同于工业过程控制，工业上的控制系统的设定值是已知的；控制器的输出一般是连续量。而水场调控系统的设定值是鱼类等生长的时间模型(温度、pH值、溶氧量，氨氮量、浑浊度、水位等)，控制器的输出大多是开关量(控制热泵、增氧泵、水阀门、水泵等)。通过研究该类系统的控制算法，能够协调各个执行机构按照一种优化的方法动作，使水场内的环境尽可能地满足鱼类生长的需要与生态需求。因此对水体这两大主题进行研究是必要的，同时对促进工厂化渔业发展也有着深远的意义_1 J。目前，国外的发展趋势主要是研究鱼类生长的外界影响因素，主要是水体的溶氧、温度可视化建模，离应用还有一定的距离。

1 系统的硬件构成

系统的结构框图和主从机方案如图1和图2所示。系统主要组成部分包括：溶解氧传感器、信号调理单元、AVR单片机、无线射频模块(RF模块)、GSM(global system for mobile communications)模块以及液晶屏等。系统的硬件部分主要完成信号调理和信号采集。整个硬件电路以ATmega128 AVR单片机为控制核心。

通信方式采用主从结构，整个系统有一个主站，多个从站。主站与从站之间采用无线射频方式进行通信，这样，相对于每个鱼塘都设置一个GSM模块来说可以节省大量资金。而主站和业主之间采用GSM网进行通信，只要是GSM网覆盖的范围都能进行通信，这样既扩大了通信范围和空间，又保证了通信质量。[page]

1.1 从站的硬件设计

本系统使用瑞士Hamilton公司的溶解氧电极检测鱼塘中水的含氧量，它广泛应用于水、废水、游泳池和鱼塘，该电极有一个内置的22 kΩ的温度补偿电阻，极化和反应时间极短，可以精确地检测到水中的含氧量。传感器输出的溶解氧和温度送人德国PISCO变送器，变送器可以输出4～20 mA的标准信号。把这个标准信号接入一定的电阻和电容后，转化为0～5 V电压信号，这样就可以送入单片机进行A/D转换了。

ATmega128 AVR单片机是由美国ATMEL公司研制开发的，具有增强型Flash的RISC精简指令集高速8位单片机。AVR单片机废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机(CISC)追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中(指令集中占大多数的单周期指令都是如此)，取指令周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行。在从站中的AVR单片机接收标准的0～5 V信号，利用片内的12位A/D转换器做A/D转换，并把转换的结果与设定值进行比较，启停增氧机；通过射频模块把检测到的信号传给主站。

射频传输使用STR-30。它具有微功率发射，最大发射功率10 mW；载频频率433～915 MHz；高抗干扰能力和低误码率；在视距情况下，天线高度>2 m，可靠传输距离可达300～4 000 m(BER=1 200 b/s)；透明的数据传输；多信道；双串口，3种接口方式；智能数据控制，用户无需编制多余的程序等特点。RF射频模块与单片机连接，进入单片机的采集的数据通过RF射频模块就可以实现主、从机多点双向数据传输了。从站的主体电路图如图3所示。

1.2 主站的硬件设计

主站的STR－30射频模块循环接受从站发送来的数据，把各个从站的溶解氧循环显示在主站的前面板上。前面板由4×4的按键和液晶屏组成。当鱼塘中的溶解氧超出没定值时，为了及时地反映系统的状况，本系统使用ME40+的GSM模块。ME40+是一款TTL/CMOS电平的嵌入式Modem，可直接与用户的单片机连接，作为一个无线通讯应用单元，此产品是在核心模块的基础上，增加了供电、SIM/UIM卡、物理电平转换、语音电路、接口等电路；并且外形紧凑、尺寸小，方便集成到各种应用。在GSM模块的插槽内插入手机SIM卡，在前面板上设定用户的手机号，用单片机来控制GSM模块，那么GSM模块就可以像手机一样进行收发短信息。这样，在溶解氧超过限值，发出报警信号后主站就可以通过GSM模块向业主发出短信息，以便通知业主。最后，主站把从站传递来的溶解氧信号通过RS232以数据帧的方式发送给PC，PC实时采集数据进行监控。电平转换部分由MAX232芯片完成。

1.3 增氧机的控制技术

本系统通过对水体溶解氧含量的实时检测，将当前溶氧量与设定参数进行比较，再经过AVR单片机的处理，通过单片机发出控制信号经驱动器后控制光电耦合器的工作状态。当光电耦合器工作后，使得继电器的常开触电闭合，进而控制增氧机工作。使用光电耦合器有效地降低了外部干扰对系统的影响，增强了系统的稳定性。这样就可以实时控制增氧机的工作，使增氧机有目的、有效率地运行，减少了噪声污染，降低了能源消耗。

2 系统的软件设计

系统软件的单片机程序采用C语言编写而成，包括键盘、显示、数据采集与数据处理等模块化程序。键盘处理程序主要根据不同的季节完成溶解氧上下限的设定，按键动作的识别采用软件去抖动的方法。整个系统结构分明紧凑，程序运行可靠。

2.1 从站的软件设计

从站主要完成数据的采集，A/D转换启停增氧机和向主站发送采集到的数据等工作，系统的从站流程图如图4所示。

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2.2 主站的软件设计

主站主要完成循环显示各个从站的溶解氧含量、向业主发送手机短信以及和PC通信等，系统的主站流程图如图5所示。

3 系统运行与调试结果

系统实物图如图6所示。

本文使用RF射频技术，并配以GSM的无线检测与控制技术，设计了数据采集的硬件控制电路和软件系统。测试结果证明，系统可以实时地24小时监控鱼塘水温、溶解氧和其他影响鱼类生长的环境因素；业主可以实时地了解系统的状况而不受地域范围的影响；减轻了渔民的劳动强度，产生巨大的经济和社会效益。