基于射频RF技术的鱼塘溶解氧无线监控系统的研究

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。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。而且国外并没有把无线监控和无线通讯报警等技术应用到鱼塘监控系统中，所以本系统采用无线射频模块构建一个支持控制系统正常运作的，充分考虑水体生产效益的智能决策支持系统(设定点)是很有意义的。
    通过对鱼塘中影响鱼类生长的多环境因子的综合分析与评价，认为水中的溶解氧是影响鱼类生长最为关键的因素，而溶解氧又与水的温度有着密切的关系，所以本文研究基于鱼塘溶解氧的无线监控系统。本文采取上位机软件监控和下位机采集、控制的研究方法，电路设计采取工程上长期采用的电路确保系统的安全性，在软件方面结合现有的控制方案进行优化。利用AVR单片机和RF射频技术，构建一个基于RF射频技术的鱼塘溶解氧无线检测与控制系统，有效地提高了鱼类的安全性。

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。只要业主的手机带在身边则随时都可以知道自己鱼塘中的氧含量。
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单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通信设备、家用电器等各个领域。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。由于季节的不同，鱼塘中溶解氧含量的设定值也有所变化，用户可以在前面板上修改设定值，而无需修改程序，大大地方便了用户的使用。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。

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。

4 结束语
    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。