基于LabVIEW的水環(huán)境因子無(wú)線(xiàn)監測系統設計

摘要：為了解決傳統水產(chǎn)養殖環(huán)境因子有線(xiàn)監測系統的布線(xiàn)復雜、可靠性較低等問(wèn)題，以LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺，采用無(wú)線(xiàn)數據傳輸方式，設計了一種水產(chǎn)養殖環(huán)境因子無(wú)線(xiàn)監測系統。該系統實(shí)現了對水環(huán)境因子pH值的實(shí)時(shí)采集、顯示和存儲，以及歷史數據查詢(xún)等功能。試驗結果表明，該系統運行穩定、能夠準確地采集和顯示水環(huán)境因子pH值，且具有操作簡(jiǎn)便、交互性好、性?xún)r(jià)比高和易擴展等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：水環(huán)境因子；LabVIEW；無(wú)線(xiàn)通信模塊；監測

水產(chǎn)養殖環(huán)境因子的狀況直接影響水產(chǎn)品的產(chǎn)量、品質(zhì)及安全生產(chǎn)。因此，在現代工廠(chǎng)化養殖中，對養殖水體的溫度、酸堿度(pH)、溶解氧、氨氮值、電導率等環(huán)境因子進(jìn)行自動(dòng)監測，正受到越來(lái)越多的關(guān)注。
根據傳輸介質(zhì)的不同，通常數據信息傳送可分為有線(xiàn)數據傳輸和無(wú)線(xiàn)數據傳輸。有線(xiàn)數據傳輸存在布線(xiàn)麻煩、維護成本高、數據精度差、可靠性較低等缺點(diǎn)。而無(wú)線(xiàn)數據傳輸由于其靈活性和便利性，已廣泛應用到社會(huì )各個(gè)領(lǐng)域，如國防軍事、環(huán)境監測和預報、大型車(chē)間和倉庫管理、機場(chǎng)和大型工業(yè)園區的安全監測等，并且顯著(zhù)地提高了工作效率。為此，筆者應用NRF24L01無(wú)線(xiàn)通信模塊，結合虛擬儀器技術(shù)，
系統上位機以LabVIEW為開(kāi)發(fā)工具設計了一種水產(chǎn)養殖環(huán)境因子無(wú)線(xiàn)監測系統。

1 系統總體設計
如圖1所示，監測系統由單片機監測終端和監測中心PC機組成。其中單片機監測終端由傳感器數據采集模塊、A／D轉換模塊、LCD顯示模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊等構成。單片機監測終端既可以獨立完成各種信息的采集、預處理及顯示任務(wù)，又能向監測中心PC機傳送所采集到的數據信息。監測中心PC機主要完成數據存儲、數據顯示、數據管理、數據查詢(xún)和歷史資料統計分析等功能。

本系統的具體工作過(guò)程如下：首先，各傳感器把采集到的非電量轉換成微弱的電壓信號，通過(guò)調理電路變換為4～20mA的標準電流信號，然后，通過(guò)電流／電壓轉換器，將電流信號轉換為電壓信號傳送給單片機，單片機對水質(zhì)數據進(jìn)行分析處理后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)送出去，監測中心PC機收到數據信息進(jìn)行統計分析、存儲、以曲線(xiàn)圖和表格形式實(shí)時(shí)顯示水質(zhì)數據，從而實(shí)現對水產(chǎn)養殖環(huán)境因子的自動(dòng)監測。

2 監測系統硬件設計
2．1 傳感器選擇
傳感器處于水產(chǎn)養殖環(huán)境因子在線(xiàn)監測系統的最前端，選擇時(shí)無(wú)論在精度、重復性，還是響應時(shí)間、穩定性等方面都應符合水產(chǎn)養殖環(huán)境監測儀器的有關(guān)技術(shù)要求，而且輸出信號應具有良好的線(xiàn)性性。
pH測試采用PHG-96FS型pH傳感器，該傳感器是專(zhuān)用于測試溶液pH的精密儀表，具備自動(dòng)溫度補償、三點(diǎn)校正等功能。其性能穩定，操作簡(jiǎn)便，測量范圍從0．00一14．00pH，精度±0．02 pH，輸出電流4～20 mA。
2．2 微處理器
本系統選用STC公司的STC12C5A60S2／AD／PWM系列單片機。它是宏品科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘／機器周期(1T)的單片機，是高速／低消耗／超強干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍。該單片機具有62K FLASH程序存儲器，1280字節片內RAM數據存儲器，片內集成8路10位精度高速A／D轉換器，轉換速度可達250 k／s、2路PWM。另外，內部還集成MAX810專(zhuān)用復位電路、看門(mén)狗電路等，可以用來(lái)提高程序運行的可靠性。微處理器主要完成管理傳感器、數據處理和數據傳送等功能。
2．3 無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統
無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統是水產(chǎn)養殖環(huán)境因子監測無(wú)線(xiàn)傳感器系統中重要的組成部分，本系統選用NORDIC公司生產(chǎn)的無(wú)線(xiàn)通信芯片NRF24L01。NRF 24L01工作于2．4～2．5 GHz ISM頻段，其工作電壓為1．9～3．6 V，特點(diǎn)是功耗低，內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurST技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。該芯片采用FSK調制方式，可以實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)或1對6的無(wú)線(xiàn)通信，通信速率可以達到2 Mbps。