基于射頻RF技術(shù)的魚(yú)塘溶解氧無(wú)線(xiàn)監控系統的探討

RF(Radio Frequency)專(zhuān)指具有一定波長(cháng)可用于無(wú)線(xiàn)電通信的電磁波，電磁波可由其頻率表述為：KHz(千赫)，MHz(兆赫)及GHz(千兆赫)；其頻率范圍為VLF(極低頻)也即10-30KHz至EHF(極高頻)也即30-300GHz。RF(射頻)技術(shù)被廣泛應用于多種領(lǐng)域，如：電視、廣播、移動(dòng)電話(huà)、雷達、自動(dòng)識別系統等。

為了提高水產(chǎn)養殖技術(shù)的自動(dòng)化水平，避免由于溶解氧含量過(guò)低而導致的魚(yú)類(lèi)死亡，減輕漁民的勞動(dòng)強度,降低水產(chǎn)養殖的成本，本文開(kāi)發(fā)研制了魚(yú)塘溶解氧自動(dòng)監控系統。該系統可實(shí)時(shí)監控魚(yú)塘中水的含氧量，控制增氧機工作狀態(tài)，能實(shí)現自動(dòng)開(kāi)機、關(guān)機，超限聲光報警和通過(guò)手機短信通知業(yè)主等功能使魚(yú)塘中水的含氧量的上下限保持在設定范圍內：整個(gè)系統利用RF射頻技術(shù)實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳輸數據，有效地提高了魚(yú)類(lèi)的安全性。

1 系統的硬件構成

系統的結構框圖和主從機方案如圖1和圖2所示。系統主要組成部分包括：溶解氧傳感器、信號調理單元、AVR單片機、無(wú)線(xiàn)射頻模塊(RF模塊)、GSM(global system for mobile communications)模塊以及液晶屏等。系統的硬件部分主要完成信號調理和信號采集。整個(gè)硬件電路以ATmega128 AVR單片機為控制核心。

通信方式采用主從結構，整個(gè)系統有一個(gè)主站，多個(gè)從站。主站與從站之間采用無(wú)線(xiàn)射頻方式進(jìn)行通信，這樣，相對于每個(gè)魚(yú)塘都設置一個(gè)GSM模塊來(lái)說(shuō)可以節省大量資金。而主站和業(yè)主之間采用GSM網(wǎng)進(jìn)行通信，只要是GSM網(wǎng)覆蓋的范圍都能進(jìn)行通信，這樣既擴大了通信范圍和空間，又保證了通信質(zhì)量。

1．1 從站的硬件設計

本系統使用瑞士Hamilton公司的溶解氧電極檢測魚(yú)塘中水的含氧量，它廣泛應用于水、廢水、游泳池和魚(yú)塘，該電極有一個(gè)內置的22 kΩ的溫度補償電阻，極化和反應時(shí)間極短，可以精確地檢測到水中的含氧量。傳感器輸出的溶解氧和溫度送人德國PISCO變送器，變送器可以輸出4～20 mA的標準信號。把這個(gè)標準信號接入一定的電阻和電容后，轉化為0～5 V電壓信號，這樣就可以送入單片機進(jìn)行A／D轉換了。

ATmega128 AVR單片機是由美國ATMEL公司研制開(kāi)發(fā)的，具有增強型Flash的RISC精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機。AVR單片機廢除了機器周期，拋棄復雜指令計算機(CISC)追求指令完備的做法；采用精簡(jiǎn)指令集，以字作為指令長(cháng)度單位，將內容豐富的操作數與操作碼安排在一字之中(指令集中占大多數的單周期指令都是如此)，取指令周期短，又可預取指令，實(shí)現流水作業(yè)，故可高速執行。在從站中的AVR單片機接收標準的0～5 V信號，利用片內的12位A／D轉換器做A／D轉換，并把轉換的結果與設定值進(jìn)行比較，啟停增氧機；通過(guò)射頻模塊把檢測到的信號傳給主站。

射頻傳輸使用STR-30。它具有微功率發(fā)射，最大發(fā)射功率10 mW；載頻頻率433～915 MHz；高抗干擾能力和低誤碼率；在視距情況下，天線(xiàn)高度>2 m，可靠傳輸距離可達300～4 000 m(BER=1 200 b／s)；透明的數據傳輸；多信道；雙串口，3種接口方式；智能數據控制，用戶(hù)無(wú)需編制多余的程序等特點(diǎn)。RF射頻模塊與單片機連接，進(jìn)入單片機的采集的數據通過(guò)RF射頻模塊就可以實(shí)現主、從機多點(diǎn)雙向數據傳輸了。從站的主體電路圖如圖3所示。

1．2 主站的硬件設計

主站的STR－30射頻模塊循環(huán)接受從站發(fā)送來(lái)的數據，把各個(gè)從站的溶解氧循環(huán)顯示在主站的前面板上。前面板由4×4的按鍵和液晶屏組成。當魚(yú)塘中的溶解氧超出沒(méi)定值時(shí)，為了及時(shí)地反映系統的狀況，本系統使用ME40+的GSM模塊。ME40+是一款TTL／CMOS電平的嵌入式Modem，可直接與用戶(hù)的單片機連接，作為一個(gè)無(wú)線(xiàn)通訊應用單元，此產(chǎn)品是在核心模塊的基礎上，增加了供電、SIM／UIM卡、物理電平轉換、語(yǔ)音電路、接口等電路；并且外形緊湊、尺寸小，方便集成到各種應用。在GSM模塊的插槽內插入手機SIM卡，在前面板上設定用戶(hù)的手機號，用單片機來(lái)控制GSM模塊，那么GSM模塊就可以像手機一樣進(jìn)行收發(fā)短信息。這樣，在溶解氧超過(guò)限值，發(fā)出報警信號后主站就可以通過(guò)GSM模塊向業(yè)主發(fā)出短信息，以便通知業(yè)主。最后，主站把從站傳遞來(lái)的溶解氧信號通過(guò)RS232以數據幀的方式發(fā)送給PC，PC實(shí)時(shí)采集數據進(jìn)行監控。電平轉換部分由MAX232芯片完成。

1．3 增氧機的控制技術(shù)

本系統通過(guò)對水體溶解氧含量的實(shí)時(shí)檢測，將當前溶氧量與設定參數進(jìn)行比較，再經(jīng)過(guò)AVR單片機的處理，通過(guò)單片機發(fā)出控制信號經(jīng)驅動(dòng)器后控制光電耦合器的工作狀態(tài)。當光電耦合器工作后，使得繼電器的常開(kāi)觸電閉合，進(jìn)而控制增氧機工作。使用光電耦合器有效地降低了外部干擾對系統的影響，增強了系統的穩定性。這樣就可以實(shí)時(shí)控制增氧機的工作，使增氧機有目的、有效率地運行，減少了噪聲污染，降低了能源消耗。

2 系統的軟件設計

系統軟件的單片機程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)而成，包括鍵盤(pán)、顯示、數據采集與數據處理等模塊化程序。鍵盤(pán)處理程序主要根據不同的季節完成溶解氧上下限的設定，按鍵動(dòng)作的識別采用軟件去抖動(dòng)的方法。整個(gè)系統結構分明緊湊，程序運行可靠。

2．1 從站的軟件設計

從站主要完成數據的采集，A／D轉換啟停增氧機和向主站發(fā)送采集到的數據等工作，系統的從站流程圖如圖4所示。

2．2 主站的軟件設計

主站主要完成循環(huán)顯示各個(gè)從站的溶解氧含量、向業(yè)主發(fā)送手機短信以及和PC通信等，系統的主站流程圖如圖5所示。

3 系統運行與調試結果

系統實(shí)物圖如圖6所示。

本文使用RF射頻技術(shù)，并配以GSM的無(wú)線(xiàn)檢測與控制技術(shù)，設計了數據采集的硬件控制電路和軟件系統。測試結果證明，系統可以實(shí)時(shí)地24小時(shí)監控魚(yú)塘水溫、溶解氧和其他影響?hù)~(yú)類(lèi)生長(cháng)的環(huán)境因素；業(yè)主可以實(shí)時(shí)地了解系統的狀況而不受地域范圍的影響；減輕了漁民的勞動(dòng)強度，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和社會(huì )效益。