无线传感器技术在鱼塘含氧量监控中的应用

摘要：目前，远程监控系统已被广泛应用于各个领域，为了提高水产养殖的自动远程监控和控制水平，设计了关于鱼塘含氧量控制的远程监控系统，重点分析了无线传感器技术在现代鱼塘含氧量控制中的应用。该系统采用Nordic公司生产的nRF905无线传输模块，它主要用于增氧节点和数据监控节点之间的通信。同时，它包含一个GSM模块用于实现与业主进行通信，业主可以通过GSM模块向系统发送包含控制命令的短信，以实现对系统的远程控制。

关键词：无线通信；nRF905；自动控制；含氧量

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：16727800（2013）007014503

0 引言

鱼是人类摄取动物蛋白的主要来源，然而随着经济的发展，人们对自然水资源保护的呼声渐浓，工厂化养殖是今后都市渔业发展的方向。自动化的养殖方式是减少劳动强度，实现工厂化养殖的必要措施。在众多的水体参数中，含氧量是影响渔业生产的一个重要指标。氧是水产品赖以生存的必备条件之一。鱼对水中的含氧量非常敏感，传统的养殖方式一般是根据经验观察鱼的浮头情况来判断水中是否缺氧。为了防止泛塘的发生，渔民需花费大量的时间、精力观察鱼塘情况。此种方式存在事后控制、增氧不及时或过度增氧、费时、费力等缺点，并且增加了人为因素在养殖中所占的比重，而这也恰是工厂化养殖要避免的。同时，不同的养殖种类及养殖种类的不同养殖时期对含氧量多少的要求也不相同。完全依靠单一的人工控制，可能会丧失最佳的含氧量控制时期和控制浓度，在一定程度上影响了水产品的生长，增加了养殖成本。

本文重点分析了无线传感器技术在现代鱼塘含氧量控制中的应用，包括基本硬件电路模块的设计和软件流程。

1 含氧量自动控制系统总体设计

在工厂化养殖中，不同的养殖车间对含氧量的要求不同。借助于传感器技术，对不同的养殖车间的含氧量分别进行采样，并按照不同养殖需求分别进行控制。本文设计的自动监控系统可实时监测水中的含氧量，自动反映给上位机控制台，管理员可以实时进行控制。若上位机没有及时加以处理，则把本请求转发给鱼塘业主，业主可以通过手机短信的方式进行远程控制。倘若业主也没有及时加以处理，系统则会通过预定设计好的程序进行自动化控制。本系统与以往的监控系统相比，增加了鱼塘含氧量与用户的双向交流，可以使用户灵活控制含氧量，降低了误判的可能。

本系统主要由两部分组成：鱼塘控制中心上位机运行的监控程序和下位机程序。下位机由多个增氧节点（数据采集、增氧机控制节点）和一个数据监控节点组成。本文设计的监控系统采用最广泛使用的星型拓扑，有一个与上位机PC相连的数据监控节点，监控节点和本系统中的任何一个增氧节点通过无线数据传输方式进行通信。增氧节点按照一定规则分布在工厂化养殖相应车间的适当位置，负责数据的采集、处理和传输，并且对监控节点发来的数据、命令进行分析和做出相应的处理，并完成相应的动作。数据监控节点负责和PC上位机、业主手机进行通信和向增氧节点发出相应的动作命令。系统的具体结构框架如图1所示。

本文介绍的含氧量监控系统能够较好地扩展组合，容易调整系统中的节点，满足不同养殖空间对增氧节点数量的不同要求。监控节点和增氧节点通过无线模块nRF905进行直接通信，每隔一段时间循环查看各个增氧节点是否发来报警信息帧，把此报警帧转发给上位机监控程序，并等待上位机程序对其进行处理。若在规定时间内未收到上位机程序的响应命令帧，说明上位机监控操作人员不在，则按照紧急情况处理，把此条报警帧转发给业主手机。如果GSM模块在规定的时间内也没有收到业主手机发来的命令短信，则按照监控节点下位机预先设置的处理模式、处理时间进行自动处理，并立即向增氧节点发出此条命令帧，如启动增氧机运行20min等。这在一定程度上减少了系统的测量偏差，提高了监控系统的可靠性。

2 系统关键硬件模块研究

2.1 弱信号调整电路

超微电极因其反应速度快和较高的信噪比，在电化学探测中应用较多。但超微电极上得到的感应量往往是微小的电信号，例如电流信号通常在pA～nA级的范围内，这些微小的电信号不能直接被应用和处理。同时，微弱的信号极易受到外界因素的干扰，甚至淹没在噪声中。在微弱信号测量中，可能因为某个环节的微小欠缺，而使得这个微弱的感应信号产生很大的畸变，甚至会影响测量结果，那么将导致控制系统一系列的动作都不是预期想要的。

各个位置的溶氧传感器将各处的溶氧量浓度转换为相应的微弱电流或电压信号，经精密放大器调整到标准的0～5V电压后，送到AD转换器转换为相应的数字电压值，再送给单片机进行处理，这里以微弱的电流信号处理为例。

基本的电流-电压转化器（I-V转化器）电路如图2所示。

2.2 无线数据传输模块nRF905

nRF905是Nordic公司推出的单片射频收发器，工作电压范围为1.9～3.6V，工作于工业、科学和医学3个ISM频段：433MHz/868MHz/915MHz。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需要外加滤波器，采用CRC校验，使用SPI接口与MCU进行通信。如果实际应用中的MCU没有硬件SPI接口，可以通过软件仿真一个SPI接口即可完成通信。nRF905共有4种工作模式，分别为掉电和SPI编程模式、待机和SPI编程模式、接收模式、发送模式。其工作模式有MCU控制其IC的3个引脚：TRX_CE、TX_EN和PWR_UP的逻辑电平决定。nRF905适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化等领域。nRF905传输速率为100Kb/s，在受到干扰的情况下，传输速率有所下降。nRF905在空旷地传输距离为500m，有墙体等障碍物时，其传输距离有所减小。nRF905采用CRC校验方式，具有良好的抗干扰能力，并且可以在433MHz/868MHz/915MHz 3个频段跳频，具有良好的可扩展性。基于Nordic公司的nRF905芯片传输距离、穿透能力、抗干扰能力和安全性等都适合于工厂化养殖的需要。本文选用nRF905作为无线传输模块的核心IC的另一个重要原因是，nRF905已经在许多嵌入式案例中得到应用，其在无线传输中的可靠性得到了充分验证。

3 系统软件设计

基于目前广泛使用的keil软件的C51编译器，即可得到跟汇编语言执行效率相当的目标代码。同时，C51语言编写代码的复杂度比汇编语言要简洁得多。因此，本系统的下位机程序采用C51编写而成，上位机监控程序可以用任何主流的语言即可实现，如VB、VC等。

3.1 增氧节点的软件设计

增氧节点主要是完成数据的采集、A/D转换、与监控节点之间的通信，并在监控节点的控制下完成相应动作。增氧节点的流程如图4所示。

3.2 数据监控节点的软件设计

数据监控节点主要是完成循环的监测是否有增氧节点发来的报警数据帧，若有，则负责将该报警消息转发给上位机监控程序处理；若没有，则等待一个适当的时间间隔后继续循环监测各个增氧节点。数据监控节点还要有与PC上位机监控程序进行通信，以及通过手机短信与业主进行通信等功能。系统的数据监控节点流程如图5所示。

4 结语

本文介绍了一种基于无线通信模块nRF905，并配合GSM短信控制相结合的无线鱼塘含氧量监控系统，设计了系统所需的硬件控制电路和软件系统。系统的设计充分利用了模块化设计的思想，具有较好的可移植性和可扩展性。

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