無線傳感器網絡在智能型自動增氧控制系統(tǒng)中的應用

王建喜，朱培逸，李 鑫

（常熟理工學院 電氣與自動化工程學院，江蘇 常熟 215500）

傳統(tǒng)漁業(yè)的特點是周期長、勞動強度大、生產效率低，因此減輕漁業(yè)勞動強度、提高生產效率是漁民多年來的夢想也是新時期對漁業(yè)快速發(fā)展的必然要求，自動化是減輕勞動強度、提高生產效率、實現(xiàn)傳統(tǒng)漁業(yè)向現(xiàn)代漁業(yè)轉變的關鍵措施之一[1-3].在眾多的水體參數(shù)中，溶氧量濃度（DO）是養(yǎng)殖水體的一項重要參數(shù)，也是可以對其進行自動控制的水體參數(shù)之一.水體溶氧是魚、蝦、蟹類賴以生存和微生物進行硝化過程所必須的物質[4].因此本文以溶氧量濃度這一水體參數(shù)為例，根據(jù)無線傳感器實時監(jiān)測水體中溶氧量的濃度變化，自動控制增氧機的開關，從而達到既維持水體溶氧量的濃度，又能節(jié)約用電，延長增氧機使用壽命，降低養(yǎng)殖成本的效果，完全符合國家對工業(yè)提出的節(jié)能降耗的要求.

1 系統(tǒng)的總體設計

不同的養(yǎng)殖種類有不同的溶解氧需求，要根據(jù)養(yǎng)殖的具體情況確定.冷水性魚類生長快、攝食量大、代謝旺盛、溶解氧消耗比較多.本研究利用鱒魚類作為設計的標準，主要原因在于鱒魚喜棲于高溶解氧水域.一般情況下，鱒魚溶解氧安全臨界值為3.15mg.L-1，長期在低氧環(huán)境下飼育的魚，其安全臨界值降為2.45mg.L-1，溶解氧低于5mg.L-1時，鱒魚呼吸頻率加快，低于4mg.L-1時游動遲緩，當魚群集在入水口呈現(xiàn)浮頭狀時，水中溶解氧大約已降到了3毫克/升以下，這時魚的生命已經受到了威脅.安靜環(huán)境下，魚耗氧量會降低.溫度、光照、震動等對魚體的刺激因素，都會使耗氧量增加而降低溶解氧環(huán)境的安全性[5].因此工廠化水產養(yǎng)殖鱒魚要求水體溶解氧一般應高于5mg.L-1或是水體飽和溶解氧的60%以上[6]，如果使用增氧機不斷向水體中充入空氣來滿足溶解氧的要求，對增氧機控制要求低，比較容易實現(xiàn)；如果使用某個功率的增氧機連續(xù)滿載運轉時，水體的溶解氧遠高于要求，此時就可以對增氧機進行相應的控制，在保證水體溶解氧要求的基礎上能減少電能消耗，節(jié)約成本.本文采用的整個硬件系統(tǒng)主要由兩部分組成，上位機監(jiān)控中心包括一臺安裝有監(jiān)控軟件的PC機，此電腦包含無線數(shù)據(jù)收發(fā)器模塊，并能通過多種方式連接到Internet網，以備用戶遠程訪問和控制.下位機由多個增氧節(jié)點組成，每個增氧節(jié)點相對獨立，可單獨進行訪問和數(shù)據(jù)上傳.節(jié)點與監(jiān)控中心端采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，各傳感器可以直接連接在節(jié)點上，大大減少無線傳輸模塊的數(shù)量，降低整個系統(tǒng)成本.系統(tǒng)的整體框架如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設計

每個增氧節(jié)點擬采用單片機為主控制器，結合最新的外圍器件，可實現(xiàn)同時監(jiān)測多路溶解氧的變化，并可同時顯示在液晶顯示器上，也可通過RS-232串口與遠程計算機通信，完成數(shù)據(jù)傳輸、遠程控制、遠程校正等功能，還可以通過控制接口連接開關繼電器，進而實現(xiàn)增氧機、循環(huán)泵等設備的啟停，完成自動控制功能.單個節(jié)點硬件框圖如圖2所示.

系統(tǒng)主控制芯片選用ATMEL公司的AT89S52，主要組成部分有：電化學溶氧量傳感器、信號調理部分、單片機、模/數(shù)轉換模塊、液晶顯示器以及標準的RS-232通信接口，可方便與其他設備的連接.如利用此標準接口，連接無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，則可組成無線傳感器網絡的一個節(jié)點，便于在無法布線的區(qū)域進行監(jiān)控.

首先，各個位置的溶氧量傳感器將各處的溶氧量濃度轉換為相應的微弱電流或電壓信號，經精密放大器調理成標準的0～5V電壓后，送到模/數(shù)轉換器轉換成相應的數(shù)字電壓值，再送入單片機中進行處理.單片機依據(jù)不同位置的傳感器數(shù)據(jù)進行多傳感器數(shù)據(jù)融合運算，判斷這片水體的溶氧量是否低于設定閾值，同時根據(jù)程序設定，啟停增氧機.這些數(shù)據(jù)也可以通過RS-232接口直接傳送給計算機或其他數(shù)據(jù)傳輸模塊.

2.1 信號調理電路

微弱信號極易受到環(huán)境因素的干擾，甚至被淹沒在背景噪聲中.電化學傳感器的輸出電流一般都比較小，而傳感器本身的阻抗又比較大，因此選用合適的高阻抗放大電路成了電路測量部分成功的關鍵.圖3給出的電流-電壓變換器（也稱零阻電流計），作為電流檢測單元，被普遍用于高阻抗傳感器測量中，優(yōu)點是電流檢測靈敏度高.

在微電流測量電路中，電路的響應時間通常受限于由電阻和電路中輸入寄生電容構成的時間常數(shù).當該時間常數(shù)不小于電化學反應所對應的時間常數(shù)時，測量結果往往會發(fā)生畸變而變得不可靠，用寄生電容消除電路可以使這種影響減到最小.圖3中Cf為寄生電容，R1和C1為外加的RC網絡，通過調整電阻R1和電容C1的大小，可使RfCf=R1C1，就可消除寄生電容的影響.

圖2 單個節(jié)點硬件框

圖3 電流-電壓變換器

2.2 A/D轉換電路

A/D轉換芯片可選用美國TI公司的TLC2543.片內含有一個14通道多路器，可從11個外部模擬輸入或三個內部自測電壓中選擇一路進行轉換輸出，片內設有采樣保持電路，主處理器只需發(fā)出讀某一通道命令即可，A/D轉換電路如圖4所示.

圖4中AIN0-AIN10為模擬信號輸入端，/CS為片選端，DATA INPUT為串行數(shù)據(jù)輸入端，DATA OUTPUT為A/D轉換結果的三態(tài)串行輸出端，EOC為轉換結束端，I/O CLOCK為I/O時鐘，REF+為正基準電壓端，REF-為負基準電壓端，VCC為電源引腳，GND接地.

2.3 開關繼電器控制電路

在各種自動控制設備中，都存在一個低壓的自動控制電路與高壓電氣電路的互相連接問題，一方面要使低壓的電子電路的控制信號能夠控制高壓電氣電路的執(zhí)行元件，另一方面又要為電子線路的電氣電路提供良好的電隔離，以保護電子電路和人身的安全，電磁式開關繼電器就能很好地實現(xiàn)這些要求.本文選用HK4100F電磁繼電器控制一個小型的增氧機設備.

2.4 串口電平轉換電路

ELA RS-232C是目前最常用的串行接口標準，用于計算機與計算機之間，計算機與外設之間的數(shù)據(jù)通信.但RS-232C規(guī)定的邏輯電平與單片機的邏輯電平是不一致的.因此在應用中，必須把微處理器的信號電平(TTL電平)轉換為RS-232C電平，或者對二者進行逆轉換.在這里選用專用電平轉換芯片MAX232來實現(xiàn).

2.5 無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

由于無線網絡的通信質量與無線收發(fā)模塊的性能息息相關，因此該模塊的硬件部分的設計十分重要.考慮到通信距離和障礙繞行能力，系統(tǒng)采用頻率為433MHz的射頻信號進行無線通信.權衡功耗、靈敏度、數(shù)據(jù)傳輸速率和封裝尺寸等，選用nRF905作為節(jié)點的無線收發(fā)模塊，nRF905單片無線收發(fā)器由一個完全集成的頻率調制器，一個帶解調器的接收器，一個功率放大器，一個晶體震蕩器和一個調節(jié)器組成.可以自動處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗)，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便.此外，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射時電流只有11mA，工作于接收模式時的電流為12.5mA，內建空閑模式與關機模式，易于實現(xiàn)節(jié)能.

3 軟件設計

整個系統(tǒng)的軟件包括主程序、自檢程序、通信程序、數(shù)據(jù)采集程序、報警控制程序、數(shù)據(jù)處理程序、比較判斷子程序及無線數(shù)據(jù)收發(fā)程序等若干個子程序.軟件采用匯編語言編寫，并采用模塊化設計，使程序結構清晰，便于今后進一步擴展系統(tǒng)的功能.軟件結構如圖5.

主程序初始化以后置位AT89S52的中斷EA，使CPU開放中斷，并啟動TLC2543對IN1-INn通道的模擬輸入量進行A/D轉換.在電路設計中，TLC2543與AT89S52是采用中斷方式連接的，所以系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理功能是在中斷服務程序中完成的.當AT89S52響應中斷請求后，調用中斷服務程序，中斷服務程序進行壓棧，保護現(xiàn)場，讀取來自TLC2543數(shù)據(jù)輸出口的8位數(shù)字量，并將數(shù)字量儲存到單片機RAM中，然后啟動TLC2543的下一次轉換.在檢測過程中，將A/D轉換器采集到的電信號經數(shù)據(jù)處理后存入內部RAM以70H為首址的數(shù)據(jù)存儲器中，然后將此數(shù)據(jù)Ux分別和基準電壓U0、U1進行比較.而后再通過判據(jù)算法，以確定是否控制增氧機的工作及報警.

圖5 軟件結構

4 結論

本文介紹了基于無線傳感器網絡的水產增氧機的實時控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的不足，安裝和拆卸方便靈活，功能擴展性強.可以實現(xiàn)監(jiān)控的網絡化、可視化，并且能及時全面地了解水的酸堿度、水位、水流速度等，從而對水質進行更有效的監(jiān)控，也可定時控制其他漁業(yè)機械.系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，具有重要的實用價值.

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