基于RS485的水環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱家驥，何堅(jiān)強(qiáng),許 杰

(1.鹽城工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051; 2.鹽城市計(jì)量測(cè)試所，江蘇 鹽城 224007)

基于RS485的水環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱家驥1，何堅(jiān)強(qiáng)1,許 杰2

(1.鹽城工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051; 2.鹽城市計(jì)量測(cè)試所，江蘇 鹽城 224007)

設(shè)計(jì)了一種基于RS485的水環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)pH值、溫度等參數(shù)的采集和處理，并通過(guò)串行通信總線RS485實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和上位PC機(jī)之間數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確地傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)多參數(shù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)適用于水環(huán)境、智能溫室等諸多領(lǐng)域。

水環(huán)境；RS485；單片機(jī)；pH；溫度

水資源保護(hù)的重要前提是水環(huán)境監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)方法諸如人工采樣監(jiān)測(cè)法、水生物監(jiān)測(cè)法以及無(wú)線遙感監(jiān)測(cè)法[1],存在著監(jiān)測(cè)成本高、周期長(zhǎng)、實(shí)時(shí)性差、監(jiān)測(cè)范圍小等不足，所獲得的水質(zhì)參數(shù)也不適合信息化管理的需要，不能在大面積范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

近年來(lái)，隨著自動(dòng)化技術(shù)、智能測(cè)控技術(shù)和通信技術(shù)的高速發(fā)展，ZigBee技術(shù)、GPRS技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已廣泛應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。借鑒已有的研究成果，本系統(tǒng)采用串行通信總線RS485，在通信網(wǎng)絡(luò)上掛載若干監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，將采集的水環(huán)境參數(shù)通過(guò)RS485傳遞給上位PC機(jī)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)了水環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有快速、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)易、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以一臺(tái)PC機(jī)作為上位機(jī)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)由單片機(jī)、傳感器及調(diào)理電路組成，采用RS485串口通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)Fig.1 The design of the system

1.1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖如圖2所示。其中，單片機(jī)選用了宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī)，該單片機(jī)具有8路輸入10位高速ADC，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)[2]。工作時(shí)，傳感器將采集到的水環(huán)境參數(shù)模擬信號(hào)送到單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算處理，得到實(shí)際參數(shù)值，經(jīng)RS485串口通信傳送到上位PC機(jī)，由上位機(jī)監(jiān)控軟件顯示相關(guān)參數(shù)[3]。

圖2 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖Fig.2 Diagram of system monitoring node

1.2 串行通信接口電路

串行通信接口電路如圖3所示，STC12C5A60S2單片機(jī)通過(guò)MAX485電平轉(zhuǎn)換芯片接入RS485通信口，經(jīng)HEXIN-III型轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后與PC機(jī)的串行通信接口RS232相連。DB9型RS232串行通信接口由1根地線、2根數(shù)據(jù)線、6根信號(hào)線組成，采用單端輸入，最大傳輸距離在15 m左右，傳輸速率較低(約為20 kB/s)，抑制共模干擾能力較弱，不適合遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間的通信。RS485是RS232的改進(jìn)，它將RS232的單端輸入改為雙端差分輸入，提高了抑制共模干擾的能力；同時(shí)，RS485的最大傳輸距離達(dá)1.2 km，數(shù)據(jù)傳輸速率也較高，適用于遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳輸[4]。另外，RS485的最大驅(qū)動(dòng)數(shù)目達(dá)32個(gè)，為以后擴(kuò)充監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)保留了余地。

由于RS485采用半雙工通信方式，為了保持收發(fā)雙方的數(shù)據(jù)同步，常采用軟件握手的通信方式；同時(shí)為保證通信的準(zhǔn)確性，必須對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。常用的檢錯(cuò)編碼有奇偶校驗(yàn)碼、循環(huán)冗余碼CRC。奇偶校驗(yàn)碼是一種簡(jiǎn)單的檢錯(cuò)碼，廣泛應(yīng)用于異步通信中，但奇偶校驗(yàn)碼只能檢測(cè)單比特出錯(cuò)的情況，對(duì)于兩個(gè)或兩個(gè)以上的比特出錯(cuò)無(wú)能為力；而CRC碼檢錯(cuò)能力強(qiáng)，能檢測(cè)出全部單個(gè)錯(cuò)誤和全部隨機(jī)的兩位錯(cuò)位，故本文采用CRC碼檢錯(cuò)。

圖3 RS232/RS485通訊轉(zhuǎn)換Fig.3 The communication conversion of RS232/RS485

1.3 看門狗電路設(shè)計(jì)

看門狗定時(shí)器(WDT,Watch Dog Timer)是單片機(jī)的一個(gè)重要組成部分，它實(shí)際上是一個(gè)計(jì)數(shù)器，通常設(shè)置其初始值為一個(gè)大數(shù)，一旦程序開(kāi)始運(yùn)行計(jì)數(shù)器就進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。如果程序運(yùn)行正常，每隔一段時(shí)間CPU就發(fā)出指令讓看門狗復(fù)位，將計(jì)數(shù)器重新設(shè)置為初始值。如果計(jì)數(shù)器溢出，表明程序沒(méi)有正常工作，必須強(qiáng)制整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位?？撮T狗通常采用軟件或者硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 看門狗電路Fig.4 WDT circuit

MAX813L是看門狗電路專用芯片。圖4中，芯片WDI引腳與單片機(jī)P1.4引腳相連接，單片機(jī)程序正常運(yùn)行時(shí)，每隔一段時(shí)間P1.4引腳輸出脈沖信號(hào)“喂狗”。如果程序異常無(wú)法按時(shí)“喂狗”，WDO端將輸出低電平，當(dāng)?shù)碗娖匠^(guò)140 ms時(shí)，經(jīng)4-2輸入與門74HC08， MAX813L將產(chǎn)生一個(gè)200 ms的復(fù)位脈沖，使單片機(jī)復(fù)位。也可以使用手動(dòng)復(fù)位使MAX813L產(chǎn)生復(fù)位脈沖。

2 系統(tǒng)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

2.1 pH測(cè)量電路

本系統(tǒng)采用電位法測(cè)量溶液的pH值。pH測(cè)量電路由pH計(jì)與調(diào)理電路組成，pH計(jì)采用上海雷磁公司生產(chǎn)的E-201-C型pH復(fù)合電極，如圖5所示；調(diào)理電路如圖6所示，主要對(duì)pH電極的輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理與溫度補(bǔ)償。

圖5 pH計(jì)Fig.5 pH Sensor

圖6 調(diào)理電路Fig.6 Conditioning circuit

由圖6可知，調(diào)理電路由pH信號(hào)前級(jí)處理電路與溫度補(bǔ)償電路組成。由于pH電極的內(nèi)阻最高可達(dá)1012Ω，根據(jù)電阻分壓原理，如果前級(jí)處理電路運(yùn)放輸入阻抗過(guò)小，信號(hào)電壓將主要集中在pH電極內(nèi)阻上，運(yùn)放的輸入信號(hào)將嚴(yán)重失真，只有運(yùn)放的輸入阻抗高于傳感器內(nèi)阻時(shí)，才能得到正確的電壓信號(hào)。因此，本設(shè)計(jì)選用TLC4502高性能高阻運(yùn)放，且為單電源供電，降低了電源部分的要求[5]。

在前級(jí)處理電路中，pH-和pH+分別接到pH電極的參比電極(pH電極負(fù)端)和信號(hào)電極(pH電極正端)，pH電極的輸出信號(hào)為信號(hào)電極與參比電極的相對(duì)電壓。隨著溶液酸堿性的不同，信號(hào)電極的輸出電壓有正負(fù)變化，當(dāng)檢測(cè)溶液為中性時(shí)，信號(hào)電極的輸出電壓為0 V。由于信號(hào)電極的輸出需經(jīng)運(yùn)放TLC4502放大，當(dāng)信號(hào)電極輸出為負(fù)電壓時(shí)，運(yùn)放TLC4502無(wú)法將其放大，因此為了解決負(fù)電壓的輸入與單電源供電矛盾，必須給參比電極賦予一個(gè)合適的正電壓值。圖6中前級(jí)處理電路由穩(wěn)壓管D1及運(yùn)放U1(TLC4502)作為電壓跟隨器為參比電極提供一個(gè)合適的正電壓值，可以保證信號(hào)電極輸出電壓恒為正值，再由運(yùn)放U2(TLC4502)對(duì)信號(hào)電極的輸出電壓進(jìn)行放大。

在溫度補(bǔ)償電路中，由于同一溶液的pH值在不同溫度下有所變化。為了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，電路中運(yùn)放U1(LM358)作為電壓跟隨器為后級(jí)電橋供電，后級(jí)電橋由電阻R12、R13、R14及R21組成，其中R21為熱敏電阻；運(yùn)放U2(LM358)作為電橋放大電路，將熱敏電阻R21隨溶液溫度變化而產(chǎn)生的阻值變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，經(jīng)運(yùn)放U3(LM358)的后級(jí)放大電路，放大到適合A/D轉(zhuǎn)換的范圍后送單片機(jī)處理。

2.2 溫度測(cè)量電路

系統(tǒng)選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為溫度采集單元測(cè)量水溫，其測(cè)溫范圍為-55～125 ℃，符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求[6]。DS18B20是一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出。相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)溫元件而言，該傳感器能夠根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程即可實(shí)現(xiàn)9～12位的測(cè)量精度，比較容易精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。DS18B20與STC12C5A60S2單片機(jī)的連接如圖7所示。

圖7 溫度傳感器接口示意圖Fig.7 Diagram of the temperature sensor interface

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖8所示。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)接收到上位機(jī)的啟動(dòng)信息后，分別讀取溶液的溫度和pH值，在單片機(jī)對(duì)pH值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換完成后，再對(duì)溫度和pH值處理，然后通過(guò)MAX485將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。

圖8 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)程序流程圖Fig.8 Software flow chart of monitoring node

3.2 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)監(jiān)控界面(HMI，Human Machine Interface)需要將接收到的水環(huán)境參數(shù)呈現(xiàn)給用戶，實(shí)現(xiàn)參數(shù)可視化，同時(shí)，還需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，如設(shè)置采樣時(shí)間、端口及波特率等。本系統(tǒng)采用VB語(yǔ)言編寫監(jiān)控界面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)可視化的人機(jī)界面。監(jiān)控界面如圖9所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)于2014年12月15日對(duì)鹽城工學(xué)院校園內(nèi)某條河流的水環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一天的水溫和pH值如表1所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、pH值等水環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程連續(xù)監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于RS485的水環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)應(yīng)用到水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)采集、傳輸和處理，基本實(shí)現(xiàn)了無(wú)人監(jiān)測(cè)，節(jié)約了人力資源，在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中具有一定的實(shí)用價(jià)值。

圖9 監(jiān)控界面Fig.9 The monitoring interface

表1 溫度、pH值日變化(2014-12-15)

Table 1 Daily variation of pH and temperature(2014-12-15)

環(huán)境因子時(shí)間02：004：006：008：0010：0012：0014：0016：0018：0020：0022：00溫度/℃10．710．810．710．710．811．212．511．010．810．710．710．7PH值7．37．37．47．37．37．47．37．47．47．37．37．4

[1] 吳烈國(guó).基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.

[2] 張?zhí)m紅，鄒華.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3] 史兵,趙德安,劉星橋,等.基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?；a(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(9):136-140.

[4] 劉星橋,趙德安,全力,等.水產(chǎn)養(yǎng)殖多環(huán)境因子控制系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2003,19(3):205-208.

[5] 宦娟,劉星橋,程立強(qiáng),等.基于ZigBee的水產(chǎn)養(yǎng)殖水環(huán)境無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2012,39(1):34-38.

[6] 何堅(jiān)強(qiáng).計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社,2012.

(責(zé)任編輯：李華云)

Design of a Remote Water Environment Monitoring System Based on RS485

ZHU Jiaji1, HE Jianqiang1, XU Jie2

(1.School of Electrical Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng Jiangsu 224051, China 2.Yancheng Institute of Measurement and Testing,Yancheng Jiangsu 224007,China)

A new type of remote water environment monitoring system based on RS485 was designed. This system achieved the goals of collecting and transmitting multi-parameters, such as pH value and temperature. By using serial bus RS485, transmissions of data between detecting node and PC is fast and accurate. The system also enforces the function of real-time remote monitoring. Because of its simple structure, fast data transmission, it is suitable for water environment monitoring and intelligent greenhouse.

water environment; RS485; single chip microcomputer; pH; temperature

10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201504007

2015-03-05

2014年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(2014028)

朱家驥(1987-)，男，江蘇常州人，助教，碩士，主要研究方向?yàn)橹悄軝z測(cè)與數(shù)字圖像處理。

S951

A

1671-5322(2015)04-0027-05