基于WiFi物聯(lián)網(wǎng)水產(chǎn)環(huán)境智能監(jiān)控儀表的設(shè)計(jì)

陳歆　馮平　宋濤

摘 要： 順應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”智能水處理發(fā)展的需求，研制了一款基于WiFi物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)環(huán)境智能監(jiān)控儀表。該儀表可實(shí)現(xiàn)對(duì)pH值、水溫、濁度和溶氧量等水質(zhì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)在線監(jiān)測(cè)。基于STM32作為核心控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)pH值、水溫、濁度和溶氧量等多參數(shù)的采集、處理和顯示。結(jié)果表明，該智能監(jiān)控儀表具有數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： WiFi； 物聯(lián)網(wǎng)； 智能水產(chǎn)； 智能儀表

中圖分類號(hào)： TN711?34； TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）22?0119?03

Abstract： To meet the development demand of "Internet+" intelligent water processing， an intelligent aquaculture environment monitoring instrument based on WiFi Internet of Things （IoT） technology was developed. The instrument can realize the accurate online monitoring of water quality parameters such as pH value， temperature， turbidity and dissolved oxygen. The STM32 was selected as the core controller to realize acquisition， processing， and display of the preceding parameters. The results show that the intelligent monitoring instrument runs reliably and stably， and has a good application prospect.

Keywords： WiFi； Internet of Things； intelligent aquaculture； intelligent instrument

0 引 言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線監(jiān)控也越來越多的應(yīng)用于養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控中，可利用ZigBee，GPRS等無線方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，通常采用PC作為監(jiān)控終端[1?4]，由于其成本高、監(jiān)控不靈活，不宜在養(yǎng)殖戶中推廣。目前國(guó)內(nèi)很多系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)的各關(guān)鍵指標(biāo)（溫度、溶解氧含量、pH和濁度）進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、遠(yuǎn)程顯示和自動(dòng)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)智能化遠(yuǎn)程養(yǎng)魚[5]。ZigBee技術(shù)具有低功耗、自組織等優(yōu)點(diǎn)，適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，但通信技術(shù)本身也存在瓶頸，如：組網(wǎng)復(fù)雜、傳輸速率慢、系統(tǒng)擴(kuò)展性差，所以在一些數(shù)據(jù)傳輸率有一定要求的場(chǎng)合并不適合。GPRS通用分組通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、技術(shù)成熟，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的遠(yuǎn)程通信。但是隨著通信數(shù)據(jù)量的增加，項(xiàng)目工程后續(xù)投入很大而且通信速率也會(huì)受到很大的制約。

本文研制的一款基于WiFi無線技術(shù)的智能儀表成為順應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”智能水處理的發(fā)展需求。人們可以通過各類智能儀表實(shí)現(xiàn)對(duì)pH值、溶氧量、水溫等參數(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的在線監(jiān)測(cè)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）具有感知、計(jì)算、無線通信能力和控制功能，廣泛應(yīng)用于國(guó)防、軍事、環(huán)境監(jiān)控和設(shè)施農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。WiFi（Wireless Fidelity）是一種目前得到廣泛應(yīng)用的短距離無線通信協(xié)議[6]。

1 總體設(shè)計(jì)方案

此方案具有無需布線、自動(dòng)組網(wǎng)、成本低廉和維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)水處理過程中各種水質(zhì)參數(shù)的測(cè)量，非常適合養(yǎng)殖環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)構(gòu)建如圖1所示。

智能水質(zhì)儀表主要用于水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)顯示、實(shí)時(shí)發(fā)送、狀態(tài)報(bào)警、電極清洗、溫度補(bǔ)償計(jì)算等功能，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，其主要包含主控模塊、供電模塊、傳感器及其信號(hào)調(diào)理模塊等。根據(jù)水質(zhì)儀表的實(shí)際功能不同，智能儀表的硬件構(gòu)成也略有差異。工作原理主要是：首先傳感器調(diào)理模塊對(duì)被測(cè)量進(jìn)行采樣，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大、濾波、A/D變換、計(jì)算等處理；然后進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，通過WiFi模塊將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)發(fā)送給上級(jí)主控模塊，同時(shí)用戶還可以對(duì)智能儀表時(shí)間日期、系統(tǒng)報(bào)警值、回差值設(shè)置、通信速率等一些必要的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。從而實(shí)現(xiàn)上層主控模塊與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)的查詢。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

儀表的主控芯片采用意法半導(dǎo)體ARM系列芯片STM32F105RBT6，該控制器最大特色就是片內(nèi)集成了很多豐富的片內(nèi)資源如時(shí)鐘、復(fù)位和電源管理、多個(gè)DMA控制器、最多達(dá)11個(gè)定時(shí)器和13個(gè)通信接口等，并支持SWD和JTAG接口調(diào)試。芯片由3.3 V電壓供電，通過內(nèi)部PLL設(shè)置其最高工作頻率可以達(dá)到72 MHz，并且片內(nèi)集成12位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。最多可以支持測(cè)量16個(gè)外部信號(hào)源，各通道A/D轉(zhuǎn)換均可以單次或者掃描模式執(zhí)行，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果存儲(chǔ)在16位數(shù)據(jù)寄存器中。芯片外圍電路設(shè)置包括晶振模塊、顯示電路、WiFi通信電路和存儲(chǔ)電路等，用于滿足智能儀表的實(shí)際使用功能。

WiFi模塊采用嵌入式組件HF?A11，該嵌入式WiFi模組提供一種把UART/以太網(wǎng)/GPIO等接口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到WiFi接口的解決方案。通過HF?A11模組，STM32F105RBT6可以通過串口通信方式很方便地接入WiFi無線網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)控制與管理。HF?A11嵌入式模組內(nèi)部集成了WLAN MAC、基帶處理、射頻前端等硬件，軟件提供完整的IEEE 802.11 b/g/n WLAN協(xié)議、TCP/IP協(xié)議、配置管理等協(xié)議。在系統(tǒng)編程時(shí)無需了解WiFi相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議，便可很快地實(shí)現(xiàn)水質(zhì)智能儀表的無線解決方案，其硬件電路如圖3所示。endprint

為了防止pH傳感器極化，pH值檢測(cè)電路必須具有很高的輸入阻抗，以減少電流流過pH值傳感器所產(chǎn)生的壓降，在運(yùn)放的正負(fù)輸入端加上電壓跟隨其以提高輸入阻抗。由于電極采樣輸出電壓為±500 mV，為此在輸出時(shí)增加參考電壓Vref?？紤]到輸入阻抗的平衡，其中R13=R14，R12=R15，R19=R20；考慮到在實(shí)際應(yīng)用過程中pH值信號(hào)比較容易受干擾，在放大電路的后端增加了濾波電路，如圖4所示。

經(jīng)過后期測(cè)試曲線表明，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)成良好的線性關(guān)系，滿足智能儀表的設(shè)計(jì)要求。

實(shí)際電路中采用傳感器自帶的PT100溫度傳感器，當(dāng)溫度為0 ℃時(shí)它的阻值為100 Ω，在100 ℃時(shí)它的阻值約為138.5 Ω，利用PT100的這一特性來實(shí)現(xiàn)溫度與輸出值之間的轉(zhuǎn)化。

溶氧儀實(shí)用的膜電極有兩種類型：極譜型（Polarography）和原電池型（Galvanic Cell）。極譜型傳感器陰陽兩極間加0.735 V左右的極化電壓后，滲透過薄膜的氧在陰極上還原，由于電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)，電子的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了正比于樣品中氧分壓的電流。有氧時(shí)，溶解氧濃度以電流的形式被送入調(diào)理電路。極譜型相比原電池型傳感器使用壽命更長(zhǎng)、精度更高，更加符合用戶的利益。在實(shí)驗(yàn)中選取的是極譜型的膜電極。電路主要由兩級(jí)放大器和濾波器兩個(gè)部分構(gòu)成，實(shí)際電路中選擇前置放大器采用高阻抗的CA3140EZ放大器進(jìn)行信號(hào)采集以防止信號(hào)衰減，并進(jìn)行電流的第一級(jí)放大，第二級(jí)采用OP07進(jìn)行濾波放大。受溫度的影響，溶解氧電極輸出的電流也是逐漸增大的，因此在實(shí)際使用中還需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文在程序設(shè)計(jì)時(shí)采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，將控制器所要完成的功能分由模塊編寫和調(diào)試，分開單獨(dú)調(diào)試后，將各個(gè)模塊聯(lián)調(diào)。整個(gè)軟件主要由2個(gè)部分組成：系統(tǒng)主程序、任務(wù)子程序。系統(tǒng)主程序負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度，任務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)子功能。主程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化，按流程選擇執(zhí)行各子模塊程序，完成系統(tǒng)控制任務(wù)。系統(tǒng)的軟件部分主要分為兩部分，分別是嵌入式μC/OS?Ⅱ 操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序軟件，如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文通過監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析水質(zhì)中pH、溶解氧和溫度等參數(shù)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列舉在表1中，智能儀表實(shí)物如圖6所示。

通過與標(biāo)準(zhǔn)儀器比較，測(cè)量值均能夠滿足實(shí)際需求，試驗(yàn)過程中WiFi傳輸距離在20 m以上，通過增加WiFi外置天線效果更好。

5 結(jié) 語

本文提出基于WiFi物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)，設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)環(huán)境的智能儀表。該儀表能夠?qū)λ械亩喾N環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過無線的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到上層的主控模塊。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該智能儀表可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能，并取得了良好的效果。該智能儀表能夠助力實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的科學(xué)養(yǎng)殖與管理，從而優(yōu)化養(yǎng)殖工藝，提高水產(chǎn)品的成活率，增加養(yǎng)殖效益，為水產(chǎn)品養(yǎng)殖科學(xué)的持續(xù)發(fā)展提供有力的支持。

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