基于LabVIEW的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

王詩(shī)源，袁 琦

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海南 海口 570228)

水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子對(duì)水生動(dòng)植物有決定性作用，直接影響其產(chǎn)量與品質(zhì)。養(yǎng)殖水體的溫度、酸堿度(pH)、鹽度、氨氮值、溶氧(DO)、電導(dǎo)率等環(huán)境因子對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖魚類的生長(zhǎng)起主導(dǎo)作用[1-3]。目前國(guó)內(nèi)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)及監(jiān)測(cè)手段與國(guó)外先進(jìn)水平相對(duì)落后，自動(dòng)化水平較低，智能化水平也不高[4]。水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控端軟件多為編程語(yǔ)言，操作復(fù)雜且不易控制，不能實(shí)現(xiàn)電腦(PC)端信息瞬時(shí)互傳等聯(lián)機(jī)功能。研究適合中國(guó)國(guó)情現(xiàn)狀的無(wú)線水產(chǎn)養(yǎng)殖參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)操作系統(tǒng)具有重要的實(shí)際意義[5]。

本文應(yīng)用信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)的nRF905為無(wú)線通信模塊，以MSP430微控制器為系統(tǒng)下位機(jī)，系統(tǒng)上位機(jī)以 LabVIEW 設(shè)計(jì)監(jiān)控軟件，構(gòu)建一種無(wú)線水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作界面簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)上位機(jī)之間數(shù)據(jù)共享，聯(lián)機(jī)交互功能。本系統(tǒng)的主要檢測(cè)數(shù)據(jù)為pH和電導(dǎo)率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(圖1)包括下位機(jī)(單片機(jī)監(jiān)測(cè)終端)和上位機(jī)PC機(jī)(監(jiān)測(cè)中心)。下位機(jī)由兩種傳感器數(shù)據(jù)采集模塊(pH和電導(dǎo)率)、A/D轉(zhuǎn)換模塊、MSP430單片機(jī)、無(wú)線通信模塊nRF905等構(gòu)成。單個(gè)采集節(jié)點(diǎn)定時(shí)采集水質(zhì)的pH與電導(dǎo)率，并將采集到的數(shù)據(jù)通過無(wú)線通信模塊nRF905發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)通過無(wú)線傳輸至監(jiān)測(cè)中心的上位機(jī)進(jìn)行處理分析。系統(tǒng)工作過程：第一步，兩種傳感器采集信號(hào)數(shù)據(jù)，其中pH傳感器采集到的信號(hào)比較微弱，需要通過調(diào)理電路處理后變換為輸出電壓為0～3.3V之間的正常信號(hào)，電導(dǎo)率傳感器可以直接連接使用，輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，無(wú)需調(diào)理。第二步，將采集到的信號(hào)傳送給MSP430，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行初步分析、處理后，通過nRF905發(fā)送出去[6-8]。第三步，監(jiān)測(cè)中心收到數(shù)據(jù)信息后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差處理，處理后將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)代入顯示圖標(biāo)中，以曲線圖的形式實(shí)時(shí)顯示水質(zhì)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選擇

pH傳感器采用E-201-C型pH復(fù)合電極，該電極是玻璃電極和參比電極組合在一起的塑殼可充式復(fù)合電極，響應(yīng)時(shí)間<2 min，是pH測(cè)量元件[9]。該電極測(cè)量范圍為0～14，測(cè)量溫度必須保證在0℃～60℃。電導(dǎo)率傳感器型號(hào)為ZA-CDT-A101-485，工作電壓(5±0.2) VDC。該傳感器工作溫度范圍幅度廣(-10℃～105℃)，可在多種環(huán)境條件下工作。其量程范圍為0.1～10 000 μS/cm，可用于多種水質(zhì)的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)采集。

2.2 微處理器

本系統(tǒng)微處理器選用MSP430系列微控制器。該單片機(jī)具有62 K的FLASH程序存儲(chǔ)器，64 K字節(jié)尋址空間，包含ROM、RAM、閃存 RAM 和外圍模塊，A/D 轉(zhuǎn)換器(10位或更高精度)有8個(gè)輸入端，可作為恒流源工作[10-11]。其振蕩器是專門為通用的時(shí)鐘低功耗32 768 Hz 晶振設(shè)計(jì)的。除了晶體外接外，所有的模擬元件都集成在片內(nèi)。另外，內(nèi)部還具有復(fù)位電路、看門狗電路等，可以用來提高程序運(yùn)行的可靠性[12]。

2.3 無(wú)線收發(fā)模塊

無(wú)線收發(fā)模塊nRF905是無(wú)線傳感器系統(tǒng)中的重要組成部分。該模塊有433 MHz開放ISM頻段免許可證[13]，低功耗，高效調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合做本系統(tǒng)的收發(fā)模塊[14]。

2.4 nRF905與單片機(jī)的接口點(diǎn)電路

單片機(jī)MSP430與nRF905的接口連接如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 單片機(jī)與無(wú)線收發(fā)模塊連接電路

電導(dǎo)率傳感器與單片機(jī)的P3.0和P3.1連接，采集到的電導(dǎo)率信號(hào)數(shù)據(jù)這兩個(gè)引腳進(jìn)行交互輸入輸出。pH傳感器采集的信號(hào)需要經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行處理，然后連接P3.2引腳進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換完成后，再通過串口發(fā)送給nRF905，隨后nRF905 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行下一步的處理、顯示與儲(chǔ)存為防止 nRF905在無(wú)效的通信狀態(tài)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不工作，對(duì)其做一些信號(hào)通斷處理。如圖，先將單片機(jī)的 P3.4與 P3.5引腳和發(fā)光二極管連接，再與nRF905相連接，這樣nRF905的通信狀態(tài)就可以通過發(fā)光二極管的閃爍情況來判斷，能在第一時(shí)間確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)軟件包括下位機(jī)單片機(jī)嵌入式程序和監(jiān)測(cè)中心PC機(jī)系統(tǒng)程序。下位機(jī)程序選用C語(yǔ)言編寫，監(jiān)測(cè)中心PC機(jī)系統(tǒng)程序使用LabVIEW進(jìn)行開發(fā)[15-17]。

3.1 下位機(jī)主程序

下位機(jī)流程如圖3所示。

圖3 下位機(jī)流程圖

下位機(jī)主程序利用C語(yǔ)言開發(fā)工具，通過嵌入式系統(tǒng)MDK開發(fā)環(huán)境對(duì)MSP430微處理器程序進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)[18]。下位機(jī)核心程序包括各參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的處理與轉(zhuǎn)換、串口通信、數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸?shù)萚19]。3種數(shù)據(jù)采集傳感器在通電后先要進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化前打開定時(shí)器等待定時(shí)器溢出中斷。數(shù)據(jù)采集：由已知中斷函數(shù)利用A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換采集pH傳感器輸出數(shù)，由DS18B20單總線協(xié)議采集溫度傳感器數(shù)據(jù)，由 Modbus RTU 協(xié)議獲取ZA-CDT-A101采集電導(dǎo)率輸出數(shù)據(jù)。將以上采集數(shù)據(jù)按照既定通信協(xié)議存入發(fā)送緩沖區(qū)，然后發(fā)送給nRF905，再發(fā)送給上位機(jī)。

上位機(jī)未接到數(shù)據(jù)前處于待機(jī)狀態(tài)，在開機(jī)時(shí)首先打開定時(shí)器，設(shè)置采集時(shí)間間隔[20-22]。由nRF905接收數(shù)據(jù)信號(hào)后傳給單片機(jī)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后傳送至PC機(jī)。PC機(jī)對(duì)溫度、pH和電導(dǎo)率等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示與儲(chǔ)存。定時(shí)器溢出中斷時(shí)采集停止。上位機(jī)流程圖如圖4所示。

圖4 上位機(jī)流程圖

3.2 監(jiān)測(cè)中心軟件

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)中心軟件采用LabVIEW進(jìn)行開發(fā)。PC機(jī)控制軟件主要由實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)顯示、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、超限報(bào)警等模塊組成[23]。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：下位機(jī)傳送來的2種數(shù)據(jù)信息分離處理，然后各自和波形圖表連接，用動(dòng)態(tài)曲線的方法表達(dá)出來。超限報(bào)警：對(duì)每種數(shù)據(jù)都配備對(duì)應(yīng)的報(bào)警器，如果采集到的數(shù)據(jù)信息高于或低于所設(shè)置的限制區(qū)間時(shí)，指示燈就會(huì)閃亮。數(shù)據(jù)儲(chǔ)存：把對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)以圖標(biāo)的方式表示以后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，方便以后隨時(shí)調(diào)取。該部分程序設(shè)置有數(shù)據(jù)采集的當(dāng)前日期和時(shí)間，通過這個(gè)程序框圖界面就可以實(shí)時(shí)了解2種水質(zhì)參數(shù)的變化。

3.3 遠(yuǎn)程通信

LabVIEW是以特殊方式進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的過程[24]。其中常見的實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間跨越地域的方法有3大類，它們可以很便捷地在極遠(yuǎn)地域和兩臺(tái)甚至多臺(tái)計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)交互。方法如下：(1)利用TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)PC間的數(shù)據(jù)共享。常見的通信協(xié)議包括TCP/IP協(xié)議、串行通信協(xié)議、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等[25]。(2)使用DataSocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。虛擬儀器提供強(qiáng)大的個(gè)人PC間數(shù)據(jù)共享的功能，其中基于TCP協(xié)議的通信方式是最基本的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。本文所設(shè)計(jì)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的遠(yuǎn)程通信就是基于TCP協(xié)議[26-27]的通信方式。TCP使用比特流(作為非結(jié)構(gòu)化字節(jié)流的數(shù)據(jù))在通信段中傳輸數(shù)據(jù)，并且當(dāng)數(shù)據(jù)交換時(shí)，主機(jī)必須創(chuàng)建通信。雙機(jī)通信流程圖如圖5所示。

圖5 雙機(jī)通信流程圖

雙機(jī)通信過程中，需在不同的主機(jī)上分別創(chuàng)建一個(gè)TCP服務(wù)器和一個(gè)TCP客戶端，使用TCP函數(shù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信[28]。具體如下：創(chuàng)建服務(wù)器VI，指定服務(wù)器端口，使用“TCP創(chuàng)建偵聽器”節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建偵聽器，“TCP等待偵聽器”節(jié)點(diǎn)等待客戶端連接，在循環(huán)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生2個(gè)正弦周期波形，第一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送長(zhǎng)度的波形數(shù)據(jù)，第二個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送波形數(shù)據(jù)。循環(huán)結(jié)構(gòu)外，用“TCP Close Connection”節(jié)點(diǎn)結(jié)束連接[29]。創(chuàng)建客戶端VI。指定服務(wù)器地址和網(wǎng)絡(luò)端口，用“TCP打開連接”節(jié)點(diǎn)打開TCP連接。第一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收波形長(zhǎng)度并作為第二個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入，第二個(gè)節(jié)點(diǎn)接收波形數(shù)據(jù)[30]。循環(huán)結(jié)構(gòu)外，用“TCP Close Connection”節(jié)點(diǎn)結(jié)束連接。數(shù)據(jù)的聯(lián)機(jī)交互工程設(shè)計(jì)完成，并可自主控制進(jìn)行關(guān)閉連接。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量與分析

在海南大學(xué)東坡湖進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試， 表1為2017年9月25日該湖泊的pH和電導(dǎo)率的部分測(cè)量數(shù)據(jù)。每天測(cè)量時(shí)間為8 h，數(shù)據(jù)間隔為2 h，共選取5次數(shù)據(jù)。同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)水源進(jìn)行pH和電導(dǎo)率測(cè)量，與實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。其中，選取的pH標(biāo)準(zhǔn)儀器為pH-580，電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)儀器為BCNSCAN10。由表1可以看出，系統(tǒng)的測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)儀器的數(shù)值變化趨勢(shì)基本相同，測(cè)量數(shù)據(jù)與標(biāo)定數(shù)據(jù)誤差在2%以內(nèi)。系統(tǒng)在測(cè)量過程中丟包率在0.1%以內(nèi)。說明系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，并可以精確可靠地檢測(cè)pH和電導(dǎo)率，且實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能在上位機(jī)主程序以波形圖的形式顯示。

表1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)儀器監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

利用LabVIEW設(shè)計(jì)了一套水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。無(wú)線通信模塊nRF905拉長(zhǎng)了信息傳輸距離，延長(zhǎng)了傳感器與監(jiān)測(cè)中心距離。上位機(jī)以LabVIEW設(shè)計(jì)監(jiān)控軟件，其設(shè)計(jì)界面簡(jiǎn)單、功能齊全，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù) pH和電導(dǎo)率的實(shí)時(shí)采集、圖像顯示等，通過數(shù)據(jù)管理模塊可以方便地查詢和輸出歷史數(shù)據(jù)。并對(duì)功能進(jìn)行了拓展，在極遠(yuǎn)地域和2臺(tái)甚至多臺(tái)計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)交互，使系統(tǒng)可以多上位機(jī)控制。研究表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，且系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、易擴(kuò)展，有利于促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的科學(xué)化、規(guī)模化、智能化。隨著移動(dòng)終端的進(jìn)步，下一步希望開發(fā)出以移動(dòng)終端為控制中心的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

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