一種基于GPRS的溶解氧遠程采集控制系統(tǒng)

胡樹冉，封文杰，穆元杰，李喬宇

（山東省農(nóng)業(yè)科學院科技信息研究所，山東 濟南 250100）

0 引 言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展提高了諸多工業(yè)應用的效率。但在農(nóng)業(yè)方面，物聯(lián)網(wǎng)的應該相對較少，基于此，有必要對物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)池塘養(yǎng)殖中的應用進行探究。

本研究團隊自主研發(fā)了基于GPRS的溶解氧遠程采集控制系統(tǒng)，可精準實時地實現(xiàn)農(nóng)業(yè)池塘水中溶解氧的采集、顯示、分析等功能。

1 總體架構

控制系統(tǒng)的工作過程：單片機作為主控制CPU，首先通過485電路采集溶解氧傳感器的數(shù)據(jù)，溶解氧數(shù)據(jù)由單片機處理后，經(jīng)過協(xié)議打包上傳給GPRS電路。GPRS模塊將數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸至平臺，由平臺進一步提取數(shù)據(jù)，并傳輸給手持設備。手持設備可以讀取和設置參數(shù)。如果采集的溶解氧含量超過一定的預警值，那么平臺檢測到后可以通過GPRS模塊向單片機發(fā)送指令，單片機接收后，控制繼電器模塊動作，從而控制增氧機的啟停，使池塘里溶解氧的含量維持到一定的范圍[1-2]。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 溶解氧采集控制系統(tǒng)結構

2 硬件設計

2.1 主控CPU模塊

主控CPU模塊選用高性能、易開發(fā)的STM32F103單片機。STM32F系列屬于中低端32位ARM微控制器，該系列芯片由意法半導體（ST）公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3，運行穩(wěn)定，便于開發(fā)[3]。主控模塊電路如圖2所示。

圖2 主控模塊電路

2.2 RS 485數(shù)據(jù)采集模塊設計

RS 485總線以良好的抗干擾能力、穩(wěn)定的傳輸速率、傳輸距離遠等優(yōu)勢得到了廣泛的應用，多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)中各傳感器通過RS 485總線與主控CPU模塊相連，通過MODBUS協(xié)議獲得采集數(shù)據(jù)。STM32F103單片機串口轉RS 485電路如圖3所示，可實現(xiàn)RS 485通信功能[4]。

2.3 GPRS通信模塊設計

GPRS通信模塊采用TTL轉GPRS透傳芯片進行設計。GPRS通信模塊電路如圖4所示。

圖4 GPRS通信模塊電路

2.4 電源模塊設計

系統(tǒng)內(nèi)部使用3.3 V供電電壓，該電壓為芯片常用電壓。GPRS模塊的供電電壓為3.8 V，因為數(shù)據(jù)發(fā)射時的功率較大，所以需要采用大功率電源芯片供電。電源是系統(tǒng)的核心，芯片需采用輸出紋波較小的電源進行供電[5]。電源模塊電路如圖5所示。

圖5 電源模塊電路

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件包括主控、串口通信，數(shù)據(jù)采集讀取、設備控制等程序塊。每個程序塊都各自實現(xiàn)自己的程序功能，模塊化編程更有利于發(fā)揮程序的可讀性、可移植性等優(yōu)勢[6]。

系統(tǒng)通電后，程序初始化相應參數(shù)，包括中斷函數(shù)初始化、串口初始化、優(yōu)先級初始化、標志初始化、GPIO口初始化等。初始化完畢后進入主函數(shù)，循環(huán)運行。以輪詢方式采集溶解氧傳感器的數(shù)據(jù)，采集完畢后，將采集的數(shù)據(jù)進行處理，按照平臺協(xié)議打包，之后通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到平臺服務器進行處理。如果接收到平臺的控制指令，則進入控制指令程序處理函數(shù)并解析，根據(jù)解析結果，通過RS 485總線向設備發(fā)送控制指令，操作對應的控制設備[7]。系統(tǒng)軟件設計流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件設計流程

4 實驗情況

為確保基于GPRS溶解氧遠程采集控制系統(tǒng)（如圖7所示）的工作穩(wěn)定性，將設備安裝至魚塘后進行測試。通過微信小程序可以實時查看魚塘里的溶解氧含量，并可通過小程序發(fā)送控制指令實現(xiàn)增氧機的啟停，完成采集控制的閉環(huán)操作流程，穩(wěn)定控制魚塘中溶解氧的含量[8]。

圖7 GPRS溶解氧遠程采集控制產(chǎn)品

設備部署完成后，通電系統(tǒng)運行，在微信小程序中查看采集數(shù)據(jù)（如圖8所示），溶解氧傳感器數(shù)據(jù)等可正常采集與上傳。為測試采集系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，待其長時間工作后在平臺中查看其采集數(shù)據(jù)的連續(xù)性，并查看有無異常數(shù)據(jù)，也可查看監(jiān)測系統(tǒng)運行一段時間采集數(shù)據(jù)的走勢[9]。

圖8 平臺數(shù)據(jù)分析

試驗表明，本文設計的基于GPRS的遠程采集控制系統(tǒng)可實時采集魚塘中溶解氧的含量、魚塘水溫等參數(shù)并上傳至微信小程序平臺，系統(tǒng)銜接順暢，顯示直觀，設備長時間運行性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準確，有效展示了當前魚塘中溶解氧的含量[10]。

5 結 語

為精準檢測水中溶解氧的含量，利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器對水中溶解氧的含量進行實時檢測調(diào)控對魚塘養(yǎng)殖而言意義重大。同時，我們團隊自主開發(fā)的微信小程序對接穩(wěn)定，效果顯著，能有效監(jiān)測水中溶解氧的含量。