基于射頻RF技術的魚塘溶解氧無線監控系統的探討

RF(Radio Frequency)專指具有一定波長可用于無線電通信的電磁波，電磁波可由其頻率表述為：KHz(千赫)，MHz(兆赫)及GHz(千兆赫)；其頻率范圍為VLF(極低頻)也即10-30KHz至EHF(極高頻)也即30-300GHz。RF(射頻)技術被廣泛應用于多種領域，如：電視、廣播、移動電話、雷達、自動識別系統等。

為了提高水產養殖技術的自動化水平，避免由于溶解氧含量過低而導致的魚類死亡，減輕漁民的勞動強度,降低水產養殖的成本，本文開發研制了魚塘溶解氧自動監控系統。該系統可實時監控魚塘中水的含氧量，控制增氧機工作狀態，能實現自動開機、關機，超限聲光報警和通過手機短信通知業主等功能使魚塘中水的含氧量的上下限保持在設定范圍內：整個系統利用RF射頻技術實現無線傳輸數據，有效地提高了魚類的安全性。

1 系統的硬件構成

系統的結構框圖和主從機方案如圖1和圖2所示。系統主要組成部分包括：溶解氧傳感器、信號調理單元、AVR單片機、無線射頻模塊(RF模塊)、GSM(global system for mobile communications)模塊以及液晶屏等。系統的硬件部分主要完成信號調理和信號采集。整個硬件電路以ATmega128 AVR單片機為控制核心。

通信方式采用主從結構，整個系統有一個主站，多個從站。主站與從站之間采用無線射頻方式進行通信，這樣，相對于每個魚塘都設置一個GSM模塊來說可以節省大量資金。而主站和業主之間采用GSM網進行通信，只要是GSM網覆蓋的范圍都能進行通信，這樣既擴大了通信范圍和空間，又保證了通信質量。

1．1 從站的硬件設計

本系統使用瑞士Hamilton公司的溶解氧電極檢測魚塘中水的含氧量，它廣泛應用于水、廢水、游泳池和魚塘，該電極有一個內置的22 kΩ的溫度補償電阻，極化和反應時間極短，可以精確地檢測到水中的含氧量。傳感器輸出的溶解氧和溫度送人德國PISCO變送器，變送器可以輸出4～20 mA的標準信號。把這個標準信號接入一定的電阻和電容后，轉化為0～5 V電壓信號，這樣就可以送入單片機進行A／D轉換了。

ATmega128 AVR單片機是由美國ATMEL公司研制開發的，具有增強型Flash的RISC精簡指令集高速8位單片機。AVR單片機廢除了機器周期，拋棄復雜指令計算機(CISC)追求指令完備的做法；采用精簡指令集，以字作為指令長度單位，將內容豐富的操作數與操作碼安排在一字之中(指令集中占大多數的單周期指令都是如此)，取指令周期短，又可預取指令，實現流水作業，故可高速執行。在從站中的AVR單片機接收標準的0～5 V信號，利用片內的12位A／D轉換器做A／D轉換，并把轉換的結果與設定值進行比較，啟停增氧機；通過射頻模塊把檢測到的信號傳給主站。

射頻傳輸使用STR-30。它具有微功率發射，最大發射功率10 mW；載頻頻率433～915 MHz；高抗干擾能力和低誤碼率；在視距情況下，天線高度>2 m，可靠傳輸距離可達300～4 000 m(BER=1 200 b／s)；透明的數據傳輸；多信道；雙串口，3種接口方式；智能數據控制，用戶無需編制多余的程序等特點。RF射頻模塊與單片機連接，進入單片機的采集的數據通過RF射頻模塊就可以實現主、從機多點雙向數據傳輸了。從站的主體電路圖如圖3所示。

1．2 主站的硬件設計

主站的STR－30射頻模塊循環接受從站發送來的數據，把各個從站的溶解氧循環顯示在主站的前面板上。前面板由4×4的按鍵和液晶屏組成。當魚塘中的溶解氧超出沒定值時，為了及時地反映系統的狀況，本系統使用ME40+的GSM模塊。ME40+是一款TTL／CMOS電平的嵌入式Modem，可直接與用戶的單片機連接，作為一個無線通訊應用單元，此產品是在核心模塊的基礎上，增加了供電、SIM／UIM卡、物理電平轉換、語音電路、接口等電路；并且外形緊湊、尺寸小，方便集成到各種應用。在GSM模塊的插槽內插入手機SIM卡，在前面板上設定用戶的手機號，用單片機來控制GSM模塊，那么GSM模塊就可以像手機一樣進行收發短信息。這樣，在溶解氧超過限值，發出報警信號后主站就可以通過GSM模塊向業主發出短信息，以便通知業主。最后，主站把從站傳遞來的溶解氧信號通過RS232以數據幀的方式發送給PC，PC實時采集數據進行監控。電平轉換部分由MAX232芯片完成。

1．3 增氧機的控制技術

本系統通過對水體溶解氧含量的實時檢測，將當前溶氧量與設定參數進行比較，再經過AVR單片機的處理，通過單片機發出控制信號經驅動器后控制光電耦合器的工作狀態。當光電耦合器工作后，使得繼電器的常開觸電閉合，進而控制增氧機工作。使用光電耦合器有效地降低了外部干擾對系統的影響，增強了系統的穩定性。這樣就可以實時控制增氧機的工作，使增氧機有目的、有效率地運行，減少了噪聲污染，降低了能源消耗。

2 系統的軟件設計

系統軟件的單片機程序采用C語言編寫而成，包括鍵盤、顯示、數據采集與數據處理等模塊化程序。鍵盤處理程序主要根據不同的季節完成溶解氧上下限的設定，按鍵動作的識別采用軟件去抖動的方法。整個系統結構分明緊湊，程序運行可靠。

2．1 從站的軟件設計

從站主要完成數據的采集，A／D轉換啟停增氧機和向主站發送采集到的數據等工作，系統的從站流程圖如圖4所示。

2．2 主站的軟件設計

主站主要完成循環顯示各個從站的溶解氧含量、向業主發送手機短信以及和PC通信等，系統的主站流程圖如圖5所示。

3 系統運行與調試結果

系統實物圖如圖6所示。

本文使用RF射頻技術，并配以GSM的無線檢測與控制技術，設計了數據采集的硬件控制電路和軟件系統。測試結果證明，系統可以實時地24小時監控魚塘水溫、溶解氧和其他影響魚類生長的環境因素；業主可以實時地了解系統的狀況而不受地域范圍的影響；減輕了漁民的勞動強度，產生巨大的經濟和社會效益。