基于LabVIEW的水環(huán)境因子無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了解決傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子有線監(jiān)測系統(tǒng)的布線復(fù)雜、可靠性較低等問題，以LabVIEW為開發(fā)平臺，采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，設(shè)計(jì)了一種水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子無線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對水環(huán)境因子pH值的實(shí)時采集、顯示和存儲，以及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、能夠準(zhǔn)確地采集和顯示水環(huán)境因子pH值，且具有操作簡便、交互性好、性價比高和易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：水環(huán)境因子；LabVIEW；無線通信模塊；監(jiān)測

水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子的狀況直接影響水產(chǎn)品的產(chǎn)量、品質(zhì)及安全生產(chǎn)。因此，在現(xiàn)代工廠化養(yǎng)殖中，對養(yǎng)殖水體的溫度、酸堿度(pH)、溶解氧、氨氮值、電導(dǎo)率等環(huán)境因子進(jìn)行自動監(jiān)測，正受到越來越多的關(guān)注。
根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，通常數(shù)據(jù)信息傳送可分為有線數(shù)據(jù)傳輸和無線數(shù)據(jù)傳輸。有線數(shù)據(jù)傳輸存在布線麻煩、維護(hù)成本高、數(shù)據(jù)精度差、可靠性較低等缺點(diǎn)。而無線數(shù)據(jù)傳輸由于其靈活性和便利性，已廣泛應(yīng)用到社會各個領(lǐng)域，如國防軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報(bào)、大型車間和倉庫管理、機(jī)場和大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等，并且顯著地提高了工作效率。為此，筆者應(yīng)用NRF24L01無線通信模塊，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，
系統(tǒng)上位機(jī)以LabVIEW為開發(fā)工具設(shè)計(jì)了一種水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子無線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
如圖1所示，監(jiān)測系統(tǒng)由單片機(jī)監(jiān)測終端和監(jiān)測中心PC機(jī)組成。其中單片機(jī)監(jiān)測終端由傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、LCD顯示模塊、無線通信模塊等構(gòu)成。單片機(jī)監(jiān)測終端既可以獨(dú)立完成各種信息的采集、預(yù)處理及顯示任務(wù)，又能向監(jiān)測中心PC機(jī)傳送所采集到的數(shù)據(jù)信息。監(jiān)測中心PC機(jī)主要完成數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)查詢和歷史資料統(tǒng)計(jì)分析等功能。

本系統(tǒng)的具體工作過程如下：首先，各傳感器把采集到的非電量轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號，通過調(diào)理電路變換為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，然后，通過電流／電壓轉(zhuǎn)換器，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號傳送給單片機(jī)，單片機(jī)對水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，通過無線通信模塊發(fā)送出去，監(jiān)測中心PC機(jī)收到數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、存儲、以曲線圖和表格形式實(shí)時顯示水質(zhì)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子的自動監(jiān)測。

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 傳感器選擇
傳感器處于水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子在線監(jiān)測系統(tǒng)的最前端，選擇時無論在精度、重復(fù)性，還是響應(yīng)時間、穩(wěn)定性等方面都應(yīng)符合水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測儀器的有關(guān)技術(shù)要求，而且輸出信號應(yīng)具有良好的線性性。
pH測試采用PHG-96FS型pH傳感器，該傳感器是專用于測試溶液pH的精密儀表，具備自動溫度補(bǔ)償、三點(diǎn)校正等功能。其性能穩(wěn)定，操作簡便，測量范圍從0．00一14．00pH，精度±0．02 pH，輸出電流4～20 mA。
2．2 微處理器
本系統(tǒng)選用STC公司的STC12C5A60S2／AD／PWM系列單片機(jī)。它是宏品科技生產(chǎn)的單時鐘／機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速／低消耗／超強(qiáng)干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。該單片機(jī)具有62K FLASH程序存儲器，1280字節(jié)片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲器，片內(nèi)集成8路10位精度高速A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250 k／s、2路PWM。另外，內(nèi)部還集成MAX810專用復(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。微處理器主要完成管理傳感器、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳送等功能。
2．3 無線收發(fā)系統(tǒng)
無線收發(fā)系統(tǒng)是水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子監(jiān)測無線傳感器系統(tǒng)中重要的組成部分，本系統(tǒng)選用NORDIC公司生產(chǎn)的無線通信芯片NRF24L01。NRF 24L01工作于2．4～2．5 GHz ISM頻段，其工作電壓為1．9～3．6 V，特點(diǎn)是功耗低，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型ShockBurST技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。該芯片采用FSK調(diào)制方式，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)或1對6的無線通信，通信速率可以達(dá)到2 Mbps。