基于LabVIEW的水環(huán)境因子無線監(jiān)測系統(tǒng)設計

摘要：為了解決傳統(tǒng)水產養(yǎng)殖環(huán)境因子有線監(jiān)測系統(tǒng)的布線復雜、可靠性較低等問題，以LabVIEW為開發(fā)平臺，采用無線數據傳輸方式，設計了一種水產養(yǎng)殖環(huán)境因子無線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現了對水環(huán)境因子pH值的實時采集、顯示和存儲，以及歷史數據查詢等功能。試驗結果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、能夠準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、性價比高和易擴展等優(yōu)點。
關鍵詞：水環(huán)境因子；LabVIEW；無線通信模塊；監(jiān)測

水產養(yǎng)殖環(huán)境因子的狀況直接影響水產品的產量、品質及安全生產。因此，在現代工廠化養(yǎng)殖中，對養(yǎng)殖水體的溫度、酸堿度(pH)、溶解氧、氨氮值、電導率等環(huán)境因子進行自動監(jiān)測，正受到越來越多的關注。
根據傳輸介質的不同，通常數據信息傳送可分為有線數據傳輸和無線數據傳輸。有線數據傳輸存在布線麻煩、維護成本高、數據精度差、可靠性較低等缺點。而無線數據傳輸由于其靈活性和便利性，已廣泛應用到社會各個領域，如國防軍事、環(huán)境監(jiān)測和預報、大型車間和倉庫管理、機場和大型工業(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，筆者應用NRF24L01無線通信模塊，結合虛擬儀器技術，
系統(tǒng)上位機以LabVIEW為開發(fā)工具設計了一種水產養(yǎng)殖環(huán)境因子無線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計
如圖1所示，監(jiān)測系統(tǒng)由單片機監(jiān)測終端和監(jiān)測中心PC機組成。其中單片機監(jiān)測終端由傳感器數據采集模塊、A／D轉換模塊、LCD顯示模塊、無線通信模塊等構成。單片機監(jiān)測終端既可以獨立完成各種信息的采集、預處理及顯示任務，又能向監(jiān)測中心PC機傳送所采集到的數據信息。監(jiān)測中心PC機主要完成數據存儲、數據顯示、數據管理、數據查詢和歷史資料統(tǒng)計分析等功能。

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換成微弱的電壓信號，通過調理電路變換為4～20mA的標準電流信號，然后，通過電流／電壓轉換器，將電流信號轉換為電壓信號傳送給單片機，單片機對水質數據進行分析處理后，通過無線通信模塊發(fā)送出去，監(jiān)測中心PC機收到數據信息進行統(tǒng)計分析、存儲、以曲線圖和表格形式實時顯示水質數據，從而實現對水產養(yǎng)殖環(huán)境因子的自動監(jiān)測。

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計
2．1 傳感器選擇
傳感器處于水產養(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、重復性，還是響應時間、穩(wěn)定性等方面都應符合水產養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測儀器的有關技術要求，而且輸出信號應具有良好的線性性。
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，具備自動溫度補償、三點校正等功能。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。它是宏品科技生產的單時鐘／機器周期(1T)的單片機，是高速／低消耗／超強干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。該單片機具有62K FLASH程序存儲器，1280字節(jié)片內RAM數據存儲器，片內集成8路10位精度高速A／D轉換器，轉換速度可達250 k／s、2路PWM。另外，內部還集成MAX810專用復位電路、看門狗電路等，可以用來提高程序運行的可靠性。微處理器主要完成管理傳感器、數據處理和數據傳送等功能。
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，特點是功耗低，內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurST技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。該芯片采用FSK調制方式，可以實現點對點或1對6的無線通信，通信速率可以達到2 Mbps。