基于LabVIEW的水環境因子無線監測系統設計

摘要：為了解決傳統水產養殖環境因子有線監測系統的布線復雜、可靠性較低等問題，以LabVIEW為開發平臺，采用無線數據傳輸方式，設計了一種水產養殖環境因子無線監測系統。該系統實現了對水環境因子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，該系統運行穩定、能夠準確地采集和顯示水環境因子pH值，且具有操作簡便、交互性好、性價比高和易擴展等優點。
關鍵詞：水環境因子；LabVIEW；無線通信模塊；監測

水產養殖環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，在現代工廠化養殖中，對養殖水體的溫度、酸堿度(pH)、溶解氧、氨氮值、電導率等環境因子進行自動監測，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、環境監測和預報、大型車間和倉庫管理、機場和大型工業園區的安全監測等，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，
系統上位機以LabVIEW為開發工具設計了一種水產養殖環境因子無線監測系統。

1 系統總體設計
如圖1所示，監測系統由單片機監測終端和監測中心PC機組成。其中單片機監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，又能向監測中心PC機傳送所采集到的數據信息。監測中心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計分析等功能。

本系統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送出去，監測中心PC機收到數據信息進行統計分析、存儲、以曲線圖和表格形式實時顯示水質數據，從而實現對水產養殖環境因子的自動監測。

2 監測系統硬件設計
2．1 傳感器選擇
傳感器處于水產養殖環境因子在線監測系統的最前端，選擇時無論在精度、重復性，還是響應時間、穩定性等方面都應符合水產養殖環境監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8051，但速度快8～12倍。該單片機具有62K FLASH程序存儲器，1280字節片內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 無線收發系統
無線收發系統是水產養殖環境因子監測無線傳感器系統中重要的組成部分，本系統選用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。