基于单片机和短消息的淡水养殖溶氧浓度监控系统

2011-04-10李珍

制造业自动化 2011年15期

李珍

LI Zhen

（天津职业大学机电学院，天津 300402）

0 引言

在淡水养殖中，饲料的投放、疾病防治、水温、水中溶解氧浓度的检测与控制对提高养殖产量与质量都非常重要。由于水中的溶解氧浓度受水温的影响,加氧不及时而造成养殖损失的现象时有发生[1]。因此，溶解氧浓度的数据采集和处理成为提高养殖密度和产量的关键。但由于监测范围广，采样点分散，难于实现有线网络的远程监控。本文根据实际情况开发了基于单片机和全球移动通信系统GSM（Global System for Mobile Communication）的无线遥控淡水养殖溶氧浓度监控系统。利用单片机进行智能监测与控制，利用GSM网络的良好覆盖功能和稳定可靠的数据通道，实时检测多个单片机自动检测点确保溶氧浓度监控参数准确及时的进行传送。

1 系统整体设计

首先，溶解氧浓度传感器将水中溶解的氧气浓度值转换成电流信号，经过转换放大成电压信号后，送至C8051F020单片机处理。单片机还将同时采集环境温度和大气压力，对当时溶氧值的温度和压力进行补偿[2]，获得准确的溶氧值。当水中溶氧值不满足设定要求时，单片机以短消息的形式通知管理者并同时开启气泵,向水中输入氧气，直到溶氧值满足要求为止。管理者还可现场设定溶氧值的大小，单片机可把溶氧值、温度和压力等参数通过GSM短消息模块T35发送到控制中心PC机。控制中心也可将管理人员的控制命令、参数设定等按照短消息格式传送到下位机的GSM短消息模块T35，C8051F020单片机获得相应的控制命令和设定参数后，进行相应的程序处理。控制系统原理如图1所示。

2 水中溶解氧浓度检测及补偿

水中溶解氧的浓度测量使用原电池型氧传感器。该传感器使用覆膜酸性胶体电解质原电池式氧传感器实现水中溶氧(DO) 浓度的测量。传感器的两个金属电极密封在充有电解质的容器内，用选择渗透性薄膜将小室封闭住，只有水中的氧气可渗透该薄膜。因原电池作用或在电极上外加电压使电极间产生电位差，该电位差使电池中产生电化学反应，形成电流。传感器输出电流大小与水中的溶解氧浓度成正比，因此可通过测量传感器的输出电流来测量水中的溶氧浓度。覆膜式氧传感器的输出电流与水中溶氧浓度关系[3]：

图1 溶氧监控系统原理图

式中：n 为反应电子数；F 为法拉第常数；A 为阴极表面积；D为氧扩散系数；L 为透气膜外表至阴极表面的距离；c 为溶氧浓度。

当电池的材料和结构确定时，在一定温度下,(1) 式可简化为：

即电流与溶氧浓度成正比，为线性元件。式中，c为溶氧浓度；k为传感器系数。

由于渗透膜的渗透性明显地随水温变化,所以必须进行温度补偿。测温电路采用半导体集成温度传感器LM35，温度传感器输出信号经后级放大与变换,转换为电压信号后送入单片机,单片机根据温度值变化对溶氧值进行补偿。

3 硬件电路设计

3.1 C8051F020单片机

溶解氧浓度监控系统信号处理使用C8051F020单片机。Cygnal C8051F020单片机与8051指令完全兼容，它在片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所要的几乎所有模拟和数字外设和其他功能部件，它们包括：12 位多通道ADC、可编程增益放大器、12 位DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/I2C 、2个全双工UART、多级中断源、可编程计数器/ 定时阵列(PCA) 、内部振荡器、看门狗定时器以及电源监视器等，256字节+4KB 内部RAM、128字节特殊功能寄存器、64KB FlashROM，执行速度可达25MIPS[4]。单片机多路12位A/D转换器可以直接与监控系统传感器模拟信号相连，它自带的存储容量64KB的FlashROM和4KB RAM，完全能够满足本系统的需要，不必再扩展外部存储器。

3.2 TC35模块及其接口电路

TC35模块是德国西门子公司推出的40个引脚无线通信GSM调制解调器。TC35模块的引脚可以划分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM卡、语音接口和控制[5]。

SIM卡包含了所有的用户数据（用户识别信息，辅助业务信息、短信息、移动信息和无线电资源信息等）只有插入SIM卡，移动终端才能接入网络。TC35使用外接式SIM卡，ZIF连接器上有6个引脚作为SIM卡的接口。

TC35模块提供的是RS232 数据口,因此单片机对TC35 模块的控制和通信信号要进行电平转换。单片机与TC35及电平转换接口电路如图2所示。

图2 单片机与TC35及电平转换接口电路

3.3 按键及显示器

通过单片机P 1口连接了“测量”“设定”“校正”“清洗”等功能键和数字键，使溶氧浓度监控系统能测量和设定溶氧值外，还具有大气压力校准和定时清洗溶氧传感器探头功能。由于氧的溶解度和大气压力有关，管理者需通过键盘输入当地的大气压力，由软件完成大气压力的校准。系统通过控制气泵开关，用气流吹掉溶氧传感器探头上的附着物,实现探头的定时自动清洗[6]，管理者可以对冲洗间隔和冲洗时间进行设定。

通过单片机P3口连接液晶显示器，用来显示测量值和设定值。

4 软件设计

系统软件主要包括单片机程序和PC机程序。

4.1 单片机控制程序

单片机需完成与PC机定时通讯、按键功能处理、定时采集与数据传输、数据显示与现场处理、短信提醒、接收和处理控制中心的命令等功能，单片机软件设计流程图如图3所示。

当按键处于测量档时，单片机间隔一定的时间，采集水中溶解氧浓度、温度和大气压力，补偿后获得准确的溶氧值，并与设定水中溶氧值比较，不满足要求时以短消息通知相关管理者和控制中心PC机，同时打开气泵，向水中输入氧气，直到溶氧值满足要求或接到控制命令为止。单片机还将定时与中心PC机通信，传送温度、压力、溶氧值等消息。

图3 单片机软件设计流程图

4.2 短消息处理

当水中溶解氧浓度与设定值不符时，单片机以短消息通知相关管理者和控制中心PC机。单片机通过向TC35写入不同的AT指令完成多种功能，如网络登录、读取SIM卡号码、接收和发送SMS消息等。初始化包括设置串口波特率、短消息的控制、采用PDU模式等。常用的AT指令包括[7]：

AT +CSCA 设置消息中心地址

AT +CMGS 发送短消息

AT +CMGR 读取短消息

AT +CMGD 删除短消息

AT +CMGL 短消息列表

AT +CNMI 显示新收到的短消息

发送传输数据是以十六进制形式表示，传送时将其转换成ASCII码。

4.3 控制中心

控制中心随时获得从站的溶氧值、温度等参数，VB 编写的管理程序完成显示、报警及分析处理等。也可将管理者的控制命令包括从站的选择、采集时间间隔、探头清洗时间、补偿参数设定等信息参数按照短消息格式传送到下位机的GSM短消息模块T35，C8051F020单片机获得相应的控制命令和设定参数，进行相应的处理程序，还可进行储存数据、打印报表等操作。