基于MSP430的GPRS水產養殖監控系統

賈海天，蓋之華，賈 春，施連敏　(.蘇州經貿職業技術學院，江蘇蘇州 5009；.黃河水利職業技術學院，河南開封 475004)

?

基于MSP430的GPRS水產養殖監控系統

賈海天1，蓋之華1，賈 春2，施連敏1(1.蘇州經貿職業技術學院，江蘇蘇州 215009；2.黃河水利職業技術學院，河南開封 475004)

根據FAO(聯合國糧食及農業組織)最新發表的《2006年世界漁業和水產養殖狀況》的報道，我國的水產養殖產量已經達到3 100萬t，約占世界養殖總產量的70%，養殖產量每年仍以5%的速度增長，是世界上最大的漁業生產國。隨著我國水產養殖產量的快速增加，養殖中的深層次問題也日漸暴露，主要表現在水資源污染問題和水產品病害問題。針對水產養殖中遇到的資源、環境、病害等諸多問題，人們普遍認識要發展高效、無公害養殖技術，實現水產養殖的可持續發展，要珍惜十分寶貴的水資源，保護環境，與自然和諧相處，實現水產品的生產從數量型向質量、效益型轉變。筆者采用無線傳感器網絡和GSM網絡、變量控制技術、單片機控制組態軟件相結合，設計了一種基于MSP430的GPRS水產養殖監控系統，可以更加精細地控制水產養殖過程，得到良好的人機交互，從而更好地進行遠程管理。

1水產養殖監控系統組成

按照《水產養殖水產養殖質量安全管理規定》的要求，水產養殖基地的水環境需要滿足水環境要求和養殖水產品藥物殘留監控的要求，進行定期檢查與監控。對水產養殖進行合理的監管，是保證產品質量的關鍵因素。該研究設計的基于MSP430與GPRS水產養殖監控系統結構見圖1。

目前，遠程湖面數據的傳輸主要采用GSM無線網絡，通過中國移動公司提供的GSM 2G服務，系統建設周期短，可以省去自身通信網的建設和維護費用，覆蓋范圍廣。GPRS通信通過中國移動SIM 卡，實現經過TCP/IP 傳輸數據到服務器。

2水產養殖監控系統硬件設計

2.1硬件總體框架水產養殖監控系統的總體結構如圖1所示。MCU通過溫度、濕度、水質、值傳感器采集相應的信息，通過GPRS模塊至服務器。該研究MCU微控制單元主要選擇MSP430。MSP430具有處理能力強、運算速度快、超低功耗、片內資源豐富、方便高效的開發環境等特點。MSP430控制芯片工作電壓為 1.8～3.6 V，采用雙時鐘系統；另外MSP430是16位單片機，處理數據更多，更強大，MSP430也具有較豐富的片內外資源，與各傳感器、GPRS有很好的接口[1]。

2.2時鐘電路和JTAG接口MSP430系列單片機時鐘模塊包括數控振蕩器(DCO)、高速晶體振蕩器和低速晶體振蕩器等3個時鐘源。在系統中需要設計高速晶體振蕩器和低速晶體振蕩器兩部分電路。由MCU主控電路(MSP430主控電路)可以看出，低速晶體振蕩器(Y1)滿足了低功耗及使用32 kHz晶振的要求。振蕩器默認工作在低頻模式，即32 kHz，也可以通過外接8 MHz的高速晶體振蕩器(Y2)工作在高頻模式，它為MSP430工作在高頻模式時提供時鐘，XT2最高可達8 MHz。

用JTAG接口實現在線仿真，標準的14針JTAG接口，主要連接線有TMS、TCK、TDI、TDO、RST、TEST。內部有若干個寄存器連接到了430的內部數據地址總線上，所以可以用JTAG訪問MSP430內部的所有資源，包括對Flash的讀寫操作。

2.3電源電路設計系統中各個模塊電路主要采用6 V 的直流電，而GPRS模塊采用4.2 V 的直流電供電，因此需要專用的芯片將6V 的電源通過適當的電阻轉為3.3 V 的電源。

2.4GPRS和單片機接口電路GPRS通信模塊選用華為公司的MG323作為GSM收發模塊，主要為語音傳輸、短消息和數據業務提供無線接口。MG323是一款雙頻GSM/GPRS 工業級無線模塊，支持153.6 kbps下行速率；提供高質量的語音、短信功能，內置TCP/IP協議棧，具有STK/ FTP/ HTTP/ Audio Record/ TTS 等擴展功能，以及華為擴展AT命令集。

MG323模塊通過50pin的B2B連接器將SIM卡相關信號引到外部，由用戶自行在接口板上放置SIM卡座，SIM卡對應接口定義見表1。

表1　SIM卡接口定義

Pin42、Pin44、Pin46、Pin48、Pin50為模塊電源管腳，用于給模塊內部供電。當模塊以最大功率發射時，瞬時電流最大可以達到2 A左右，可能會引起VBAT的電壓跌落，模塊要求VBAT供電電壓最低不能低于3.3 V；Pin41、Pin43、Pin45、Pin47、Pin49為模塊電源地管腳。GPR通信電路見圖2。

2.5看門狗電路看門狗電路是一個可清零的定時計數器，作為一個計時器使用，計數器滿產生中斷時執行看門狗中斷函數。該研究采用基于CD4060的硬件看門狗電路，當看門狗計數溢出，使其重新計數，若程序溢出，看門狗也會溢出，這時程序復位[2]。

2.6溫度測量電路溫度測量傳感器采用DS18B20芯片，DS18B20是一種單總線數字測溫芯片。DS18B20可以直接將模擬信號轉換為數字信號以串行傳送給MCU，同時可以傳送CRC校驗碼，提高抗干擾糾錯能力。DS18B20 8引腳封裝Pin1接地；Pin2 數字信號輸入輸出，一線輸出：源極開路，Pin2腳采集到的溫度信息可以傳遞到MSP430的P4.3口；Pin3電源可選電源管腳。其他管腳不需要接線[3]。

3水產養殖監控系統軟件設計

3.1GPRS網絡接入GSM手機短信模塊實現與計算機終端的數據聯系，設計中采用了MSP430單片機和GSM模塊MG323實現。MG323通信模塊電路由GSM通信電路、GSM軟控開關、GSM復位電路和GSM通信指示燈組成；單片機與MG323模塊通信通過AT指令。由AT指令進行呼叫、短信、數據業務等控制。AT指令集中有多套指令，包括控制命令控制命令、網絡業務命令、安全性命令等。

GPRS與網關GPRS支持節點(GGSN)的PPP建立無線連接，PPP協商成功以后接入移動2G網絡，通過GPRS網關獲取IP地址，進行Socket端口初始化并且與監控中心服務器端口建立連接，在串口和GPRS模塊建立信道以后，系統將溫度信息通過串口發送到GPRS 模塊，GPRS 模塊在把數據壓入協議棧后通過GPRS 網絡發送給監控中心，待數據發送完畢關閉此Socket，完成通信過程。GPRS通信過程如圖3所示。

GPRS 與Internet 的聯接主要需要進行通信波特率、接入網關、移動終端類別等設置，其設置都可以通過MG323內置的AT 指令進行設置。MG323模塊對外提供一路異步RS-232 UART1(8線全串口)通信接口。UART1支持標準Modem握手信號控制方式，通過UART1接口與外界進行串行通信和AT指令輸入。UART1接口信號定義見表2。

DTE(DataTerminalEquipment)為數字終端設備，DCE(DataCircuit-terminatingEquipment)為數字通信設備。DCE一方提供時鐘，DTE不提供時鐘，但它依靠DCE提供的時鐘工作。

例如建立TCP連接步驟如下：

(1)AT+QIOPEN="TCP"，"172.168.80.150"，"8081"http://連接一個TCP服務器。地址是172.168.80.150：8081。

表2　UART1接口信號定義

(2)OK // 命令語法格式正確并且當前狀態可以建立TCP連接。

(3)CONNECT // TCP連接成功，并且串口進入數據模式。

(4)send date information //這一段是從服務器接收到的數據。

(5)OK //序列的返回，說明已經成功返回到命令模式。

3.2傳感器信息測量采集MSP430的Timer_A是一個16位的定時/計數器。它有3個捕獲/比較寄存器；能支持多個時序控制、多個捕獲/比較功能和多個PWM輸出；有廣泛的中斷功能，中斷可由計數器溢出產生，也可以由捕獲/比較寄存器產生。

3.3低功耗實現MSP430低功耗主要是在不需要使用CPU的時候讓CPU進入休眠狀態，待要使用CPU時調用中斷來運行CPU。在休眠狀態下，關閉外圍電路如傳感器供電等。

4結語

該研究設計了一種基于MSP430的GPRS水產養殖監控系統，系統采用MSP430單片機作為主控制模塊，具有完善的信息采集系統，結構簡單實用；通過GPRS 模塊與上位機進行無線通訊，對水產養殖過程實現遠程實時監控。同時通過Internet 使管理部門也能在線實時監管，進一步保證水產養殖的規范，有效地抑制養殖過程中水環境出現的問題。該系統不僅能讓水產養殖監測工作更方便快捷，而且還能對水產養殖過程自動進行溫度調節，保證適宜魚類和蟹類生長的水環境。

參考文獻

[1] 梁鋒林，邱興陽，鄭健.基于STC89C52 與GPRS 藥品倉儲溫濕度監控系統[J].齊齊哈爾大學學報，2015(1)：14-17.

[2] 樓平.基于GPRS的無線遠程氣象數據采集傳輸系統設計[J].電子測量技術，2012(5)：118-122.

[3] 周鵬.基于STC89C52單片機的溫度檢測系統設計[J].現代電子技術，2012(35)：10-13.

摘要設計了一種水產養殖的多鏈路數據采集與設備監控系統。各個監控終端采集ZigBee傳感器數據進行監測，msp430對監測的信號進行運算處理。通過GPRS模塊和Internet使傳感器監控水產信息資源，同時各監控終端進行遠程控制，使監管中心對水產養殖過程中的各種數據進行實時監管，確保水產養殖達到一個比較好的條件，提升產品質量和產量。

關鍵詞水產養殖；GPRS；MSP430 單片機；監控系統

GPRS Aquaculture Monitoring System Based on MSP430

JIA Hai-tian1, GAI Zhi-hua1, JIA Chun2et al(1. Suzhou Institute of Trade & Commerce, Suzhou, Jiangsu 215009; 2. Yellow River Conservancy Technical Institute, Kaifeng, Henan 475004)

AbstractThe multi link data acquisition and equipment monitoring system for aquaculture was designed. The ZigBee sensor data was collected to be minitored, MSP430 was adopted to calculate the monitoring signal. It monitor aquatic product information resources by GPRS module and the Internet sensors. The monitoring terminal for remote control at the same time, make the monitor center real-time minitoring all kinds of data in aquaculture. It can ensure that the aquaculture to achieve a better condition and improve the quality and yield.

Key wordsAquaculture; General Packet Radio Service(GPRS); MSP430 singlechip microcomputer; Monitoring system

收稿日期2015-05-05

作者簡介賈海天(1979- )，男，河南開封人，工程師，碩士，從事物聯網、大數據研究。

基金項目2013年度蘇州市科技支撐計劃資助項目(SNG201339)。

中圖分類號S 951.4

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2015)18-331-02