基于WiFi物聯網水產環境智能監控儀表的設計

陳歆　馮平　宋濤

摘 要： 順應“互聯網+”智能水處理發展的需求，研制了一款基于WiFi物聯網的水產環境智能監控儀表。該儀表可實現對pH值、水溫、濁度和溶氧量等水質參數實現精準在線監測。基于STM32作為核心控制器，實現了對pH值、水溫、濁度和溶氧量等多參數的采集、處理和顯示。結果表明，該智能監控儀表具有數據監測準確、運行穩定等特點，有很好的應用前景。

關鍵詞： WiFi； 物聯網； 智能水產； 智能儀表

中圖分類號： TN711?34； TP216 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）22?0119?03

Abstract： To meet the development demand of "Internet+" intelligent water processing， an intelligent aquaculture environment monitoring instrument based on WiFi Internet of Things （IoT） technology was developed. The instrument can realize the accurate online monitoring of water quality parameters such as pH value， temperature， turbidity and dissolved oxygen. The STM32 was selected as the core controller to realize acquisition， processing， and display of the preceding parameters. The results show that the intelligent monitoring instrument runs reliably and stably， and has a good application prospect.

Keywords： WiFi； Internet of Things； intelligent aquaculture； intelligent instrument

0 引 言

隨著無線通信技術的發展，無線監控也越來越多的應用于養殖環境監控中，可利用ZigBee，GPRS等無線方式實現數據采集，通常采用PC作為監控終端[1?4]，由于其成本高、監控不靈活，不宜在養殖戶中推廣。目前國內很多系統采用ZigBee技術和GPRS技術實現對養殖水質的各關鍵指標（溫度、溶解氧含量、pH和濁度）進行實時采集、遠程顯示和自動報警，實現智能化遠程養魚[5]。ZigBee技術具有低功耗、自組織等優點，適用于無線傳感器網絡，但通信技術本身也存在瓶頸，如：組網復雜、傳輸速率慢、系統擴展性差，所以在一些數據傳輸率有一定要求的場合并不適合。GPRS通用分組通信技術，網絡覆蓋范圍廣、技術成熟，廣泛應用于各行各業的遠程通信。但是隨著通信數據量的增加，項目工程后續投入很大而且通信速率也會受到很大的制約。

本文研制的一款基于WiFi無線技術的智能儀表成為順應“互聯網+”智能水處理的發展需求。人們可以通過各類智能儀表實現對pH值、溶氧量、水溫等參數實現精準的在線監測。無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）具有感知、計算、無線通信能力和控制功能，廣泛應用于國防、軍事、環境監控和設施農業等領域。WiFi（Wireless Fidelity）是一種目前得到廣泛應用的短距離無線通信協議[6]。

1 總體設計方案

此方案具有無需布線、自動組網、成本低廉和維護簡單等特點，能夠有效地實現對水處理過程中各種水質參數的測量，非常適合養殖環境的自動監測，系統構建如圖1所示。

智能水質儀表主要用于水質參數的實時采集、數據顯示、實時發送、狀態報警、電極清洗、溫度補償計算等功能，結構框圖如圖2所示，其主要包含主控模塊、供電模塊、傳感器及其信號調理模塊等。根據水質儀表的實際功能不同，智能儀表的硬件構成也略有差異。工作原理主要是：首先傳感器調理模塊對被測量進行采樣，并將采集的數據進行放大、濾波、A/D變換、計算等處理；然后進行顯示和存儲，通過WiFi模塊將經過處理的數據發送給上級主控模塊，同時用戶還可以對智能儀表時間日期、系統報警值、回差值設置、通信速率等一些必要的參數進行設置。從而實現上層主控模塊與現場數據進行實時監控和歷史數據的查詢。

2 硬件電路設計

儀表的主控芯片采用意法半導體ARM系列芯片STM32F105RBT6，該控制器最大特色就是片內集成了很多豐富的片內資源如時鐘、復位和電源管理、多個DMA控制器、最多達11個定時器和13個通信接口等，并支持SWD和JTAG接口調試。芯片由3.3 V電壓供電，通過內部PLL設置其最高工作頻率可以達到72 MHz，并且片內集成12位逐次逼近型A/D轉換器。最多可以支持測量16個外部信號源，各通道A/D轉換均可以單次或者掃描模式執行，轉換后的數據結果存儲在16位數據寄存器中。芯片外圍電路設置包括晶振模塊、顯示電路、WiFi通信電路和存儲電路等，用于滿足智能儀表的實際使用功能。

WiFi模塊采用嵌入式組件HF?A11，該嵌入式WiFi模組提供一種把UART/以太網/GPIO等接口數據轉到WiFi接口的解決方案。通過HF?A11模組，STM32F105RBT6可以通過串口通信方式很方便地接入WiFi無線網絡，從而實現物聯網控制與管理。HF?A11嵌入式模組內部集成了WLAN MAC、基帶處理、射頻前端等硬件，軟件提供完整的IEEE 802.11 b/g/n WLAN協議、TCP/IP協議、配置管理等協議。在系統編程時無需了解WiFi相關標準與協議，便可很快地實現水質智能儀表的無線解決方案，其硬件電路如圖3所示。endprint

為了防止pH傳感器極化，pH值檢測電路必須具有很高的輸入阻抗，以減少電流流過pH值傳感器所產生的壓降，在運放的正負輸入端加上電壓跟隨其以提高輸入阻抗。由于電極采樣輸出電壓為±500 mV，為此在輸出時增加參考電壓Vref。考慮到輸入阻抗的平衡，其中R13=R14，R12=R15，R19=R20；考慮到在實際應用過程中pH值信號比較容易受干擾，在放大電路的后端增加了濾波電路，如圖4所示。

經過后期測試曲線表明，輸入信號和輸出信號成良好的線性關系，滿足智能儀表的設計要求。

實際電路中采用傳感器自帶的PT100溫度傳感器，當溫度為0 ℃時它的阻值為100 Ω，在100 ℃時它的阻值約為138.5 Ω，利用PT100的這一特性來實現溫度與輸出值之間的轉化。

溶氧儀實用的膜電極有兩種類型：極譜型（Polarography）和原電池型（Galvanic Cell）。極譜型傳感器陰陽兩極間加0.735 V左右的極化電壓后，滲透過薄膜的氧在陰極上還原，由于電極上發生氧化還原反應，電子的轉換產生了正比于樣品中氧分壓的電流。有氧時，溶解氧濃度以電流的形式被送入調理電路。極譜型相比原電池型傳感器使用壽命更長、精度更高，更加符合用戶的利益。在實驗中選取的是極譜型的膜電極。電路主要由兩級放大器和濾波器兩個部分構成，實際電路中選擇前置放大器采用高阻抗的CA3140EZ放大器進行信號采集以防止信號衰減，并進行電流的第一級放大，第二級采用OP07進行濾波放大。受溫度的影響，溶解氧電極輸出的電流也是逐漸增大的，因此在實際使用中還需要對測量結果進行溫度補償。

3 系統軟件設計

本文在程序設計時采用了模塊化設計方法，將控制器所要完成的功能分由模塊編寫和調試，分開單獨調試后，將各個模塊聯調。整個軟件主要由2個部分組成：系統主程序、任務子程序。系統主程序負責任務調度，任務子程序實現系統各個子功能。主程序負責系統初始化，按流程選擇執行各子模塊程序，完成系統控制任務。系統的軟件部分主要分為兩部分，分別是嵌入式μC/OS?Ⅱ 操作系統內核和應用程序軟件，如圖5所示。

4 實驗結果

本文通過監控數據分析水質中pH、溶解氧和溫度等參數，將實驗數據列舉在表1中，智能儀表實物如圖6所示。

通過與標準儀器比較，測量值均能夠滿足實際需求，試驗過程中WiFi傳輸距離在20 m以上，通過增加WiFi外置天線效果更好。

5 結 語

本文提出基于WiFi物聯網無線技術，設計一種能夠實時監測水質環境的智能儀表。該儀表能夠對水中的多種環境參數進行實時監測，并通過無線的方式將數據發送到上層的主控模塊。實驗數據表明，該智能儀表可實現監測功能，并取得了良好的效果。該智能儀表能夠助力實現水產養殖的科學養殖與管理，從而優化養殖工藝，提高水產品的成活率，增加養殖效益，為水產品養殖科學的持續發展提供有力的支持。

參考文獻

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[6] 韓瀟.基于WiFi的無線傳感器網絡的研究與應用[D].天津：河北工業大學，2014.endprint