基于WiFi物联网水产环境智能监控仪表的设计
陈歆 冯平 宋涛
摘 要： 顺应“互联网+”智能水处理发展的需求，研制了一款基于WiFi物联网的水产环境智能监控仪表。该仪表可实现对pH值、水温、浊度和溶氧量等水质参数实现精准在线监测。基于STM32作为核心控制器，实现了对pH值、水温、浊度和溶氧量等多参数的采集、处理和显示。结果表明，该智能监控仪表具有数据监测准确、运行稳定等特点，有很好的应用前景。
关键词： WiFi； 物联网； 智能水产； 智能仪表
中图分类号： TN711?34； TP216 文献标识码： A 文章编号： 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
隨着无线通信技术的发展，无线监控也越来越多的应用于养殖环境监控中，可利用ZigBee，GPRS等无线方式实现数据采集，通常采用PC作为监控终端[1?4]，由于其成本高、监控不灵活，不宜在养殖户中推广。目前国内很多系统采用ZigBee技术和GPRS技术实现对养殖水质的各关键指标（温度、溶解氧含量、pH和浊度）进行实时采集、远程显示和自动报警，实现智能化远程养鱼[5]。ZigBee技术具有低功耗、自组织等优点，适用于无线传感器网络，但通信技术本身也存在瓶颈，如：组网复杂、传输速率慢、系统扩展性差，所以在一些数据传输率有一定要求的场合并不适合。GPRS通用分组通信技术，网络覆盖范围广、技术成熟，广泛应用于各行各业的远程通信。但是随着通信数据量的增加，项目工程后续投入很大而且通信速率也会受到很大的制约。
本文研制的一款基于WiFi无线技术的智能仪表成为顺应“互联网+”智能水处理的发展需求。人们可以通过各类智能仪表实现对pH值、溶氧量、水温等参数实现精准的在线监测。无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）具有感知、计算、无线通信能力和控制功能，广泛应用于国防、军事、环境监控和设施农业等领域。WiFi（Wireless Fidelity）是一种目前得到广泛应用的短距离无线通信协议[6]。
1 总体设计方案
此方案具有无需布线、自动组网、成本低廉和维护简单等特点，能够有效地实现对水处理过程中各种水质参数的测量，非常适合养殖环境的自动监测，系统构建如图1所示。
智能水质仪表主要用于水质参数的实时采集、数据显示、实时发送、状态报警、电极清洗、温度补偿计算等功能，结构框图如图2所示，其主要包含主控模块、供电模块、传感器及其信号调理模块等。根据水质仪表的实际功能不同，智能仪表的硬件构成也略有差异。工作原理主要是：首先传感器调理模块对被测量进行采样，并将采集的数据进行放大、滤波、A/D变换、计算等处理；然后进行显示和存储，通过WiFi模块将经过处理的数据发送给上级主控模块，同时用户还可以对智能仪表时间日期、系统报警值、回差值设置、通信速率等一些必要的参数进行设置。从而实现上层主控模块与现场数据进行实时监控和历史数据的查询。
2 硬件电路设计
仪表的主控芯片采用意法半导体ARM系列芯片STM32F105RBT6，该控制器最大特色就是片内集成了很多丰富的片内资源如时钟、复位和电源管理、多个DMA控制器、最多达11个定时器和13个通信接口等，并支持SWD和JTAG接口调试。芯片由3.3 V电压供电，通过内部PLL设置其最高工作频率可以达到72 MHz，并且片内集成12位逐次逼近型A/D转换器。最多可以支持测量16个外部信号源，各通道A/D转换均可以单次或者扫描模式执行，转换后的数据结果存储在16位数据寄存器中。芯片外围电路设置包括晶振模块、显示电路、WiFi通信电路和存储电路等，用于满足智能仪表的实际使用功能。
WiFi模块采用嵌入式组件HF?A11，该嵌入式WiFi模组提供一种把UART/以太网/GPIO等接口数据转到WiFi接口的解决方案。通过HF?A11模组，STM32F105RBT6可以通过串口通信方式很方便地接入WiFi无线网络，从而实现物联网控制与管理。HF?A11嵌入式模组内部集成了WLAN MAC、基带处理、射频前端等硬件，软件提供完整的IEEE 802.11 b/g/n WLAN协议、TCP/IP协议、配置管理等协议。在系统编程时无需了解WiFi相关标准与协议，便可很快地实现水质智能仪表的无线解决方案，其硬件电路如图3所示。
为了防止pH传感器极化，pH值检测电路必须具有很高的输入阻抗，以减少电流流过pH值传感器所产生的压降，在运放的正负输入端加上电压跟随其以提高输入阻抗。由于电极采样输出电压为±500 mV，为此在输出时增加参考电压Vref。考虑到输入阻抗的平衡，其中R13=R14，R12=R15，R19=R20；考虑到在实际应用过程中pH值信号比较容易受干扰，在放大电路的后端增加了滤波电路，如图4所示。
经过后期测试曲线表明，输入信号和输出信号成良好的线性关系，满足智能仪表的设计要求。
实际电路中采用传感器自带的PT100温度传感器，当温度为0 ℃时它的阻值为100 Ω，在100 ℃时它的阻值约为138.5 Ω，利用PT100的这一特性来实现温度与输出值之间的转化。
溶氧仪实用的膜电极有两种类型：极谱型（Polarography）和原电池型（Galvanic Cell）。极谱型传感器阴阳两极间加0.735 V左右的极化电压后，渗透过薄膜的氧在阴极上还原，由于电极上发生氧化还原反应，电子的转换产生了正比于样品中氧分压的电流。有氧时，溶解氧浓度以电流的形式被送入调理电路。极谱型相比原电池型传感器使用寿命更长、精度更高，更加符合用户的利益。在实验中选取的是极谱型的膜电极。电路主要由两级放大器和滤波器两个部分构成，实际电路中选择前置放大器采用高阻抗的CA3140EZ放大器进行信号采集以防止信号衰减，并进行电流的第一级放大，第二级采用OP07进行滤波放大。受温度的影响，溶解氧电极输出的电流也是逐渐增大的，因此在实际使用中还需要对测量结果进行温度补偿。
3 系统软件设计
本文在程序设计时采用了模块化设计方法，将控制器所要完成的功能分由模块编写和调试，分开单独调试后，将各个模块联调。整个软件主要由2个部分组成：系统主程序、任务子程序。系统主程序负责任务调度，任务子程序实现系统各个子功能。主程序负责系统初始化，按流程选择执行各子模块程序，完成系统控制任务。系统的软件部分主要分为两部分，分别是嵌入式μC/OS?Ⅱ 操作系统内核和应用程序软件，如图5所示。
4 实验结果
本文通过监控数据分析水质中pH、溶解氧和温度等参数，将实验数据列举在表1中，智能仪表實物如图6所示。
通过与标准仪器比较，测量值均能够满足实际需求，试验过程中WiFi传输距离在20 m以上，通过增加WiFi外置天线效果更好。
5 结 语
本文提出基于WiFi物联网无线技术，设计一种能够实时监测水质环境的智能仪表。该仪表能够对水中的多种环境参数进行实时监测，并通过无线的方式将数据发送到上层的主控模块。实验数据表明，该智能仪表可实现监测功能，并取得了良好的效果。该智能仪表能够助力实现水产养殖的科学养殖与管理，从而优化养殖工艺，提高水产品的成活率，增加养殖效益，为水产品养殖科学的持续发展提供有力的支持。
参考文献
[1] 任肖丽，陈佳喜，王骥，等.基于GPRS技术在线环境监测系统的研究[J].现代电子技术，2015，38（4）：60?62.
[2] 索猛，罗益民.基于STM32的循环水在线监测系统设计[J].仪表技术与传感器，2014（12）：78?79.
[3] 蔡加豪.基于物联网的水产养殖监控系统的设计与研究[D].长沙：湖南师范大学，2016.
[4] 孙静.基于ZigBee的无线传感网络的设计与实现[J].现代电子技术，2016，39（15）：19?20.
[5] 杨琛，白波，匡兴红.基于物联网的水产养殖环境智能监控系统[J].渔业现代化，2014（1）：35?39.
[6] 韩潇.基于WiFi的无线传感器网络的研究与应用[D].天津：河北工业大学，2014.
摘 要： 顺应“互联网+”智能水处理发展的需求，研制了一款基于WiFi物联网的水产环境智能监控仪表。该仪表可实现对pH值、水温、浊度和溶氧量等水质参数实现精准在线监测。基于STM32作为核心控制器，实现了对pH值、水温、浊度和溶氧量等多参数的采集、处理和显示。结果表明，该智能监控仪表具有数据监测准确、运行稳定等特点，有很好的应用前景。
关键词： WiFi； 物联网； 智能水产； 智能仪表
中图分类号： TN711?34； TP216 文献标识码： A 文章编号： 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
隨着无线通信技术的发展，无线监控也越来越多的应用于养殖环境监控中，可利用ZigBee，GPRS等无线方式实现数据采集，通常采用PC作为监控终端[1?4]，由于其成本高、监控不灵活，不宜在养殖户中推广。目前国内很多系统采用ZigBee技术和GPRS技术实现对养殖水质的各关键指标（温度、溶解氧含量、pH和浊度）进行实时采集、远程显示和自动报警，实现智能化远程养鱼[5]。ZigBee技术具有低功耗、自组织等优点，适用于无线传感器网络，但通信技术本身也存在瓶颈，如：组网复杂、传输速率慢、系统扩展性差，所以在一些数据传输率有一定要求的场合并不适合。GPRS通用分组通信技术，网络覆盖范围广、技术成熟，广泛应用于各行各业的远程通信。但是随着通信数据量的增加，项目工程后续投入很大而且通信速率也会受到很大的制约。
本文研制的一款基于WiFi无线技术的智能仪表成为顺应“互联网+”智能水处理的发展需求。人们可以通过各类智能仪表实现对pH值、溶氧量、水温等参数实现精准的在线监测。无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）具有感知、计算、无线通信能力和控制功能，广泛应用于国防、军事、环境监控和设施农业等领域。WiFi（Wireless Fidelity）是一种目前得到广泛应用的短距离无线通信协议[6]。
1 总体设计方案
此方案具有无需布线、自动组网、成本低廉和维护简单等特点，能够有效地实现对水处理过程中各种水质参数的测量，非常适合养殖环境的自动监测，系统构建如图1所示。
智能水质仪表主要用于水质参数的实时采集、数据显示、实时发送、状态报警、电极清洗、温度补偿计算等功能，结构框图如图2所示，其主要包含主控模块、供电模块、传感器及其信号调理模块等。根据水质仪表的实际功能不同，智能仪表的硬件构成也略有差异。工作原理主要是：首先传感器调理模块对被测量进行采样，并将采集的数据进行放大、滤波、A/D变换、计算等处理；然后进行显示和存储，通过WiFi模块将经过处理的数据发送给上级主控模块，同时用户还可以对智能仪表时间日期、系统报警值、回差值设置、通信速率等一些必要的参数进行设置。从而实现上层主控模块与现场数据进行实时监控和历史数据的查询。
2 硬件电路设计
仪表的主控芯片采用意法半导体ARM系列芯片STM32F105RBT6，该控制器最大特色就是片内集成了很多丰富的片内资源如时钟、复位和电源管理、多个DMA控制器、最多达11个定时器和13个通信接口等，并支持SWD和JTAG接口调试。芯片由3.3 V电压供电，通过内部PLL设置其最高工作频率可以达到72 MHz，并且片内集成12位逐次逼近型A/D转换器。最多可以支持测量16个外部信号源，各通道A/D转换均可以单次或者扫描模式执行，转换后的数据结果存储在16位数据寄存器中。芯片外围电路设置包括晶振模块、显示电路、WiFi通信电路和存储电路等，用于满足智能仪表的实际使用功能。
WiFi模块采用嵌入式组件HF?A11，该嵌入式WiFi模组提供一种把UART/以太网/GPIO等接口数据转到WiFi接口的解决方案。通过HF?A11模组，STM32F105RBT6可以通过串口通信方式很方便地接入WiFi无线网络，从而实现物联网控制与管理。HF?A11嵌入式模组内部集成了WLAN MAC、基带处理、射频前端等硬件，软件提供完整的IEEE 802.11 b/g/n WLAN协议、TCP/IP协议、配置管理等协议。在系统编程时无需了解WiFi相关标准与协议，便可很快地实现水质智能仪表的无线解决方案，其硬件电路如图3所示。
为了防止pH传感器极化，pH值检测电路必须具有很高的输入阻抗，以减少电流流过pH值传感器所产生的压降，在运放的正负输入端加上电压跟随其以提高输入阻抗。由于电极采样输出电压为±500 mV，为此在输出时增加参考电压Vref。考虑到输入阻抗的平衡，其中R13=R14，R12=R15，R19=R20；考虑到在实际应用过程中pH值信号比较容易受干扰，在放大电路的后端增加了滤波电路，如图4所示。
经过后期测试曲线表明，输入信号和输出信号成良好的线性关系，满足智能仪表的设计要求。
实际电路中采用传感器自带的PT100温度传感器，当温度为0 ℃时它的阻值为100 Ω，在100 ℃时它的阻值约为138.5 Ω，利用PT100的这一特性来实现温度与输出值之间的转化。
溶氧仪实用的膜电极有两种类型：极谱型（Polarography）和原电池型（Galvanic Cell）。极谱型传感器阴阳两极间加0.735 V左右的极化电压后，渗透过薄膜的氧在阴极上还原，由于电极上发生氧化还原反应，电子的转换产生了正比于样品中氧分压的电流。有氧时，溶解氧浓度以电流的形式被送入调理电路。极谱型相比原电池型传感器使用寿命更长、精度更高，更加符合用户的利益。在实验中选取的是极谱型的膜电极。电路主要由两级放大器和滤波器两个部分构成，实际电路中选择前置放大器采用高阻抗的CA3140EZ放大器进行信号采集以防止信号衰减，并进行电流的第一级放大，第二级采用OP07进行滤波放大。受温度的影响，溶解氧电极输出的电流也是逐渐增大的，因此在实际使用中还需要对测量结果进行温度补偿。
3 系统软件设计
本文在程序设计时采用了模块化设计方法，将控制器所要完成的功能分由模块编写和调试，分开单独调试后，将各个模块联调。整个软件主要由2个部分组成：系统主程序、任务子程序。系统主程序负责任务调度，任务子程序实现系统各个子功能。主程序负责系统初始化，按流程选择执行各子模块程序，完成系统控制任务。系统的软件部分主要分为两部分，分别是嵌入式μC/OS?Ⅱ 操作系统内核和应用程序软件，如图5所示。
4 实验结果
本文通过监控数据分析水质中pH、溶解氧和温度等参数，将实验数据列举在表1中，智能仪表實物如图6所示。
通过与标准仪器比较，测量值均能够满足实际需求，试验过程中WiFi传输距离在20 m以上，通过增加WiFi外置天线效果更好。
5 结 语
本文提出基于WiFi物联网无线技术，设计一种能够实时监测水质环境的智能仪表。该仪表能够对水中的多种环境参数进行实时监测，并通过无线的方式将数据发送到上层的主控模块。实验数据表明，该智能仪表可实现监测功能，并取得了良好的效果。该智能仪表能够助力实现水产养殖的科学养殖与管理，从而优化养殖工艺，提高水产品的成活率，增加养殖效益，为水产品养殖科学的持续发展提供有力的支持。
参考文献
[1] 任肖丽，陈佳喜，王骥，等.基于GPRS技术在线环境监测系统的研究[J].现代电子技术，2015，38（4）：60?62.
[2] 索猛，罗益民.基于STM32的循环水在线监测系统设计[J].仪表技术与传感器，2014（12）：78?79.
[3] 蔡加豪.基于物联网的水产养殖监控系统的设计与研究[D].长沙：湖南师范大学，2016.
[4] 孙静.基于ZigBee的无线传感网络的设计与实现[J].现代电子技术，2016，39（15）：19?20.
[5] 杨琛，白波，匡兴红.基于物联网的水产养殖环境智能监控系统[J].渔业现代化，2014（1）：35?39.
[6] 韩潇.基于WiFi的无线传感器网络的研究与应用[D].天津：河北工业大学，2014.
