基于LabVIEW的水质监测系统设计与开发

王诗源，袁 琦

(海南大学 机电工程学院，海南 海口 570228)

水产养殖环境因子对水生动植物有决定性作用，直接影响其产量与品质。养殖水体的温度、酸碱度(pH)、盐度、氨氮值、溶氧(DO)、电导率等环境因子对水产养殖鱼类的生长起主导作用[1-3]。目前国内水质自动监测技术及监测手段与国外先进水平相对落后，自动化水平较低，智能化水平也不高[4]。水质监测系统上位机监控端软件多为编程语言，操作复杂且不易控制，不能实现电脑(PC)端信息瞬时互传等联机功能。研究适合中国国情现状的无线水产养殖参数监测系统的上位机操作系统具有重要的实际意义[5]。

本文应用信号传输距离远的nRF905为无线通信模块，以MSP430微控制器为系统下位机，系统上位机以 LabVIEW 设计监控软件，构建一种无线水质参数监测系统。该系统操作界面简单，能够实现上位机之间数据共享，联机交互功能。本系统的主要检测数据为pH和电导率。

1 系统总体设计

水质监测系统(图1)包括下位机(单片机监测终端)和上位机PC机(监测中心)。下位机由两种传感器数据采集模块(pH和电导率)、A/D转换模块、MSP430单片机、无线通信模块nRF905等构成。单个采集节点定时采集水质的pH与电导率，并将采集到的数据通过无线通信模块nRF905发送到汇聚节点，该节点将数据通过无线传输至监测中心的上位机进行处理分析。系统工作过程：第一步，两种传感器采集信号数据，其中pH传感器采集到的信号比较微弱，需要通过调理电路处理后变换为输出电压为0～3.3V之间的正常信号，电导率传感器可以直接连接使用，输出信号为数字信号，无需调理。第二步，将采集到的信号传送给MSP430，单片机对数据参数进行初步分析、处理后，通过nRF905发送出去[6-8]。第三步，监测中心收到数据信息后，对数据进行误差处理，处理后将对应数据代入显示图标中，以曲线图的形式实时显示水质数据并进行数据储存。

2 系统硬件设计

2.1 传感器选择

pH传感器采用E-201-C型pH复合电极，该电极是玻璃电极和参比电极组合在一起的塑壳可充式复合电极，响应时间<2 min，是pH测量元件[9]。该电极测量范围为0～14，测量温度必须保证在0℃～60℃。电导率传感器型号为ZA-CDT-A101-485，工作电压(5±0.2) VDC。该传感器工作温度范围幅度广(-10℃～105℃)，可在多种环境条件下工作。其量程范围为0.1～10 000 μS/cm，可用于多种水质的电导率数据采集。

2.2 微处理器

本系统微处理器选用MSP430系列微控制器。该单片机具有62 K的FLASH程序存储器，64 K字节寻址空间，包含ROM、RAM、闪存 RAM 和外围模块，A/D 转换器(10位或更高精度)有8个输入端，可作为恒流源工作[10-11]。其振荡器是专门为通用的时钟低功耗32 768 Hz 晶振设计的。除了晶体外接外，所有的模拟元件都集成在片内。另外，内部还具有复位电路、看门狗电路等，可以用来提高程序运行的可靠性[12]。

2.3 无线收发模块

无线收发模块nRF905是无线传感器系统中的重要组成部分。该模块有433 MHz开放ISM频段免许可证[13]，低功耗，高效调制，抗干扰能力强，特别适合做本系统的收发模块[14]。

2.4 nRF905与单片机的接口点电路

单片机MSP430与nRF905的接口连接如图2所示。

图1 系统结构框图

图2 单片机与无线收发模块连接电路

电导率传感器与单片机的P3.0和P3.1连接，采集到的电导率信号数据这两个引脚进行交互输入输出。pH传感器采集的信号需要经过信号调理电路进行处理，然后连接P3.2引脚进行模拟/数字转换。数据信号转换完成后，再通过串口发送给nRF905，随后nRF905 将数据传输到上位机进行下一步的处理、显示与储存为防止 nRF905在无效的通信状态导致整个系统不工作，对其做一些信号通断处理。如图，先将单片机的 P3.4与 P3.5引脚和发光二极管连接，再与nRF905相连接，这样nRF905的通信状态就可以通过发光二极管的闪烁情况来判断，能在第一时间确定系统的稳定性。

3 系统软件设计

整个系统软件包括下位机单片机嵌入式程序和监测中心PC机系统程序。下位机程序选用C语言编写，监测中心PC机系统程序使用LabVIEW进行开发[15-17]。

3.1 下位机主程序

下位机流程如图3所示。

图3 下位机流程图

下位机主程序利用C语言开发工具，通过嵌入式系统MDK开发环境对MSP430微处理器程序进行设计开发[18]。下位机核心程序包括各参数的数据采集、数据的处理与转换、串口通信、数据的无线传输等[19]。3种数据采集传感器在通电后先要进行系统初始化，初始化前打开定时器等待定时器溢出中断。数据采集：由已知中断函数利用A/D模数转换采集pH传感器输出数，由DS18B20单总线协议采集温度传感器数据，由 Modbus RTU 协议获取ZA-CDT-A101采集电导率输出数据。将以上采集数据按照既定通信协议存入发送缓冲区，然后发送给nRF905，再发送给上位机。

上位机未接到数据前处于待机状态，在开机时首先打开定时器，设置采集时间间隔[20-22]。由nRF905接收数据信号后传给单片机，经过数据处理后传送至PC机。PC机对温度、pH和电导率等数据进行处理、显示与储存。定时器溢出中断时采集停止。上位机流程图如图4所示。

图4 上位机流程图

3.2 监测中心软件

系统监测中心软件采用LabVIEW进行开发。PC机控制软件主要由实时监测、动态显示、数据储存、超限报警等模块组成[23]。实时监测：下位机传送来的2种数据信息分离处理，然后各自和波形图表连接，用动态曲线的方法表达出来。超限报警：对每种数据都配备对应的报警器，如果采集到的数据信息高于或低于所设置的限制区间时，指示灯就会闪亮。数据储存：把对应数据以图标的方式表示以后，对数据进行储存，方便以后随时调取。该部分程序设置有数据采集的当前日期和时间，通过这个程序框图界面就可以实时了解2种水质参数的变化。

3.3 远程通信

LabVIEW是以特殊方式进行传输数据的过程[24]。其中常见的实现计算机之间跨越地域的方法有3大类，它们可以很便捷地在极远地域和两台甚至多台计算机之间进行数据共享，实现联机交互。方法如下：(1)利用TCP协议实现PC间的数据共享。常见的通信协议包括TCP/IP协议、串行通信协议、无线网络协议等[25]。(2)使用DataSocket技术实现网络通信。虚拟仪器提供强大的个人PC间数据共享的功能，其中基于TCP协议的通信方式是最基本的网络通信协议。本文所设计的水质监测参数实时远程监测系统软件的远程通信就是基于TCP协议[26-27]的通信方式。TCP使用比特流(作为非结构化字节流的数据)在通信段中传输数据，并且当数据交换时，主机必须创建通信。双机通信流程图如图5所示。

图5 双机通信流程图

双机通信过程中，需在不同的主机上分别创建一个TCP服务器和一个TCP客户端，使用TCP函数节点进行通信[28]。具体如下：创建服务器VI，指定服务器端口，使用“TCP创建侦听器”节点创建侦听器，“TCP等待侦听器”节点等待客户端连接，在循环结构，产生2个正弦周期波形，第一个节点发送长度的波形数据，第二个节点发送波形数据。循环结构外，用“TCP Close Connection”节点结束连接[29]。创建客户端VI。指定服务器地址和网络端口，用“TCP打开连接”节点打开TCP连接。第一个节点接收波形长度并作为第二个节点的输入，第二个节点接收波形数据[30]。循环结构外，用“TCP Close Connection”节点结束连接。数据的联机交互工程设计完成，并可自主控制进行关闭连接。

4 实验数据测量与分析

在海南大学东坡湖进行了现场测试， 表1为2017年9月25日该湖泊的pH和电导率的部分测量数据。每天测量时间为8 h，数据间隔为2 h，共选取5次数据。同时采用标准仪器对水源进行pH和电导率测量，与实验仪器测量的数据进行对比。其中，选取的pH标准仪器为pH-580，电导率标准仪器为BCNSCAN10。由表1可以看出，系统的测量值与标准仪器的数值变化趋势基本相同，测量数据与标定数据误差在2%以内。系统在测量过程中丢包率在0.1%以内。说明系统能够稳定运行，并可以精确可靠地检测pH和电导率，且实时数据能在上位机主程序以波形图的形式显示。

表1 设计系统监测与标准仪器监测结果

5 结论

利用LabVIEW设计了一套水产养殖水质监测系统。无线通信模块nRF905拉长了信息传输距离，延长了传感器与监测中心距离。上位机以LabVIEW设计监控软件，其设计界面简单、功能齐全，实现了对水产养殖环境参数 pH和电导率的实时采集、图像显示等，通过数据管理模块可以方便地查询和输出历史数据。并对功能进行了拓展，在极远地域和2台甚至多台计算机之间进行数据共享，实现联机交互，使系统可以多上位机控制。研究表明，该系统运行稳定，且系统操作简便、易扩展，有利于促进水产养殖的科学化、规模化、智能化。随着移动终端的进步，下一步希望开发出以移动终端为控制中心的水质监测系统。

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