基于光電傳感器魚(yú)池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王 賓

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建漳州 363000)

1 研究背景

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展發(fā)生了翻天覆地的變化，農(nóng)副產(chǎn)品也不斷發(fā)展。在眾多農(nóng)副產(chǎn)品中，魚(yú)類(lèi)作物是比較突出的，在農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)，農(nóng)產(chǎn)養(yǎng)殖盛行；在農(nóng)業(yè)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，農(nóng)戶(hù)圍池養(yǎng)魚(yú)現(xiàn)象也隨處可見(jiàn)。黨的十八大報(bào)告中指出“堅(jiān)持走中國(guó)特色新型工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化道路”，這給智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展指明了方向[1]。農(nóng)業(yè)的發(fā)展要依托科技、信息等現(xiàn)代化手段，解決生產(chǎn)過(guò)程中的難題，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的增產(chǎn)增收。但是，中國(guó)農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展伴隨著許多問(wèn)題，環(huán)境的破壞、農(nóng)藥泛濫、化肥遍地等都隨之而來(lái)。這些問(wèn)題對(duì)于生態(tài)養(yǎng)殖戶(hù)會(huì)產(chǎn)生較大的影響，特別對(duì)于散戶(hù)來(lái)說(shuō)，一方面農(nóng)戶(hù)無(wú)法察覺(jué)農(nóng)藥、化肥等危害源的產(chǎn)生，另一方面農(nóng)戶(hù)不能長(zhǎng)時(shí)間值守魚(yú)池旁邊。文章提出了一種基于光電傳感技術(shù)的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用光電檢測(cè)器探測(cè)入射在其上面的光功率，并完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換[2]。當(dāng)光電傳感器技術(shù)產(chǎn)生較快發(fā)展時(shí)，必將為農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域的新發(fā)展、新進(jìn)步帶來(lái)新的動(dòng)力與活力[3]。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

文章提出的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

該控制系統(tǒng)通過(guò)光電傳感器監(jiān)控檢測(cè)預(yù)設(shè)池中魚(yú)苗的動(dòng)態(tài)情況，將數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)后端魚(yú)池主水源供給口通斷的切換信號(hào)和備用水源啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)池中魚(yú)苗的狀態(tài)發(fā)生異常時(shí)，發(fā)出信號(hào)控制系統(tǒng)的切換，并向控制中心發(fā)出報(bào)警。

系統(tǒng)檢測(cè)環(huán)境異常，當(dāng)預(yù)設(shè)魚(yú)池的樣本魚(yú)發(fā)生異常時(shí)，需要人工進(jìn)行樣本魚(yú)的更換，解除異常后恢復(fù)系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.1 光電傳感器模塊

以接受光的信號(hào)而將其變換為電氣信號(hào)為目的而制成之晶體管稱(chēng)為光敏三極管。該設(shè)計(jì)選用3DU5光敏三極管[4]。把電壓施加在集極和射極，光線(xiàn)入射于基極之表面時(shí)，受到反偏壓之基極、集電極間即有光電流流過(guò)，光敏三極管由截止?fàn)顟B(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)。3DU5光敏三極管的波長(zhǎng)特性曲線(xiàn)如圖2所示，從特性曲線(xiàn)可以看出該三極管接收紅外光，抗干擾性強(qiáng)。

圖2 3DU5波長(zhǎng)特性曲線(xiàn)

2.2預(yù)設(shè)魚(yú)池布置

該設(shè)計(jì)通過(guò)預(yù)設(shè)魚(yú)池中樣本魚(yú)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)來(lái)判斷后端動(dòng)作，預(yù)設(shè)魚(yú)池布置如圖3所示。

圖3 預(yù)設(shè)魚(yú)池

預(yù)設(shè)魚(yú)池尺寸20cm×50cm×20cm，在魚(yú)池兩側(cè)布置了光電發(fā)射管和光電接收管[5]。當(dāng)魚(yú)池中樣本魚(yú)正常游動(dòng)時(shí)，均勻布置的光電檢測(cè)裝置會(huì)被部分遮擋，這時(shí)說(shuō)明水源正常，后端無(wú)動(dòng)作；當(dāng)魚(yú)池中樣本魚(yú)由于水質(zhì)問(wèn)題死亡，隨著水流的作用會(huì)集中到下游漂浮，這時(shí)所有的光電檢測(cè)裝置都沒(méi)有被遮擋，后端可以根據(jù)這個(gè)信號(hào)切斷主水池的水源供應(yīng)，啟用備用水源，工作人員根據(jù)警示信號(hào)進(jìn)行后期處理。

預(yù)設(shè)魚(yú)池在系統(tǒng)設(shè)置中處于環(huán)境監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，通過(guò)光電傳感器探測(cè)樣本魚(yú)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)存在誤判的情況，如魚(yú)群聚集在下游不游動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)異常，所以要通過(guò)軟件延時(shí)進(jìn)行誤判處理。還需考慮由于水流渾濁情況引起的異常，導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)異常情況，可以增設(shè)渾濁度檢測(cè)裝置進(jìn)行系統(tǒng)的完善。

2.3 光電信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

光電信號(hào)轉(zhuǎn)換電路電氣原理如圖4所示。

圖4 光電信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

在預(yù)設(shè)魚(yú)池上布置了3行7列共21個(gè)光電檢測(cè)器，根據(jù)檢測(cè)要求，當(dāng)樣本魚(yú)在池內(nèi)正?；顒?dòng)時(shí)，會(huì)形成遮擋；當(dāng)樣本魚(yú)因水質(zhì)污染出現(xiàn)死亡時(shí)，會(huì)漂浮集中在下游。據(jù)此，對(duì)于單路檢測(cè)電路，本設(shè)計(jì)通過(guò)將光電三極管與電阻串聯(lián)，進(jìn)行電壓信號(hào)的采樣，當(dāng)檢測(cè)器沒(méi)有被遮擋時(shí)，三極管截止，呈高阻態(tài)，采樣點(diǎn)為高電平；當(dāng)檢測(cè)器被遮擋時(shí)，三極管導(dǎo)通，采樣點(diǎn)被拉低，輸出低電平[6]。共計(jì)21路采樣信號(hào)，通過(guò)四2輸入與門(mén)將采樣電平進(jìn)行邏輯與運(yùn)算，得到綜合輸出來(lái)控制后端動(dòng)作。

控制系統(tǒng)同時(shí)將對(duì)應(yīng)的7列信號(hào)分組傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)中，通過(guò)軟件處理把各路信號(hào)進(jìn)行綜合分析，關(guān)斷主水源、啟動(dòng)備用水源需要在綜合分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行處理，增加了系統(tǒng)檢測(cè)控制的可靠性。

2.4 控制電路

該設(shè)計(jì)的控制電路如圖5所示。

圖5 控制電路

控制電路器件包含9013三極管、繼電器[7]和電阻組成，三極管驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)自轉(zhuǎn)換電路的與門(mén)輸出。當(dāng)樣本魚(yú)正常游動(dòng)時(shí)，綜合輸出為高電平，9013三極管導(dǎo)通，繼電器開(kāi)關(guān)在常閉觸點(diǎn)，后端控制電路無(wú)動(dòng)作；反之，綜合輸出為低電平，9013三極管截止，繼電器開(kāi)關(guān)在常開(kāi)觸點(diǎn)，后端控制電路動(dòng)作，切斷主水源，啟用備用水源，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。電路中9013三極管起到電流放大的作用，該三極管控制信號(hào)來(lái)源于單片機(jī)控制系統(tǒng)，考慮到單片機(jī)I/O的驅(qū)動(dòng)能力，通過(guò)電流放大電路，增強(qiáng)了系統(tǒng)控制的可靠性。

圖5中繼電器信號(hào)送往二位二通電磁換向閥，用來(lái)切換水源的通斷。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

該系統(tǒng)控制芯片采用AT89S51單片機(jī)，這一控制芯片具有可嵌入性、實(shí)時(shí)控制、靈活選型和容易操控等優(yōu)點(diǎn)[8-9]。

系統(tǒng)將傳感器控制信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，根據(jù)異常信號(hào)進(jìn)行判斷處理。當(dāng)預(yù)設(shè)魚(yú)池的樣本魚(yú)發(fā)生異常時(shí)，監(jiān)控室的指示燈發(fā)出預(yù)警信號(hào)，先關(guān)斷主水源，通過(guò)軟件控制延時(shí)；如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，預(yù)設(shè)魚(yú)池恢復(fù)正常，則可以重新供主水源；否則異常情況嚴(yán)重，切斷主水源，啟動(dòng)備用水源，等待人為解除現(xiàn)場(chǎng)異常再恢復(fù)系統(tǒng)工作狀態(tài)。

4結(jié)語(yǔ)

文章提出了一種基于光電傳感技術(shù)魚(yú)池監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，文章從外觀(guān)布置、系統(tǒng)框圖和電路設(shè)計(jì)原理等方面展開(kāi)介紹，通過(guò)光電傳感器將樣本魚(yú)的動(dòng)態(tài)情況轉(zhuǎn)換成電氣信號(hào)，對(duì)電氣信號(hào)進(jìn)行邏輯與運(yùn)算，得到綜合控制輸出；根據(jù)此輸出利用單片機(jī)控制電路進(jìn)行水源切換，并發(fā)出報(bào)警。

該設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)proteus和keil軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，軟件程序運(yùn)行對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行模擬，具有較好的參考意義。系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)用，嵌入性強(qiáng)，可以對(duì)接其他控制系統(tǒng)聯(lián)合使用，對(duì)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有參考意義。