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摘要 设计了一种水产养殖的多链路数据采集与设备监控系统。各个监控终端采集ZigBee传感器数据进行监测，msp430对监测的信号进行运算处理。通过GPRS模块和Internet使传感器监控水产信息资源，同时各监控终端进行远程控制，使监管中心对水产养殖过程中的各种数据进行实时监管，确保水产养殖达到一个比较好的条件，提升产品质量和产量。
关键词 水产养殖；GPRS；MSP430 单片机；监控系统
中图分类号 S951.4 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）18-331-02
根据FAO（联合国粮食及农业组织）最新发表的《2006年世界渔业和水产养殖状况》的报道，我国的水产养殖产量已经达到3 100万t，约占世界养殖总产量的70%，养殖产量每年仍以5%的速度增长，是世界上最大的渔业生产国。随着我国水产养殖产量的快速增加，养殖中的深层次问题也日渐暴露，主要表现在水资源污染问题和水产品病害问题。针对水产养殖中遇到的资源、环境、病害等诸多问题，人们普遍认识要发展高效、无公害养殖技术，实现水产养殖的可持续发展，要珍惜十分宝贵的水资源，保护环境，与自然和谐相处，实现水产品的生产从数量型向质量、效益型转变。笔者采用无线传感器网络和GSM网络、变量控制技术、单片机控制组态软件相结合，设计了一种基于MSP430的GPRS水产养殖监控系统，可以更加精细地控制水产养殖过程，得到良好的人机交互，从而更好地进行远程管理。
1 水产养殖监控系统组成
按照《水产养殖水产养殖质量安全管理规定》的要求，水产养殖基地的水环境需要满足水环境要求和养殖水产品药物残留监控的要求，进行定期检查与监控。对水产养殖进行合理的监管，是保证产品质量的关键因素。该研究设计的基于MSP430与GPRS水产养殖监控系统结构见图1。
目前，远程湖面数据的传输主要采用GSM无线网络，通过中国移动公司提供的GSM 2G服务，系统建设周期短，可以省去自身通信网的建设和维护费用，覆盖范围广。GPRS通信通过中国移动SIM 卡，实现经过TCP/IP 传输数据到服务器。
2 水产养殖监控系统硬件设计
2.1 硬件总体框架
水产养殖监控系统的总体结构如图1所示。MCU通过温度、湿度、水质、值传感器采集相应的信息，通过GPRS模块至服务器。
该研究MCU微控制单元主要选择MSP430。MSP430具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富、方便高效的开发环境等特点。MSP430控制芯片工作电压为 1.8～3.6 V，采用双时钟系统；另外MSP430是16位单片机，处理数据更多，更强大，MSP430也具有较丰富的片内外资源，与各传感器、GPRS有很好的接口[1]。
2.2 时钟电路和JTAG接口
MSP430系列单片机时钟模块包括数控振荡器（DCO）、高速晶体振荡器和低速晶体振荡器等3个时钟源。在系统中需要设计高速晶体振荡器和低速晶体振荡器两部分电路。由MCU主控电路（MSP430主控电路）可以看出，低速晶体振荡器（Y1）满足了低功耗及使用32 kHz晶振的要求。振荡器默认工作在低频模式，即32 kHz，也可以通过外接8 MHz的高速晶体振荡器（Y2）工作在高频模式，它为MSP430工作在高频模式时提供时钟，XT2最高可达8 MHz。
用JTAG接口实现在线仿真，标准的14针JTAG接口，主要连接线有TMS、TCK、TDI、TDO、RST、TEST。内部有若干个寄存器连接到了430的内部数据地址总线上，所以可以用JTAG访问MSP430内部的所有资源，包括对Flash的读写操作。
2.3 电源电路设计
系统中各个模块电路主要采用6 V 的直流电，而GPRS模块采用4.2 V 的直流电供电，因此需要专用的芯片将6V 的电源通过适当的电阻转为3.3 V 的电源。
2.4 GPRS和单片机接口电路
GPRS通信模块选用华为公司的MG323作为GSM收发模块，主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。MG323是一款双频GSM/GPRS 工业级无线模块，支持153.6 kbps下行速率；提供高质量的语音、短信功能，内置TCP/IP协议栈，具有STK/ FTP/ HTTP/ Audio Record/ TTS 等扩展功能，以及华为扩展AT命令集。
MG323模块通过50pin的B2B连接器将SIM卡相关信号引到外部，由用户自行在接口板上放置SIM卡座，SIM卡对应接口定义见表1。
Pin42、Pin44、Pin46、Pin48、Pin50为模块电源管脚，用于给模块内部供电。当模块以最大功率发射时，瞬时电流最大可以达到2 A左右，可能会引起VBAT的电压跌落，模块要求VBAT供电电压最低不能低于3.3 V；Pin41、Pin43、Pin45、Pin47、Pin49为模块电源地管脚。GPR通信电路见图2。
2.5 看门狗电路
看门狗电路是一个可清零的定时计数器，作为一个计时器使用，计数器满产生中断时执行看门狗中断函数。该研究采用基于CD4060的硬件看门狗电路，当看门狗计数溢出，使其重新计数，若程序溢出，看门狗也会溢出，这时程序复位[2]。
2.6 温度测量电路
温度测量传感器采用DS18B20芯片，DS18B20是一种单总线数字测温芯片。DS18B20可以直接将模拟信号转换为数字信号以串行传送给MCU，同时可以传送CRC校验码，提高抗干扰纠错能力。DS18B20 8引脚封装Pin1接地；Pin2 数字信号输入输出，一线输出：源极开路，Pin2脚采集到的温度信息可以传递到MSP430的P4.3口；Pin3电源可选电源管脚。其他管脚不需要接线[3]。 3 水产养殖监控系统软件设计
3.1 GPRS网络接入
GSM手机短信模块实现与计算机终端的数据联系，设计中采用了MSP430单片机和GSM模块MG323实现。MG323通信模块电路由GSM通信电路、GSM软控开关、GSM复位电路和GSM通信指示灯组成；单片机与MG323模块通信通过AT指令。由AT指令进行呼叫、短信、数据业务等控制。AT指令集中有多套指令，包括控制命令控制命令、网络业务命令、安全性命令等。
GPRS与网关GPRS支持节点（GGSN）的PPP建立无线连接，PPP协商成功以后接入移动2G网络，通过GPRS网关获取IP地址，进行Socket端口初始化并且与监控中心服务器端口建立连接，在串口和GPRS模块建立信道以后，系统将温度信息通过串口发送到GPRS 模块，GPRS 模块在把数据压入协议栈后通过GPRS 网络发送给监控中心，待数据发送完毕关闭此Socket，完成通信过程。GPRS通信过程如图3所示。
GPRS 与Internet 的联接主要需要进行通信波特率、接入网关、移动终端类别等设置，其设置都可以通过MG323内置的AT 指令进行设置。MG323模块对外提供一路异步RS-232 UART1（8线全串口）通信接口。UART1支持标准Modem握手信号控制方式，通过UART1接口与外界进行串行通信和AT指令输入。UART1接口信号定义见表2。
DTE（DataTerminalEquipment）为数字终端设备，DCE（DataCircuit-terminatingEquipment）为数字通信设备。DCE一方提供时钟，DTE不提供时钟，但它依靠DCE提供的时钟工作。
例如建立TCP连接步骤如下：
（1）AT+QIOPEN="TCP"，"172.168.80.150"，"8081"//连接一个TCP服务器。地址是172.168.80.150：8081。
（2）OK // 命令语法格式正确并且当前状态可以建立TCP连接。
（3）CONNECT // TCP连接成功，并且串口进入数据模式。
（4）send date information //这一段是从服务器接收到的数据。
（5）OK //序列的返回，说明已经成功返回到命令模式。
3.2 传感器信息测量采集
MSP430的Timer_A是一个16位的定时/计数器。它有3个捕获/比较寄存器；能支持多个时序控制、多个捕获/比较功能和多个PWM输出；有广泛的中断功能，中断可由计数器溢出产生，也可以由捕获/比较寄存器产生。
3.3 低功耗实现
MSP430低功耗主要是在不需要使用CPU的时候让CPU进入休眠状态，待要使用CPU时调用中断来运行CPU。在休眠状态下，关闭外围电路如传感器供电等。
4 结语
该研究设计了一种基于MSP430的GPRS水产养殖监控系统，系统采用MSP430单片机作为主控制模块，具有完善的信息采集系统，结构简单实用；通过GPRS 模块与上位机进行无线通讯，对水产养殖过程实现远程实时监控。同时通过Internet 使管理部门也能在线实时监管，进一步保证水产养殖的规范，有效地抑制养殖过程中水环境出现的问题。该系统不仅能让水产养殖监测工作更方便快捷，而且还能对水产养殖过程自动进行温度调节，保证适宜鱼类和蟹类生长的水环境。
参考文献
[1] 梁锋林，邱兴阳，郑健.基于STC89C52 与GPRS 药品仓储温湿度监控系统[J].齐齐哈尔大学学报，2015（1）：14-17.
[2] 楼平.基于GPRS的无线远程气象数据采集传输系统设计[J].电子测量技术，2012（5）：118-122.
[3] 周鹏.基于STC89C52单片机的温度检测系统设计[J].现代电子技术，2012（35）：10-13.
关键词 水产养殖；GPRS；MSP430 单片机；监控系统
中图分类号 S951.4 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）18-331-02
根据FAO（联合国粮食及农业组织）最新发表的《2006年世界渔业和水产养殖状况》的报道，我国的水产养殖产量已经达到3 100万t，约占世界养殖总产量的70%，养殖产量每年仍以5%的速度增长，是世界上最大的渔业生产国。随着我国水产养殖产量的快速增加，养殖中的深层次问题也日渐暴露，主要表现在水资源污染问题和水产品病害问题。针对水产养殖中遇到的资源、环境、病害等诸多问题，人们普遍认识要发展高效、无公害养殖技术，实现水产养殖的可持续发展，要珍惜十分宝贵的水资源，保护环境，与自然和谐相处，实现水产品的生产从数量型向质量、效益型转变。笔者采用无线传感器网络和GSM网络、变量控制技术、单片机控制组态软件相结合，设计了一种基于MSP430的GPRS水产养殖监控系统，可以更加精细地控制水产养殖过程，得到良好的人机交互，从而更好地进行远程管理。
1 水产养殖监控系统组成
按照《水产养殖水产养殖质量安全管理规定》的要求，水产养殖基地的水环境需要满足水环境要求和养殖水产品药物残留监控的要求，进行定期检查与监控。对水产养殖进行合理的监管，是保证产品质量的关键因素。该研究设计的基于MSP430与GPRS水产养殖监控系统结构见图1。
目前，远程湖面数据的传输主要采用GSM无线网络，通过中国移动公司提供的GSM 2G服务，系统建设周期短，可以省去自身通信网的建设和维护费用，覆盖范围广。GPRS通信通过中国移动SIM 卡，实现经过TCP/IP 传输数据到服务器。
2 水产养殖监控系统硬件设计
2.1 硬件总体框架
水产养殖监控系统的总体结构如图1所示。MCU通过温度、湿度、水质、值传感器采集相应的信息，通过GPRS模块至服务器。
该研究MCU微控制单元主要选择MSP430。MSP430具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富、方便高效的开发环境等特点。MSP430控制芯片工作电压为 1.8～3.6 V，采用双时钟系统；另外MSP430是16位单片机，处理数据更多，更强大，MSP430也具有较丰富的片内外资源，与各传感器、GPRS有很好的接口[1]。
2.2 时钟电路和JTAG接口
MSP430系列单片机时钟模块包括数控振荡器（DCO）、高速晶体振荡器和低速晶体振荡器等3个时钟源。在系统中需要设计高速晶体振荡器和低速晶体振荡器两部分电路。由MCU主控电路（MSP430主控电路）可以看出，低速晶体振荡器（Y1）满足了低功耗及使用32 kHz晶振的要求。振荡器默认工作在低频模式，即32 kHz，也可以通过外接8 MHz的高速晶体振荡器（Y2）工作在高频模式，它为MSP430工作在高频模式时提供时钟，XT2最高可达8 MHz。
用JTAG接口实现在线仿真，标准的14针JTAG接口，主要连接线有TMS、TCK、TDI、TDO、RST、TEST。内部有若干个寄存器连接到了430的内部数据地址总线上，所以可以用JTAG访问MSP430内部的所有资源，包括对Flash的读写操作。
2.3 电源电路设计
系统中各个模块电路主要采用6 V 的直流电，而GPRS模块采用4.2 V 的直流电供电，因此需要专用的芯片将6V 的电源通过适当的电阻转为3.3 V 的电源。
2.4 GPRS和单片机接口电路
GPRS通信模块选用华为公司的MG323作为GSM收发模块，主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。MG323是一款双频GSM/GPRS 工业级无线模块，支持153.6 kbps下行速率；提供高质量的语音、短信功能，内置TCP/IP协议栈，具有STK/ FTP/ HTTP/ Audio Record/ TTS 等扩展功能，以及华为扩展AT命令集。
MG323模块通过50pin的B2B连接器将SIM卡相关信号引到外部，由用户自行在接口板上放置SIM卡座，SIM卡对应接口定义见表1。
Pin42、Pin44、Pin46、Pin48、Pin50为模块电源管脚，用于给模块内部供电。当模块以最大功率发射时，瞬时电流最大可以达到2 A左右，可能会引起VBAT的电压跌落，模块要求VBAT供电电压最低不能低于3.3 V；Pin41、Pin43、Pin45、Pin47、Pin49为模块电源地管脚。GPR通信电路见图2。
2.5 看门狗电路
看门狗电路是一个可清零的定时计数器，作为一个计时器使用，计数器满产生中断时执行看门狗中断函数。该研究采用基于CD4060的硬件看门狗电路，当看门狗计数溢出，使其重新计数，若程序溢出，看门狗也会溢出，这时程序复位[2]。
2.6 温度测量电路
温度测量传感器采用DS18B20芯片，DS18B20是一种单总线数字测温芯片。DS18B20可以直接将模拟信号转换为数字信号以串行传送给MCU，同时可以传送CRC校验码，提高抗干扰纠错能力。DS18B20 8引脚封装Pin1接地；Pin2 数字信号输入输出，一线输出：源极开路，Pin2脚采集到的温度信息可以传递到MSP430的P4.3口；Pin3电源可选电源管脚。其他管脚不需要接线[3]。 3 水产养殖监控系统软件设计
3.1 GPRS网络接入
GSM手机短信模块实现与计算机终端的数据联系，设计中采用了MSP430单片机和GSM模块MG323实现。MG323通信模块电路由GSM通信电路、GSM软控开关、GSM复位电路和GSM通信指示灯组成；单片机与MG323模块通信通过AT指令。由AT指令进行呼叫、短信、数据业务等控制。AT指令集中有多套指令，包括控制命令控制命令、网络业务命令、安全性命令等。
GPRS与网关GPRS支持节点（GGSN）的PPP建立无线连接，PPP协商成功以后接入移动2G网络，通过GPRS网关获取IP地址，进行Socket端口初始化并且与监控中心服务器端口建立连接，在串口和GPRS模块建立信道以后，系统将温度信息通过串口发送到GPRS 模块，GPRS 模块在把数据压入协议栈后通过GPRS 网络发送给监控中心，待数据发送完毕关闭此Socket，完成通信过程。GPRS通信过程如图3所示。
GPRS 与Internet 的联接主要需要进行通信波特率、接入网关、移动终端类别等设置，其设置都可以通过MG323内置的AT 指令进行设置。MG323模块对外提供一路异步RS-232 UART1（8线全串口）通信接口。UART1支持标准Modem握手信号控制方式，通过UART1接口与外界进行串行通信和AT指令输入。UART1接口信号定义见表2。
DTE（DataTerminalEquipment）为数字终端设备，DCE（DataCircuit-terminatingEquipment）为数字通信设备。DCE一方提供时钟，DTE不提供时钟，但它依靠DCE提供的时钟工作。
例如建立TCP连接步骤如下：
（1）AT+QIOPEN="TCP"，"172.168.80.150"，"8081"//连接一个TCP服务器。地址是172.168.80.150：8081。
（2）OK // 命令语法格式正确并且当前状态可以建立TCP连接。
（3）CONNECT // TCP连接成功，并且串口进入数据模式。
（4）send date information //这一段是从服务器接收到的数据。
（5）OK //序列的返回，说明已经成功返回到命令模式。
3.2 传感器信息测量采集
MSP430的Timer_A是一个16位的定时/计数器。它有3个捕获/比较寄存器；能支持多个时序控制、多个捕获/比较功能和多个PWM输出；有广泛的中断功能，中断可由计数器溢出产生，也可以由捕获/比较寄存器产生。
3.3 低功耗实现
MSP430低功耗主要是在不需要使用CPU的时候让CPU进入休眠状态，待要使用CPU时调用中断来运行CPU。在休眠状态下，关闭外围电路如传感器供电等。
4 结语
该研究设计了一种基于MSP430的GPRS水产养殖监控系统，系统采用MSP430单片机作为主控制模块，具有完善的信息采集系统，结构简单实用；通过GPRS 模块与上位机进行无线通讯，对水产养殖过程实现远程实时监控。同时通过Internet 使管理部门也能在线实时监管，进一步保证水产养殖的规范，有效地抑制养殖过程中水环境出现的问题。该系统不仅能让水产养殖监测工作更方便快捷，而且还能对水产养殖过程自动进行温度调节，保证适宜鱼类和蟹类生长的水环境。
参考文献
[1] 梁锋林，邱兴阳，郑健.基于STC89C52 与GPRS 药品仓储温湿度监控系统[J].齐齐哈尔大学学报，2015（1）：14-17.
[2] 楼平.基于GPRS的无线远程气象数据采集传输系统设计[J].电子测量技术，2012（5）：118-122.
[3] 周鹏.基于STC89C52单片机的温度检测系统设计[J].现代电子技术，2012（35）：10-13.