基于光电传感器鱼池监测系统设计*

王 宾

(漳州职业技术学院 福建漳州 363000)

1 研究背景

中国是农业大国，改革开放以来，中国农业的发展发生了翻天覆地的变化，农副产品也不断发展。在众多农副产品中，鱼类作物是比较突出的，在农业发达的地区，农产养殖盛行；在农业欠发达地区，农户围池养鱼现象也随处可见。党的十八大报告中指出“坚持走中国特色新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化道路”，这给智慧农业的发展指明了方向[1]。农业的发展要依托科技、信息等现代化手段，解决生产过程中的难题，实现农业产品的增产增收。但是，中国农业的高速发展伴随着许多问题，环境的破坏、农药泛滥、化肥遍地等都随之而来。这些问题对于生态养殖户会产生较大的影响，特别对于散户来说，一方面农户无法察觉农药、化肥等危害源的产生，另一方面农户不能长时间值守鱼池旁边。文章提出了一种基于光电传感技术的智能监测系统，利用光电检测器探测入射在其上面的光功率，并完成光电信号的转换[2]。当光电传感器技术产生较快发展时，必将为农业、工业等领域的新发展、新进步带来新的动力与活力[3]。

2 监测系统总体设计

文章提出的监测系统总体设计框架如图1所示。

图1 系统框架图

该控制系统通过光电传感器监控检测预设池中鱼苗的动态情况，将数据作为系统后端鱼池主水源供给口通断的切换信号和备用水源启动信号。当检测池中鱼苗的状态发生异常时，发出信号控制系统的切换，并向控制中心发出报警。

系统检测环境异常，当预设鱼池的样本鱼发生异常时，需要人工进行样本鱼的更换，解除异常后恢复系统的运行。

2.1 光电传感器模块

以接受光的信号而将其变换为电气信号为目的而制成之晶体管称为光敏三极管。该设计选用3DU5光敏三极管[4]。把电压施加在集极和射极，光线入射于基极之表面时，受到反偏压之基极、集电极间即有光电流流过，光敏三极管由截止状态切换到导通状态。3DU5光敏三极管的波长特性曲线如图2所示，从特性曲线可以看出该三极管接收红外光，抗干扰性强。

图2 3DU5波长特性曲线

2.2预设鱼池布置

该设计通过预设鱼池中样本鱼的动态检测来判断后端动作，预设鱼池布置如图3所示。

图3 预设鱼池

预设鱼池尺寸20cm×50cm×20cm，在鱼池两侧布置了光电发射管和光电接收管[5]。当鱼池中样本鱼正常游动时，均匀布置的光电检测装置会被部分遮挡，这时说明水源正常，后端无动作；当鱼池中样本鱼由于水质问题死亡，随着水流的作用会集中到下游漂浮，这时所有的光电检测装置都没有被遮挡，后端可以根据这个信号切断主水池的水源供应，启用备用水源，工作人员根据警示信号进行后期处理。

预设鱼池在系统设置中处于环境监测环节，通过光电传感器探测样本鱼的运动状态会存在误判的情况，如鱼群聚集在下游不游动时，会出现检测信号异常，所以要通过软件延时进行误判处理。还需考虑由于水流浑浊情况引起的异常，导致检测信号异常情况，可以增设浑浊度检测装置进行系统的完善。

2.3 光电信号转换电路

光电信号转换电路电气原理如图4所示。

图4 光电信号转换电路

在预设鱼池上布置了3行7列共21个光电检测器，根据检测要求，当样本鱼在池内正常活动时，会形成遮挡；当样本鱼因水质污染出现死亡时，会漂浮集中在下游。据此，对于单路检测电路，本设计通过将光电三极管与电阻串联，进行电压信号的采样，当检测器没有被遮挡时，三极管截止，呈高阻态，采样点为高电平；当检测器被遮挡时，三极管导通，采样点被拉低，输出低电平[6]。共计21路采样信号，通过四2输入与门将采样电平进行逻辑与运算，得到综合输出来控制后端动作。

控制系统同时将对应的7列信号分组传输到单片机控制系统中，通过软件处理把各路信号进行综合分析，关断主水源、启动备用水源需要在综合分析的基础上进行处理，增加了系统检测控制的可靠性。

2.4 控制电路

该设计的控制电路如图5所示。

图5 控制电路

控制电路器件包含9013三极管、继电器[7]和电阻组成，三极管驱动信号来自转换电路的与门输出。当样本鱼正常游动时，综合输出为高电平，9013三极管导通，继电器开关在常闭触点，后端控制电路无动作；反之，综合输出为低电平，9013三极管截止，继电器开关在常开触点，后端控制电路动作，切断主水源，启用备用水源，同时发出报警信号。电路中9013三极管起到电流放大的作用，该三极管控制信号来源于单片机控制系统，考虑到单片机I/O的驱动能力，通过电流放大电路，增强了系统控制的可靠性。

图5中继电器信号送往二位二通电磁换向阀，用来切换水源的通断。

3 软件设计

系统软件设计流程如图6所示。

该系统控制芯片采用AT89S51单片机，这一控制芯片具有可嵌入性、实时控制、灵活选型和容易操控等优点[8-9]。

系统将传感器控制信号进行转换后送入单片机，根据异常信号进行判断处理。当预设鱼池的样本鱼发生异常时，监控室的指示灯发出预警信号，先关断主水源，通过软件控制延时；如果在规定时间内，预设鱼池恢复正常，则可以重新供主水源；否则异常情况严重，切断主水源，启动备用水源，等待人为解除现场异常再恢复系统工作状态。

4结语

文章提出了一种基于光电传感技术鱼池监控系统设计方案，文章从外观布置、系统框图和电路设计原理等方面展开介绍，通过光电传感器将样本鱼的动态情况转换成电气信号，对电气信号进行逻辑与运算，得到综合控制输出；根据此输出利用单片机控制电路进行水源切换，并发出报警。

该设计电路结构简单，通过proteus和keil软件进行仿真验证，软件程序运行对实际情况进行模拟，具有较好的参考意义。系统设计实用，嵌入性强，可以对接其他控制系统联合使用，对智慧农业的发展具有参考意义。