摘  要： 分析了現(xiàn)有人工養(yǎng)殖場(chǎng)工作方式及已有自動(dòng)監(jiān)控水溫和生長(zhǎng)制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)存在的問題，提出了一種成本較低的基于Smith圓圖數(shù)據(jù)的電臺(tái)式數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳接收監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)可以接收幼苗生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù)以及幼苗是否生病等情況的數(shù)據(jù)。養(yǎng)殖漁場(chǎng)環(huán)境以圖像方式保存，當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)便于場(chǎng)主查找原因。采用圖像截取方法僅采集對(duì)識(shí)別有用的圖像信息，降低對(duì)存儲(chǔ)空間及處理速度的要求，用較低成本的處理器替代高成本專用圖像處理器，在硬件采集器中實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖漁場(chǎng)數(shù)據(jù)的識(shí)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有實(shí)用性。
關(guān)鍵詞： 養(yǎng)殖場(chǎng)；控制系統(tǒng)；Smith圓圖

    近年來隨著我國(guó)大力開發(fā)海洋資源的腳步不斷加大、人民生活水平不斷提高，海產(chǎn)品消費(fèi)越來越多，需求量越來越大。但是由于我國(guó)人口眾多，海產(chǎn)品還要源源不斷地向國(guó)外出口，近海幾乎已經(jīng)沒有鮮活產(chǎn)品可捕撈，深海捕魚作業(yè)費(fèi)用昂貴并且有一定的危險(xiǎn)性。由此帶來了近海養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展?，F(xiàn)在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)主要以養(yǎng)海參、鮑魚、植物菜和其他水產(chǎn)類魚苗為主，為了使養(yǎng)殖作物生長(zhǎng)周期短、產(chǎn)品質(zhì)量高，需要經(jīng)常檢測(cè)作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)和水溫等監(jiān)控，目前市場(chǎng)上有兩種自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)投入使用：一種是時(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)[1]，普遍采用脈沖計(jì)數(shù)式，這種方式需帶電工作，易造成停電漏記，并有累計(jì)誤差[2]；一種是IC卡式測(cè)量系統(tǒng)[3]。這種方式需要對(duì)原有水樣、生物樣品進(jìn)行不同時(shí)段現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，投資和工作量大?；赟mith圓圖的現(xiàn)代養(yǎng)殖場(chǎng)系統(tǒng)是遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的一種，屬于真正的遠(yuǎn)程垂直控制工作方式；它不需對(duì)原有水質(zhì)進(jìn)行采樣；在干、濕環(huán)境都可以穩(wěn)定工作；不需要實(shí)時(shí)供電，只是在需要獲取數(shù)據(jù)分析時(shí)才臨時(shí)提供電源，無累計(jì)誤差；獲取的數(shù)據(jù)實(shí)際上就是場(chǎng)主在屏幕上看到的讀數(shù)和圖像，當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)便于場(chǎng)主核對(duì)并尋找原因。
    目前國(guó)內(nèi)已有的方案[4]是利用仿真分析，通過接口電路輸入到自動(dòng)識(shí)別計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行識(shí)別處理。由于傳輸?shù)氖菆D像信息，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理量和存儲(chǔ)量相對(duì)較大，對(duì)硬件要求較高。因此本文提出了另一種方案，該方案采用Smith圓圖控制整個(gè)養(yǎng)殖區(qū)域，通過調(diào)節(jié)阻抗改變信號(hào)發(fā)射頻率以控制遠(yuǎn)近海的范圍大小，采用圖像截取方法僅采集對(duì)數(shù)據(jù)分析有用的圖像信息，大大減少了數(shù)據(jù)的處理量和存儲(chǔ)量，使用低價(jià)位的處理器即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，從而降低了電路成本。
1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用專業(yè)圖像解碼裝置實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場(chǎng)水域環(huán)境圖像的數(shù)字化，利用Freescale公司的MBC13916控制信號(hào)傳輸和接收的靈敏度，進(jìn)而改變阻抗調(diào)節(jié)頻率，調(diào)整覆蓋范圍，最后分析數(shù)據(jù)經(jīng)接口電路輸出識(shí)別結(jié)果。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    本系統(tǒng)的目的在于開發(fā)體積小、成本低的基于Smith圓圖數(shù)據(jù)的電臺(tái)式數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳接收監(jiān)控系統(tǒng)。所以在滿足系統(tǒng)要求的前提下，在器件選擇方面，需要盡可能地減少系統(tǒng)資源的冗余，提高系統(tǒng)的集成度。Freescale公司的MBC13916是一個(gè)集成的LNA，內(nèi)部拓?fù)涫枪采?共基組態(tài)的，可以提供較高的增益，并且S12參數(shù)接近于0，反向泄露非常小。綜合這些情況，在MBC13916芯片前增加一個(gè)簡(jiǎn)單的衰減電路，產(chǎn)生兩級(jí)功率：當(dāng)輸入信號(hào)很弱時(shí)，衰減電路開路，全部信號(hào)進(jìn)入LNA；當(dāng)輸入信號(hào)超過一定強(qiáng)度時(shí)，衰減電路接通，讓很小一部分信號(hào)進(jìn)入LNA。
2 Smith圓圖下系統(tǒng)控制理論設(shè)計(jì)
    考慮輸入/輸出匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)放大器的工作增益的影響:在Smith圓圖上可以畫出一系列的等增益曲線，這些曲線是一系列的圓，稱之為等增益圓，這些圓的中心是增益最高的點(diǎn)，在這個(gè)點(diǎn)上，信號(hào)源和放大器的輸入/輸出阻抗實(shí)現(xiàn)了共軛匹配，此時(shí)數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)可以通過傳感器獲取很多水域的資料(如水溫、生物體的生長(zhǎng)狀態(tài)等)。
    本系統(tǒng)頻段的中心頻率是227 MHz，這個(gè)頻段較窄，因此用中心頻率的特性代替整個(gè)頻段。利用S參數(shù)表插值計(jì)算出227 MHz的S參數(shù)（角度單位是度）：

    最大增益對(duì)應(yīng)的信號(hào)源和負(fù)載反射系數(shù)分別為：
  
    以為中心，在Smith圓圖上繪制一系列的等增益圓，圓圖覆蓋的水域結(jié)果如圖2所示。

    在圖中選定系統(tǒng)控制中心，其最佳的負(fù)載反射系數(shù)即=0.948∠9.4，偏離中心位置，放大器增益將降低，圖中以2 dB為步長(zhǎng)繪制了5個(gè)等增益圓，越遠(yuǎn)離中心的圓，其增益越低，覆蓋的范圍越大，傳輸數(shù)據(jù)需要的時(shí)間越長(zhǎng)，傳感器的靈敏度也越大。
    當(dāng)結(jié)合駐波系數(shù)和噪聲情況時(shí)，綜合確定輸入和輸出匹配阻抗的值，確定需要測(cè)量監(jiān)控的養(yǎng)殖場(chǎng)海域[5]。與此對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)源反射系數(shù)的等增益圓覆蓋的養(yǎng)殖場(chǎng)海域如圖3所示。

    在實(shí)際測(cè)量監(jiān)控的海域范圍內(nèi)，存在一定的噪聲誤差，使得噪聲指數(shù)相等的信號(hào)源反射系數(shù)和負(fù)載反射系數(shù)在Smith圓圖上也形成一個(gè)等噪聲指數(shù)圓，當(dāng)?shù)仍肼曋笖?shù)圓和等增益圓疊加在一起，選擇折中的匹配參數(shù)(平衡增益和噪聲指數(shù)兩個(gè)指標(biāo))，控制中心頻率，準(zhǔn)確定位測(cè)量監(jiān)控的水域。采取線性插值的方法推導(dǎo)出227 MHz參數(shù)的等噪聲系數(shù)圓，如圖4所示。

3 Smith圓圖養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)據(jù)控制接收系統(tǒng)
    MBC13916集電極輸出，通過集電極饋電，因此集電極通常通過一個(gè)電感上拉到電源上。L1和C1、C2構(gòu)成串聯(lián)諧振，旁路鏡像干擾信號(hào)，以免干擾接收機(jī)在180 MHz～188 MHz的頻段構(gòu)成鏡像干擾，因此L1和C1、C2諧振在這個(gè)頻段，C2在一定范圍內(nèi)微調(diào)，以補(bǔ)償各種元件容差導(dǎo)致的頻偏。在223 MHz～231 MHz頻段，L1和C1、C2的并聯(lián)諧振失諧，等效于一個(gè)電感，等效電感和L2、C3、C4構(gòu)成π型匹配網(wǎng)絡(luò)，把50 Ω的天線阻抗匹配到0.643∠36.8，并且具有一定的Q值（Q=7～8比較合適，具有大約30 MHz的帶寬）。C3可以用來微調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)，使其中心頻率等于227 MHz，利于控制水域的調(diào)整。電感作為匹配電路的一部分，根據(jù)上面的計(jì)算，匹配電路需要把負(fù)載匹配到Γ_L=0.95∠9.244，電路如圖5所示。

    10 Ω電阻和104、1 nF電容組成電源濾波和去耦電路，并聯(lián)一個(gè)在227 MHz頻段諧振的電容，避免了227 MHz信號(hào)成分通過電源干擾LNA[6]。當(dāng)把等噪聲系數(shù)圓和Γs的等增益圓繪制在一起時(shí)，可以看出，滿足最大增益的信號(hào)源反射系數(shù)和滿足最小噪聲的信號(hào)源反射系數(shù)并不重疊在一個(gè)點(diǎn)上，因此在兩個(gè)參數(shù)上取折中點(diǎn)。系統(tǒng)的增益比較高，如果噪聲指數(shù)比較低，放大器增益在20 dB以上，整個(gè)系統(tǒng)的噪聲指數(shù)就可以很低，因此使Γs更加趨近噪聲指數(shù)的最小位置。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，通過不同的阻抗參數(shù)轉(zhuǎn)移覆蓋的海域，使誤差最小，并且隨著范圍的移動(dòng)，獲取的圖像數(shù)據(jù)不斷保存，便于場(chǎng)主根據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)分析不同水域的環(huán)境參數(shù)和魚苗的生長(zhǎng)狀況。
    在L1、C1、C2組成π型匹配電路，通過Smith圓圖工具，當(dāng)L1取109.1 mH、C1取3.9 pF、C2=15 pF時(shí)，匹配的Q值約為7.5。但在實(shí)驗(yàn)中，LNA的負(fù)載是混頻器，其輸入阻抗未必是50 Ω，需要使用匹配電路將其匹配到50 Ω，屆時(shí)L1、C1、C2的取值根據(jù)情況作調(diào)整。利用RFSIM99軟件對(duì)這組參數(shù)仿真，信號(hào)輸入端口的反射系數(shù)（灰色曲線）和放大器增益如圖6所示。

    可見在222 MHz～233 MHz范圍內(nèi)，放大器增益超過30 dBm，Smith圓圖控制水域測(cè)量結(jié)果誤差比較大，在184 MHz的位置放大器增益為-7.6 dB，產(chǎn)生了幅度很小的衰減，有用信號(hào)和鏡像頻率之間存在接近40 dB的增益差別，也就是說鏡像抑制比達(dá)到40 dB。此時(shí)的測(cè)量結(jié)果存在誤差。而反向隔離效果非常好，按照RFSIM99的數(shù)據(jù)精度，Smith圓圖幾乎分辨不出S12的值，控制水域測(cè)量結(jié)果精確。特別是202 MHz～210 MHz頻段（本振信號(hào)），S12的值為-59 dB～-67 dB，對(duì)抑制本振信號(hào)通過天線發(fā)射控制養(yǎng)殖場(chǎng)水域范圍有利。
參考文獻(xiàn)
[1] 胡慶紅，陳亞杰，邢罡．遠(yuǎn)傳水表系統(tǒng)在現(xiàn)代化樓宇中的應(yīng)用[J]．控制工程，2005，12(3)：258-259，262.
[2] 陳利芳．智能遠(yuǎn)傳水表及抄表系統(tǒng)的應(yīng)用[J]．中國(guó)水利，2004(15)：62.
[3] 郝桂青.智能水表及幾種智能卡的性能與發(fā)展分析[J].住宅科技，2005(12)：28-31.
[4] 王三武，戴亞文．多指針?biāo)碜詣?dòng)識(shí)別系統(tǒng)[J]．儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，26(11)：1178-1180，1187.
[5] 劉平.圖像分割閾值選取技術(shù)綜述[EB/OL].CSDN技術(shù)中心網(wǎng).
[6] 何斌，馬天予，王運(yùn)堅(jiān)，等．Visual C++數(shù)字圖像處理(第2版)[M]．北京：人民郵電出版社，2004.