摘 要： 分析了現有人工養殖場工作方式及已有自動監控水溫和生長制系統">控制系統存在的問題，提出了一種成本較低的基于Smith圓圖數據的電臺式數據遠傳接收監控系統的設計方案。該系統可以接收幼苗生長的環境參數以及幼苗是否生病等情況的數據。養殖漁場環境以圖像方式保存，當出現問題時便于場主查找原因。采用圖像截取方法僅采集對識別有用的圖像信息，降低對存儲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，在硬件采集器中實現養殖漁場數據的識別。實驗結果表明該系統具有實用性。
關鍵詞： 養殖場；控制系統；Smith圓圖
近年來隨著我國大力開發海洋資源的腳步不斷加大、人民生活水平不斷提高，海產品消費越來越多，需求量越來越大。但是由于我國人口眾多，海產品還要源源不斷地向國外出口，近海幾乎已經沒有鮮活產品可捕撈，深海捕魚作業費用昂貴并且有一定的危險性。由此帶來了近海養殖業的迅速發展。現在水產養殖業主要以養海參、鮑魚、植物菜和其他水產類魚苗為主，為了使養殖作物生長周期短、產品質量高，需要經常檢測作物生長環境參數和水溫等監控，目前市場上有兩種自動檢測系統投入使用：一種是時時遠傳系統[1]，普遍采用脈沖計數式，這種方式需帶電工作，易造成停電漏記，并有累計誤差[2]；一種是IC卡式測量系統[3]。這種方式需要對原有水樣、生物樣品進行不同時段現場測量，投資和工作量大。基于Smith圓圖的現代養殖場系統是遠傳數據傳輸系統的一種，屬于真正的遠程垂直控制工作方式；它不需對原有水質進行采樣；在干、濕環境都可以穩定工作；不需要實時供電，只是在需要獲取數據分析時才臨時提供電源，無累計誤差；獲取的數據實際上就是場主在屏幕上看到的讀數和圖像，當出現問題時便于場主核對并尋找原因。
目前國內已有的方案[4]是利用仿真分析，通過接口電路輸入到自動識別計算機系統中進行識別處理。由于傳輸的是圖像信息，系統的數據處理量和存儲量相對較大，對硬件要求較高。因此本文提出了另一種方案，該方案采用Smith圓圖控制整個養殖區域，通過調節阻抗改變信號發射頻率以控制遠近海的范圍大小，采用圖像截取方法僅采集對數據分析有用的圖像信息，大大減少了數據的處理量和存儲量，使用低價位的處理器即可實現系統功能，從而降低了電路成本。
1 系統整體設計
本系統采用專業圖像解碼裝置實現養殖場水域環境圖像的數字化，利用Freescale公司的MBC13916控制信號傳輸和接收的靈敏度，進而改變阻抗調節頻率，調整覆蓋范圍，最后分析數據經接口電路輸出識別結果。系統的總體結構如圖1所示。
本系統的目的在于開發體積小、成本低的基于Smith圓圖數據的電臺式數據遠傳接收監控系統。所以在滿足系統要求的前提下，在器件選擇方面，需要盡可能地減少系統資源的冗余，提高系統的集成度。Freescale公司的MBC13916是一個集成的LNA，內部拓撲是共射-共基組態的，可以提供較高的增益，并且S12參數接近于0，反向泄露非常小。綜合這些情況，在MBC13916芯片前增加一個簡單的衰減電路，產生兩級功率：當輸入信號很弱時，衰減電路開路，全部信號進入LNA；當輸入信號超過一定強度時，衰減電路接通，讓很小一部分信號進入LNA。
2 Smith圓圖下系統控制理論設計
考慮輸入/輸出匹配網絡對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，在這個點上，信號源和放大器的輸入/輸出阻抗實現了共軛匹配，此時數據控制系統可以通過傳感器獲取很多水域的資料(如水溫、生物體的生長狀態等)。
本系統頻段的中心頻率是227 MHz，這個頻段較窄，因此用中心頻率的特性代替整個頻段。利用S參數表插值計算出227 MHz的S參數（角度單位是度）：
最大增益對應的信號源和負載反射系數分別為：
以
為中心，在Smith圓圖上繪制一系列的等增益圓，圓圖覆蓋的水域結果如圖2所示。
在圖中選定系統控制中心，其最佳的負載反射系數即
=0.948∠9.4，偏離中心位置，放大器增益將降低，圖中以2 dB為步長繪制了5個等增益圓，越遠離中心的圓，其增益越低，覆蓋的范圍越大，傳輸數據需要的時間越長，傳感器的靈敏度也越大。
當結合駐波系數和噪聲情況時，綜合確定輸入和輸出匹配阻抗的值，確定需要測量監控的養殖場海域[5]。與此對應的輸入信號源反射系數的等增益圓覆蓋的養殖場海域如圖3所示。
在實際測量監控的海域范圍內，存在一定的噪聲誤差，使得噪聲指數相等的信號源反射系數和負載反射系數在Smith圓圖上也形成一個等噪聲指數圓，當等噪聲指數圓和等增益圓疊加在一起，選擇折中的匹配參數(平衡增益和噪聲指數兩個指標)，控制中心頻率，準確定位測量監控的水域。采取線性插值的方法推導出227 MHz參數的等噪聲系數圓，如圖4所示。
3 Smith圓圖養殖場數據控制接收系統
MBC13916集電極輸出，通過集電極饋電，因此集電極通常通過一個電感上拉到電源上。L1和C1、C2構成串聯諧振，旁路鏡像干擾信號，以免干擾接收機在180 MHz～188 MHz的頻段構成鏡像干擾，因此L1和C1、C2諧振在這個頻段，C2在一定范圍內微調，以補償各種元件容差導致的頻偏。在223 MHz～231 MHz頻段，L1和C1、C2的并聯諧振失諧，等效于一個電感，等效電感和L2、C3、C4構成π型匹配網絡，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可以用來微調匹配網絡，使其中心頻率等于227 MHz，利于控制水域的調整。電感作為匹配電路的一部分，根據上面的計算，匹配電路需要把負載匹配到ΓL=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，并聯一個在227 MHz頻段諧振的電容，避免了227 MHz信號成分通過電源干擾LNA[6]。當把等噪聲系數圓和Γs的等增益圓繪制在一起時，可以看出，滿足最大增益的信號源反射系數和滿足最小噪聲的信號源反射系數并不重疊在一個點上，因此在兩個參數上取折中點。系統的增益比較高，如果噪聲指數比較低，放大器增益在20 dB以上，整個系統的噪聲指數就可以很低，因此使Γs更加趨近噪聲指數的最小位置。對于整個系統而言，通過不同的阻抗參數轉移覆蓋的海域，使誤差最小，并且隨著范圍的移動，獲取的圖像數據不斷保存，便于場主根據存儲的數據分析不同水域的環境參數和魚苗的生長狀況。
在L1、C1、C2組成π型匹配電路，通過Smith圓圖工具，當L1取109.1 mH、C1取3.9 pF、C2=15 pF時，匹配的Q值約為7.5。但在實驗中，LNA的負載是混頻器，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L1、C1、C2的取值根據情況作調整。利用RFSIM99軟件對這組參數仿真，信號輸入端口的反射系數（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，放大器增益超過30 dBm，Smith圓圖控制水域測量結果誤差比較大，在184 MHz的位置放大器增益為-7.6 dB，產生了幅度很小的衰減，有用信號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到40 dB。此時的測量結果存在誤差。而反向隔離效果非常好，按照RFSIM99的數據精度，Smith圓圖幾乎分辨不出S12的值，控制水域測量結果精確。特別是202 MHz～210 MHz頻段（本振信號），S12的值為-59 dB～-67 dB，對抑制本振信號通過天線發射控制養殖場水域范圍有利。
參考文獻
[1] 胡慶紅，陳亞杰，邢罡．遠傳水表系統在現代化樓宇中的應用[J]．控制工程，2005，12(3)：258-259，262.
[2] 陳利芳．智能遠傳水表及抄表系統的應用[J]．中國水利，2004(15)：62.
[3] 郝桂青.智能水表及幾種智能卡的性能與發展分析[J].住宅科技，2005(12)：28-31.
[4] 王三武，戴亞文．多指針水表自動識別系統[J]．儀器儀表學報，2005，26(11)：1178-1180，1187.
[5] 劉平.圖像分割閾值選取技術綜述[EB/OL].CSDN技術中心網.
[6] 何斌，馬天予，王運堅，等．Visual C++數字圖像處理(第2版)[M]．北京：人民郵電出版社，2004.