摘 要： 分析了现有人工养殖场工作方式及已有自动监控水温和生长制系统">控制系统存在的问题，提出了一种成本较低的基于Smith圆图数据的电台式数据远传接收监控系统的设计方案。该系统可以接收幼苗生长的环境参数以及幼苗是否生病等情况的数据。养殖渔场环境以图像方式保存，当出现问题时便于场主查找原因。采用图像截取方法仅采集对识别有用的图像信息，降低对存储空间及处理速度的要求，用较低成本的处理器替代高成本专用图像处理器，在硬件采集器中实现养殖渔场数据的识别。实验结果表明该系统具有实用性。
关键词： 养殖场；控制系统；Smith圆图
近年来随着我国大力开发海洋资源的脚步不断加大、人民生活水平不断提高，海产品消费越来越多，需求量越来越大。但是由于我国人口众多，海产品还要源源不断地向国外出口，近海几乎已经没有鲜活产品可捕捞，深海捕鱼作业费用昂贵并且有一定的危险性。由此带来了近海养殖业的迅速发展。现在水产养殖业主要以养海参、鲍鱼、植物菜和其他水产类鱼苗为主，为了使养殖作物生长周期短、产品质量高，需要经常检测作物生长环境参数和水温等监控，目前市场上有两种自动检测系统投入使用：一种是时时远传系统[1]，普遍采用脉冲计数式，这种方式需带电工作，易造成停电漏记，并有累计误差[2]；一种是IC卡式测量系统[3]。这种方式需要对原有水样、生物样品进行不同时段现场测量，投资和工作量大。基于Smith圆图的现代养殖场系统是远传数据传输系统的一种，属于真正的远程垂直控制工作方式；它不需对原有水质进行采样；在干、湿环境都可以稳定工作；不需要实时供电，只是在需要获取数据分析时才临时提供电源，无累计误差；获取的数据实际上就是场主在屏幕上看到的读数和图像，当出现问题时便于场主核对并寻找原因。
目前国内已有的方案[4]是利用仿真分析，通过接口电路输入到自动识别计算机系统中进行识别处理。由于传输的是图像信息，系统的数据处理量和存储量相对较大，对硬件要求较高。因此本文提出了另一种方案，该方案采用Smith圆图控制整个养殖区域，通过调节阻抗改变信号发射频率以控制远近海的范围大小，采用图像截取方法仅采集对数据分析有用的图像信息，大大减少了数据的处理量和存储量，使用低价位的处理器即可实现系统功能，从而降低了电路成本。
1 系统整体设计
本系统采用专业图像解码装置实现养殖场水域环境图像的数字化，利用Freescale公司的MBC13916控制信号传输和接收的灵敏度，进而改变阻抗调节频率，调整覆盖范围，最后分析数据经接口电路输出识别结果。系统的总体结构如图1所示。
本系统的目的在于开发体积小、成本低的基于Smith圆图数据的电台式数据远传接收监控系统。所以在满足系统要求的前提下，在器件选择方面，需要尽可能地减少系统资源的冗余，提高系统的集成度。Freescale公司的MBC13916是一个集成的LNA，内部拓扑是共射-共基组态的，可以提供较高的增益，并且S12参数接近于0，反向泄露非常小。综合这些情况，在MBC13916芯片前增加一个简单的衰减电路，产生两级功率：当输入信号很弱时，衰减电路开路，全部信号进入LNA；当输入信号超过一定强度时，衰减电路接通，让很小一部分信号进入LNA。
2 Smith圆图下系统控制理论设计
考虑输入/输出匹配网络对放大器的工作增益的影响:在Smith圆图上可以画出一系列的等增益曲线，这些曲线是一系列的圆，称之为等增益圆，这些圆的中心是增益最高的点，在这个点上，信号源和放大器的输入/输出阻抗实现了共轭匹配，此时数据控制系统可以通过传感器获取很多水域的资料(如水温、生物体的生长状态等)。
本系统频段的中心频率是227 MHz，这个频段较窄，因此用中心频率的特性代替整个频段。利用S参数表插值计算出227 MHz的S参数（角度单位是度）：
最大增益对应的信号源和负载反射系数分别为：
以
为中心，在Smith圆图上绘制一系列的等增益圆，圆图覆盖的水域结果如图2所示。
在图中选定系统控制中心，其最佳的负载反射系数即
=0.948∠9.4，偏离中心位置，放大器增益将降低，图中以2 dB为步长绘制了5个等增益圆，越远离中心的圆，其增益越低，覆盖的范围越大，传输数据需要的时间越长，传感器的灵敏度也越大。
当结合驻波系数和噪声情况时，综合确定输入和输出匹配阻抗的值，确定需要测量监控的养殖场海域[5]。与此对应的输入信号源反射系数的等增益圆覆盖的养殖场海域如图3所示。
在实际测量监控的海域范围内，存在一定的噪声误差，使得噪声指数相等的信号源反射系数和负载反射系数在Smith圆图上也形成一个等噪声指数圆，当等噪声指数圆和等增益圆叠加在一起，选择折中的匹配参数(平衡增益和噪声指数两个指标)，控制中心频率，准确定位测量监控的水域。采取线性插值的方法推导出227 MHz参数的等噪声系数圆，如图4所示。
3 Smith圆图养殖场数据控制接收系统
MBC13916集电极输出，通过集电极馈电，因此集电极通常通过一个电感上拉到电源上。L1和C1、C2构成串联谐振，旁路镜像干扰信号，以免干扰接收机在180 MHz～188 MHz的频段构成镜像干扰，因此L1和C1、C2谐振在这个频段，C2在一定范围内微调，以补偿各种元件容差导致的频偏。在223 MHz～231 MHz频段，L1和C1、C2的并联谐振失谐，等效于一个电感，等效电感和L2、C3、C4构成π型匹配网络，把50 Ω的天线阻抗匹配到0.643∠36.8，并且具有一定的Q值（Q=7～8比较合适，具有大约30 MHz的带宽）。C3可以用来微调匹配网络，使其中心频率等于227 MHz，利于控制水域的调整。电感作为匹配电路的一部分，根据上面的计算，匹配电路需要把负载匹配到ΓL=0.95∠9.244，电路如图5所示。
10 Ω电阻和104、1 nF电容组成电源滤波和去耦电路，并联一个在227 MHz频段谐振的电容，避免了227 MHz信号成分通过电源干扰LNA[6]。当把等噪声系数圆和Γs的等增益圆绘制在一起时，可以看出，满足最大增益的信号源反射系数和满足最小噪声的信号源反射系数并不重叠在一个点上，因此在两个参数上取折中点。系统的增益比较高，如果噪声指数比较低，放大器增益在20 dB以上，整个系统的噪声指数就可以很低，因此使Γs更加趋近噪声指数的最小位置。对于整个系统而言，通过不同的阻抗参数转移覆盖的海域，使误差最小，并且随着范围的移动，获取的图像数据不断保存，便于场主根据存储的数据分析不同水域的环境参数和鱼苗的生长状况。
在L1、C1、C2组成π型匹配电路，通过Smith圆图工具，当L1取109.1 mH、C1取3.9 pF、C2=15 pF时，匹配的Q值约为7.5。但在实验中，LNA的负载是混频器，其输入阻抗未必是50 Ω，需要使用匹配电路将其匹配到50 Ω，届时L1、C1、C2的取值根据情况作调整。利用RFSIM99软件对这组参数仿真，信号输入端口的反射系数（灰色曲线）和放大器增益如图6所示。
可见在222 MHz～233 MHz范围内，放大器增益超过30 dBm，Smith圆图控制水域测量结果误差比较大，在184 MHz的位置放大器增益为-7.6 dB，产生了幅度很小的衰减，有用信号和镜像频率之间存在接近40 dB的增益差别，也就是说镜像抑制比达到40 dB。此时的测量结果存在误差。而反向隔离效果非常好，按照RFSIM99的数据精度，Smith圆图几乎分辨不出S12的值，控制水域测量结果精确。特别是202 MHz～210 MHz频段（本振信号），S12的值为-59 dB～-67 dB，对抑制本振信号通过天线发射控制养殖场水域范围有利。
参考文献
[1] 胡庆红，陈亚杰，邢罡．远传水表系统在现代化楼宇中的应用[J]．控制工程，2005，12(3)：258-259，262.
[2] 陈利芳．智能远传水表及抄表系统的应用[J]．中国水利，2004(15)：62.
[3] 郝桂青.智能水表及几种智能卡的性能与发展分析[J].住宅科技，2005(12)：28-31.
[4] 王三武，戴亚文．多指针水表自动识别系统[J]．仪器仪表学报，2005，26(11)：1178-1180，1187.
[5] 刘平.图像分割阈值选取技术综述[EB/OL].CSDN技术中心网.
[6] 何斌，马天予，王运坚，等．Visual C++数字图像处理(第2版)[M]．北京：人民邮电出版社，2004.