基于多傳感器的牙鲆魚養(yǎng)殖遠程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

唐博 李密生 李警波 吳菲

摘?要：為改善牙鲆（Paralichthys olivaceus）養(yǎng)殖中水質(zhì)管理這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，基于多傳感器技術(shù)，設(shè)計一種遠程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)底層硬件為STM32F103RCT6單片機模塊，集合pH傳感器、溶解氧傳感器、溫度傳感器、濁度傳感器等完成養(yǎng)殖池內(nèi)的數(shù)據(jù)采集工作，采用LoRa技術(shù)作為無線傳輸模塊，數(shù)據(jù)由傳輸模塊到達上位機，實現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集，系統(tǒng)可以完成實時監(jiān)測和歷史數(shù)據(jù)查詢，為養(yǎng)殖戶節(jié)省大量人工和時間成本。

關(guān)鍵詞：牙鲆（Paralichthys olivaceus）;養(yǎng)殖;水質(zhì)監(jiān)測;傳感器;LoRa

牙鲆（Paralichthys olivaceus）為比目魚類， 屬鰈形目，鲆科，牙鲆屬， 其肉質(zhì)細嫩、味道鮮美， 且生長快、市場價格高，是我國近海常見魚類， 也是一種優(yōu)良的海水養(yǎng)殖品種[1]。近些年我國海洋工業(yè)蓬勃發(fā)展，間接引起了氣候變暖和海水污染，尤其是近海灣一帶的海水質(zhì)量下降，這對海水養(yǎng)殖業(yè)造成了巨大的影響。隨著牙鲆養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展， 集約化程度越來越高， 導致病害頻繁發(fā)生。同野生魚養(yǎng)殖不同的是，牙鲆的人工養(yǎng)殖完全依賴海水質(zhì)量，海水污染就衍生出許多生物疾病，水質(zhì)不良會間接影響濁度、溶氧量等水質(zhì)基數(shù)的改變，從而給予細菌良好的繁殖條件，造成細菌病爆發(fā)和大量牙鲆死亡，影響?zhàn)B殖產(chǎn)量。因此，養(yǎng)殖環(huán)境的水質(zhì)監(jiān)測顯得尤為重要，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可以使養(yǎng)殖戶更加直觀地了解養(yǎng)殖環(huán)境的情況，從而做好人工干預，防止疾病的爆發(fā)，保證養(yǎng)殖的產(chǎn)量和質(zhì)量。

根據(jù)以往牙鲆魚養(yǎng)殖經(jīng)驗，海水溫度14～23 ℃最適宜牙鲆的生長，我國漁業(yè)水質(zhì)標準規(guī)定海水養(yǎng)殖水體pH值為7.0～8.5，池塘水質(zhì)酸堿度過高或過低都對水生動物產(chǎn)生不利影響，非離子氨氮含量應(yīng)不超過0.02 mg/L，溶解氧含量為連續(xù)24小時中，16小時以上必須大于5 mg/L，其余任何時候不得低于3 mg/L[2]。傳統(tǒng)的水質(zhì)測量為人工采集，耗時長、精確率低，水質(zhì)數(shù)據(jù)受很多不可抗因素影響。因此只有實時水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)才能滿足養(yǎng)殖需求，通過24小時的實時數(shù)據(jù)反饋，使養(yǎng)殖戶做好水體控制和疾病的防范。

1?系統(tǒng)總體架構(gòu)

平臺主要由環(huán)境數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)傳輸處理和系統(tǒng)平臺三個部分組成。水質(zhì)監(jiān)測部分以STM32傳感器為設(shè)計核心，多種傳感器組合搭建，檢測裝置主要包括溫度傳感器、pH傳感器、溶氧量傳感器、濁度傳感器等，數(shù)據(jù)通過串口總線傳送給主控芯片。數(shù)據(jù)傳輸部分采用LoRa協(xié)議搭建網(wǎng)絡(luò)節(jié)點環(huán)境，為實現(xiàn)大范圍、全天候的水質(zhì)監(jiān)測，通信距離是需要重點考慮的因素，綜合以上分析可知，使用LoRa技術(shù)組網(wǎng)時不依賴運營商，在沒有信號的郊區(qū)也能有穩(wěn)定的通信效果，這樣便于實現(xiàn)遠程這一設(shè)計目標[3]。軟件平臺可以提供實時的水質(zhì)數(shù)據(jù)和可視化的數(shù)據(jù)變化，為養(yǎng)殖決策提供理論基礎(chǔ)。水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2?各模塊及原理

2.1?水體監(jiān)測模塊及原理

2.1.1?水溫檢測?水溫是牙鲆致病的關(guān)鍵因素，水溫的變動會間接影響到水體的其他因素。水體溫度測量采用的是DS18B20溫度傳感器，它的測量范圍是-55～115℃，測量精度為±0.1℃。它的接口方式為單總線方式，由于它獨特的接口方式，可以使傳感器與微處理器連接時實現(xiàn)單線即可完成雙向通訊的操作，提高了抗干擾的性能。水溫傳感器主要通過電阻和熱電偶的變化，將得到的變化量轉(zhuǎn)換為電壓信號或者電流，電信號通過最后的放大和調(diào)整得到最終的數(shù)據(jù)從而起到溫度測量的目的[4]。

2.1.2?pH值檢測?pH值反映了海水水體的酸堿程度，同淡水不同的是，海水鹽度更高，長時間浸泡容易使傳感器腐蝕損壞。pH檢測模塊選用DPS-600C數(shù)字式傳感器，整體為防水設(shè)計，可以在海水的高腐蝕性環(huán)境中進行測量，測量范圍為0～14 pH，pH精度為±0.02 pH。傳感器主要依靠探頭部分對水體中的氫離子濃度進行測量，氫離子在水體中運動所產(chǎn)生離子偏差，通過玻璃復合電極原理，使玻璃膜與待測水體發(fā)生氫離子交換，從而產(chǎn)生電位差來確定溶液的pH值[5]。

2.1.3?溶解氧檢測?水體溶解氧指的就是水中氧分子的含量，溶解氧不僅關(guān)系魚類的正常生長，還關(guān)系著水質(zhì)自身的調(diào)節(jié)情況。溶解氧傳感器以膜傳感器為主，傳感器由陰陽兩個電極和氯化鉀或氫氧化鉀電解液組成，氧分子由膜進入電解液，通過施加電壓，與陰陽兩極發(fā)生化學反應(yīng)，電子由陰極釋放由陽極接受從而形成回路產(chǎn)生電流，通過測量電流的變化完成溶解氧含量的測量[6]。本系統(tǒng)采用測量范圍為0～20 mg/L，精度為±2%FS的DOS-600數(shù)字式溶解氧傳感器。

2.1.4?鹽度檢測?海水鹽度對于牙鲆的生長和存活率有著顯著的影響，牙鲆為廣鹽性魚類，不同時期的牙鲆對于鹽度的需求相差很大[7]，所以對于鹽度的測量就有較高要求，普通的實驗室檢測無法滿足牙鲆的實時檢測需求。本系統(tǒng)采用DSS-600鹽度傳感器，測量范圍為0～50 ppt，精度為±2%，鹽度傳感器通過測量溶液的導電率性來確定它的鹽分。

2.1.5?濁度檢測?水體渾濁為細菌的滋生提供了有利條件，養(yǎng)殖水體中的濁物多是泥沙、食料殘渣、排泄物和微生物等，濁度傳感器是依靠光線在水中的折射程度來判定水中濁度的大小[8]，系統(tǒng)采用DTS-600濁度傳感器，此傳感器通過散射光測定法測量濁度，較其他的測量方法范圍更廣，更適合于大型養(yǎng)殖池內(nèi)。

2.1.6?氨氮檢測?水體中的氨氮含量越高對于魚的毒性越強，中毒魚會出現(xiàn)生長緩慢，攝食減少等情況，本系統(tǒng)采用ANB-300氨氮傳感器，傳感器測量范圍是0～10 mg/L，輸出方式采用RS-485ModbusRTU標準協(xié)議，傳感器通過銨離子電極來測定溶液中的銨離子濃度，電信號傳送到主板完成氨氮的監(jiān)測工作。

2.1.7?亞硝酸鹽檢測?亞硝酸鹽是自然界中最普遍的含氮化合物，也是養(yǎng)殖水體中最常見的有毒有害物之一，亞硝酸鹽中毒可引起魚類的大量死亡，嚴重影響產(chǎn)量。本系統(tǒng)采用EVYXS21D數(shù)字型亞硝酸鹽傳感器，測量范圍為0.1～10 000 mg/L。測量原理為離子電離法，亞硝酸鹽會在電極表面發(fā)生氯化反應(yīng)從而釋放電子，電極收集電子產(chǎn)生電流，再將電流轉(zhuǎn)換為電信號輸出由主板接受，由此完成亞硝酸鹽的檢測。

2.2?STM32芯片處理模塊

STM32是ARM系列處理器中具有低功耗、低電壓、高性能等特點的32位閃存微控制器，它不僅開發(fā)成本低廉，而且具有高集成度和開發(fā)簡易的優(yōu)點。本系統(tǒng)采用的是基于ARM公司的CortexTM-M3內(nèi)核的STM32F1系列微控制器， STM32F1系列微控制器在低功耗狀態(tài)時最低消耗僅為36 mA的電流，串口設(shè)置豐富，0等待狀態(tài)內(nèi)存訪問時的最大頻率為72 MHz，性能為1.25 DMIPS /MHz，STM32F1系列微控制器所具備的一流外設(shè)和高性能，可以滿足水質(zhì)實時監(jiān)測等功能。除溫度傳感器采用模擬量輸出模塊，其他傳感器的數(shù)據(jù)輸出均采用485通訊接口和Modbus 協(xié)議進行輸出，Modbus 協(xié)議可以提供穩(wěn)定傳輸和遠距離傳輸，更適用于本系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸需要。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.3?數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸采用AS32-TTL-100無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，模塊采用SX1278為主芯片，芯片由8個上行信道和一個下行信道構(gòu)成，LoRa擴頻傳輸，TTL電平輸出，兼容3.3 V與5 V的IO口電壓。通過LoRa擴頻使模塊具有更遠的通信距離，通信距離最遠可以到達15 km[9]。模塊具有四種工作模式，可以在運行時根據(jù)需要進行切換。在低電量需求時，可以采用省電模式，電流的消耗量僅為幾十μA。AS32的工作頻率為410～441 MHz，共由32個信道組成，信道之間的間隔為1 M，串路的波特率、收發(fā)頻率、發(fā)射功率等各個參數(shù)都可以進行修改。

3?系統(tǒng)設(shè)計

牙鲆魚養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)由三個功能模塊構(gòu)成，分別是系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)查詢和實時顯示，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。系統(tǒng)管理部分主要職能是對使用系統(tǒng)的用戶進行管理，包括用戶登錄以及用戶對數(shù)據(jù)的管理和獲取。用戶登錄系統(tǒng)后便可以進行數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)顯示等功能，通過數(shù)據(jù)查詢功能，用戶不僅可以看到以往的歷史數(shù)據(jù)，還可以對實時數(shù)據(jù)進行觀測，數(shù)據(jù)顯示方式也可以分為數(shù)值顯示和可視化圖表顯示，使用戶能更直觀地看到數(shù)據(jù)的變化，并對數(shù)據(jù)進行分析，以便對牙鲆養(yǎng)殖進行水體控制和疾病預防。

4?基于多傳感器的牙鲆魚養(yǎng)殖遠程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢

基于多傳感器的牙鲆養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)于2020年4月至5月中旬在秦皇島市某水產(chǎn)養(yǎng)殖基地的牙鲆魚養(yǎng)殖池內(nèi)進行測試，結(jié)果顯示，通過實時監(jiān)測可以隨時了解到養(yǎng)殖池的水質(zhì)變化，養(yǎng)殖戶可以最快速地進行疾病的預防，從而提高養(yǎng)殖的質(zhì)量和產(chǎn)量。該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測水質(zhì)情況，操作簡便，監(jiān)測數(shù)據(jù)快速精準，使養(yǎng)殖人員能及時采取預防措施，避免養(yǎng)殖發(fā)生病害風險。系統(tǒng)總體維護方便，傳感器設(shè)計靈活，可以隨著養(yǎng)殖需要進行拓展。與其他相關(guān)系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)采用LoRa協(xié)議搭建網(wǎng)絡(luò)節(jié)點環(huán)境，可以提供更遠距離的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速度快且更加穩(wěn)定，系統(tǒng)以STM32F103RCT6為開發(fā)主板，集成度更高串口設(shè)計更靈活，系統(tǒng)具有可視化功能，與傳統(tǒng)的數(shù)值顯示相比，數(shù)據(jù)獲取更直觀，使養(yǎng)殖人員能夠更加方便地獲取數(shù)據(jù)變化從而進行決策。

5?結(jié)語

本文針對牙鲆養(yǎng)殖環(huán)境檢測的情況設(shè)計了以多傳感器為基礎(chǔ)，采用LoRa技術(shù)作為無線傳輸模塊，STM32F103RCT6單片機為牙鲆養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)了對牙鲆養(yǎng)殖環(huán)境的數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)采用三層體系結(jié)構(gòu)，針對不同層次進行了相應(yīng)的硬件和軟件的設(shè)計，解決了數(shù)據(jù)的遠程傳輸和數(shù)據(jù)時效性等問題，整個系統(tǒng)耗電低，功能強大，可擴展性強，可以滿足海水養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)的采集需求，大大節(jié)省了人工消耗和時間投入，相對于傳統(tǒng)的人工數(shù)據(jù)采集，本系統(tǒng)精度高，效率快，可以減少因水質(zhì)數(shù)據(jù)不清晰而導致的牙鲆病害，從而保障了養(yǎng)殖產(chǎn)量和收益，降低了病害風險，在牙鲆養(yǎng)殖領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]

黃麗莎，紀榮興.牙鲆一種細菌性疾病病原菌的研究[J].科學養(yǎng)魚，2013（06）：54-55.

[2] 陶秉春，李秀梅，胡金城，等.腹脹病牙鲆的組織病理學研究[C].//中國水產(chǎn)學會.2007年全國海水健康養(yǎng)殖與水產(chǎn)品質(zhì)量安全學術(shù)研討會論文集.2006：347-353.

[3] 趙靜， 蘇光添. LoRa無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析 [J]. 移動通信， 2016（21）：50-57.

[4] 黃志勇，吳世欽，周世超.基于單片機的鰻魚養(yǎng)殖水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)[J].福建師大福清分校學報，2019（02）：56-64.

[5] 李一峰，樊海紅.基于無線傳感器的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（24）：59-60.

[6] 叱嬋娟，陳忠孝，秦剛，等.多傳感器智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)， 2018（9）：97-101.

[7] 楊學宋，孫瑞曉，孫壽科，等.漠斑牙鲆幼魚和成魚對鹽度的耐受力試驗[J].齊魯漁業(yè)，2006（02）：5-7.

[8] 許航，謝小輝，胡攀.多傳感器無線智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].科學與財富，2014（11）：287-288.

[9] 袁超.基于LoRa的遠距離無線通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].華中科技大學，2017.

（收稿日期：2020-05-22;修回日期：2020-06-17）