面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的水體鹽度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧瀟陽(yáng)，徐志宇,2

(1.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804;2.同濟(jì)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)國(guó)家級(jí)試驗(yàn)教學(xué)示范中心，上海 201804)

0 引言

我國(guó)對(duì)于海產(chǎn)品種類與數(shù)目的需求不斷增長(zhǎng)。但由于沿海地區(qū)的過(guò)度捕撈，海水污染的影響，以及新時(shí)代可持續(xù)發(fā)展的要求，海水魚的捕撈量日益下降。與此同時(shí)，而海水魚的養(yǎng)殖規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大。人工養(yǎng)殖需要保證水質(zhì)適于海水魚生存，而鹽度值對(duì)于海水魚較為重要。用數(shù)字化的方式進(jìn)行鹽度監(jiān)測(cè)對(duì)于海水魚的養(yǎng)殖與管理具有重要意義。

目前，溶液濃度測(cè)量主要有滴定法、分光光度計(jì)法、比重計(jì)法、旋光度法、電導(dǎo)法等。數(shù)字化的鹽度測(cè)量?jī)x器體積較大，使用較為復(fù)雜，因此希望采用更為簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了一種使用電容式傳感器的稻谷含水率檢測(cè)裝置。該文獻(xiàn)利用稻谷介電常數(shù)受其含水率影響的原理，在樣品不同含水率時(shí)用傳感器測(cè)量出電容，確定稻谷含水率與電容的關(guān)系曲線，并綜合溫度特性試驗(yàn)完成傳感器標(biāo)定，取得了良好的含水率測(cè)量結(jié)果。

本設(shè)計(jì)參考利用介電常數(shù)變化進(jìn)行測(cè)量的思路[2-4]，以固定間距的電極板作為測(cè)量探頭；使用FDC2214芯片測(cè)量不同鹽濃度值下的電容值并標(biāo)定電容-鹽濃度曲線，利用標(biāo)定的曲線測(cè)量實(shí)際水體鹽濃度[5]；使用樹莓派將測(cè)量值作為數(shù)據(jù)流上傳至云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水體鹽度監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本設(shè)計(jì)測(cè)量水體鹽度，并通過(guò)云平臺(tái)配置，使得用戶能夠在移動(dòng)終端查看水體鹽度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架圖

系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量部分包括FDC2214電容測(cè)量模塊和一對(duì)固定間距電極板組成的探頭。測(cè)量時(shí)，探頭進(jìn)入溶液中，液體填充兩塊極板的中間部分，作為電容的介質(zhì)。電極板與液體構(gòu)成的電容接入FDC2214模塊的測(cè)量電路中。該模塊將測(cè)量該電容值，并將讀取值存入FDC2214芯片的寄存器，以便下位機(jī)讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)一步處理。

系統(tǒng)的下位機(jī)應(yīng)兼有控制FDC2214模塊與網(wǎng)絡(luò)通信的功能。因此，下位機(jī)選擇了樹莓派3B+，并選用Nokia5110作為輸出顯示。樹莓派通過(guò)I2C與FDC2214模塊通信，讀取存儲(chǔ)在FDC2214寄存器中的測(cè)量值，并利用技術(shù)手冊(cè)中提供的轉(zhuǎn)化公式將該測(cè)量值轉(zhuǎn)化為實(shí)際電容值。通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)得到電容-鹽度擬合曲線后，樹莓派使用該曲線的函數(shù)將電容值轉(zhuǎn)化為水體的鹽濃度值，將該值輸出在顯示屏上，并將濃度值作為數(shù)據(jù)流上傳云平臺(tái)。

云平臺(tái)使用了中國(guó)移動(dòng)OneNET平臺(tái)。云平臺(tái)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的。利用該平臺(tái)的應(yīng)用程序接口(application programming interface,API)，實(shí)現(xiàn)了水體鹽度的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)告警功能。觸發(fā)器將在水體鹽度超過(guò)閾值時(shí)以電子郵件形式向個(gè)人用戶告警；此外，個(gè)人用戶還能夠通過(guò)移動(dòng)終端查看實(shí)時(shí)的水體鹽度值。云平臺(tái)能夠存儲(chǔ)一部分近期濃度記錄值，對(duì)水體鹽濃度分析有一定的作用。

2 智能終端設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量探頭

本設(shè)計(jì)中，測(cè)量探頭選擇接觸式的測(cè)量方式。為避免測(cè)量過(guò)程對(duì)溶液本身造成影響，選用石墨電極制作為測(cè)量探頭電極板。石墨電極具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，也能夠避免極板銹蝕引起的誤差、延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命與維護(hù)成本。本設(shè)計(jì)中，測(cè)量探頭由一對(duì)正對(duì)的電極板構(gòu)成，兩片極板間用木棒支撐，從而在極板間留出一片空腔。測(cè)量時(shí)溶液將進(jìn)入兩極板間的空腔內(nèi)，作為極板間介質(zhì)。溶液介電常數(shù)的變化量將引起探頭電容的變化[6]，電極板的面積越大，極板間距越小，測(cè)量靈敏度越高。綜合試驗(yàn)條件、實(shí)際使用情況等因素，本設(shè)計(jì)將電極板大小設(shè)計(jì)為30 mm×30 mm，極板間距3 mm。

2.2 樹莓派與Nokia5110配置

在本設(shè)計(jì)中，樹莓派使用Raspbian系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)[7]。樹莓派作為下位機(jī)，在python環(huán)境下設(shè)計(jì)完成了數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理、上傳數(shù)據(jù)流至云平臺(tái)等功能。此外，希望系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量端具有實(shí)時(shí)輸出測(cè)量值的能力[8-9]。由于輸出內(nèi)容較為簡(jiǎn)單，選用了一款功能單一、成本較低的LCD顯示屏Nokia5110。

在樹莓派的設(shè)置方面，使用樹莓派自帶的I2C接口，通過(guò)樹莓派直接配置了FDC2214的寄存器，控制該模塊進(jìn)行測(cè)量并讀取測(cè)量結(jié)果；在樹莓派的程序中，輸入了電容-鹽濃度轉(zhuǎn)換函數(shù)，樹莓派讀取測(cè)量值后直接用該函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并計(jì)算鹽濃度值[10]；樹莓派還將濃度值作為數(shù)據(jù)流向云平臺(tái)上傳。這一過(guò)程通過(guò)樹莓派中的Requests庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。Requests庫(kù)是一種采用Apache2 Licensed開源協(xié)議的HTTP庫(kù)。通過(guò)調(diào)用Requests庫(kù)，能夠方便、快捷地將數(shù)據(jù)流通過(guò)HTTP協(xié)議上傳特定參數(shù)至云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的云監(jiān)測(cè)[11-13]。樹莓派中寫入了Nokia5110的驅(qū)動(dòng)程序，完成電容-鹽濃度轉(zhuǎn)換后即調(diào)用顯示屏驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒃撝递敵鲈贜okia5110顯示屏上，顯示內(nèi)容包括測(cè)量值以及當(dāng)前時(shí)間。

2.3 FDC2214芯片配置

FDC2214芯片是一個(gè)具有28位精度的12腳芯片，共有四個(gè)測(cè)量通道。每個(gè)測(cè)量通道使用前都需要設(shè)計(jì)諧振腔。諧振腔的電容電感參數(shù)可以自由選擇，本設(shè)計(jì)選用的測(cè)量模塊將18 μH的電感與33 pF的電容構(gòu)成一個(gè)通道的諧振電路，并接入40 MHz外接晶振。

配置FDC2214芯片寄存器，使其每10 ms讀取一次測(cè)量值，通道穩(wěn)定時(shí)間設(shè)為4 μs；選用外接晶振，使用通道0在單端模式下進(jìn)行電容測(cè)量。測(cè)量完成后，F(xiàn)DC2214芯片將測(cè)得的、與頻率有關(guān)的返回值存儲(chǔ)在寄存器，通過(guò)轉(zhuǎn)換公式計(jì)算出實(shí)際電容值。

3 云平臺(tái)的配置

3.1 OneNET平臺(tái)基本配置

OneNET是一種多個(gè)領(lǐng)域開放的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)。本設(shè)計(jì)使用該平臺(tái)接收數(shù)據(jù)流并完成簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理工作[14]。在OneNET平臺(tái)取得分配的 APIkey，用于接入云平臺(tái)時(shí)的安全鑒權(quán)，選擇HTTP協(xié)議簡(jiǎn)單地傳輸濃度數(shù)據(jù)流。完成基本配置后，可對(duì)數(shù)據(jù)上傳功能進(jìn)行可視化配置，準(zhǔn)備將樹莓派所測(cè)得的數(shù)據(jù)上傳。

3.2 數(shù)據(jù)上傳及其可視化

OneNET云平臺(tái)提供了幾種現(xiàn)成的圖表樣式以供選擇。用戶能夠自定義幾種給定的圖表外觀。

本設(shè)計(jì)為反映水體鹽度的變化情況，選擇折線圖反映濃度測(cè)量情況，刷新頻率設(shè)定為5 s。水體鹽濃度折線如圖2所示。

圖2 水體鹽濃度折線圖

圖2能夠反映一段時(shí)間內(nèi)的鹽度變化情況，在每一點(diǎn)處標(biāo)明測(cè)量值，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要，但不適用于對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析。

3.3 觸發(fā)器設(shè)置

在OneNET云平臺(tái)中，設(shè)置了兩個(gè)觸發(fā)器對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行監(jiān)控。觸發(fā)器將在數(shù)據(jù)流達(dá)到預(yù)設(shè)條件時(shí)發(fā)送告警信息。本設(shè)計(jì)共設(shè)置了兩個(gè)觸發(fā)器，觸發(fā)器綁定數(shù)據(jù)流均為濃度。“Excessive”觸發(fā)器在濃度值大于0.038 g/mL時(shí)觸發(fā)，“Insufficient”觸發(fā)器在濃度值低于0.021 9 g/mL時(shí)觸發(fā)。本設(shè)計(jì)采用電子郵件接收該觸發(fā)器的告警信息。電子郵件中將說(shuō)明觸發(fā)器觸發(fā)類型、觸發(fā)時(shí)間以及觸發(fā)值。用戶可在任意能夠接收電子郵件的移動(dòng)端獲取觸發(fā)器上報(bào)的信息，在水體鹽濃度異常時(shí)及時(shí)作出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了濃度監(jiān)測(cè)自動(dòng)告警。

4 標(biāo)定與測(cè)量試驗(yàn)

4.1 電容-鹽濃度曲線標(biāo)定試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用市面上一種固定成分配比的人工海鹽配置不同濃度的鹽溶液。人工海水按照鹽度26配比時(shí)，適用于海水魚養(yǎng)殖的環(huán)境。為方便試驗(yàn)，將該值換算為濃度值0.032 g/mL。實(shí)際使用中水體鹽濃度大部分時(shí)間在該值附近。為保證傳感器在該濃度值附近測(cè)量的準(zhǔn)確性，在該濃度值附近選擇了15個(gè)濃度值點(diǎn)進(jìn)行電容-鹽濃度曲線標(biāo)定。電容-鹽濃度散點(diǎn)如圖3所示。

圖3 電容-鹽濃度散點(diǎn)圖

根據(jù)圖3，將電容值作為自變量，水體鹽濃度值作為因變量進(jìn)行函數(shù)擬合。在擬合方法上選擇多種方法進(jìn)行了嘗試，最終選擇了一階多項(xiàng)式擬合結(jié)果作為電容-鹽濃度曲線。

4.2 水體鹽濃度測(cè)量試驗(yàn)

水體鹽濃度測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖4 水體鹽濃度測(cè)量結(jié)果

本試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證傳感器鹽濃度測(cè)量的準(zhǔn)確性，同時(shí)初步計(jì)算傳感器的靜態(tài)特性。試驗(yàn)選取了與電容-鹽濃度曲線標(biāo)定試驗(yàn)中相同的15個(gè)濃度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)證明了擬合曲線結(jié)果的準(zhǔn)確性，總體上測(cè)量值與實(shí)際值的符合程度達(dá)到了本系統(tǒng)的要求。

5 結(jié)論

本文使用樹莓派作為下位機(jī)、Nokia5110作為顯示屏，完成通信功能、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與顯示功能；將FDC2214模塊作為電容測(cè)量設(shè)備，用電容的變化量反映水體鹽濃度的變化量；使用OneNET云平臺(tái)進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)告警；進(jìn)行了電容-鹽濃度曲線標(biāo)定試驗(yàn)與水體鹽濃度測(cè)量試驗(yàn)。計(jì)算得到傳感器的最大相對(duì)誤差為7.91%，標(biāo)稱相對(duì)誤差4.74%，實(shí)現(xiàn)了電容式傳感器測(cè)量水體鹽度、移動(dòng)端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水體鹽度與自動(dòng)告警的功能[15]。傳感器精度與設(shè)備的復(fù)雜程度均能夠滿足海水魚養(yǎng)殖對(duì)于水體鹽度監(jiān)測(cè)的需要。