面向魚塘養(yǎng)殖的水質(zhì)檢測裝置研究與性能試驗

□ 汪 洋 呂石祥 肖茂華 朱 虹 汪小旵 耿國盛

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210031；2.金湖金龍祥漁業(yè)設(shè)備有限公司，江蘇 淮安 223000；3.江蘇省農(nóng)機具開發(fā)應(yīng)用中心，江蘇 南京 210017）

在過去的幾十年間，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)已經(jīng)成為世界食品領(lǐng)域增長最快的行業(yè)［1］。我國正處于漁業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵轉(zhuǎn)型期，漁業(yè)供給側(cè)改革不斷深化，水產(chǎn)養(yǎng)殖也從傳統(tǒng)的盲目追求量的提升，逐漸轉(zhuǎn)向精準(zhǔn)、可持續(xù)發(fā)展的道路。我國水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)狀是較低的科技水平與較高經(jīng)濟規(guī)模上的不匹配，傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式過于依賴養(yǎng)殖戶的經(jīng)驗水平，容易造成主觀性錯誤，對于資源浪費也是十分嚴(yán)重［2］，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型是必然的，這需要真實準(zhǔn)確的養(yǎng)殖數(shù)據(jù)來科學(xué)指導(dǎo)水產(chǎn)養(yǎng)殖工作［3］。因此，研究水質(zhì)檢測設(shè)備對于水產(chǎn)養(yǎng)殖的數(shù)字化升級具有重要意義［4］。

目前我國水質(zhì)檢測技術(shù)水平與國外發(fā)達國家相比仍有較大差距［5］，在高精度傳感器方面仍處于被國外壟斷的局面［6］，國內(nèi)對水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的水質(zhì)檢測設(shè)備進行了大量研究，但目前所開發(fā)的系統(tǒng)仍沒有解決產(chǎn)品價格高、維護周期短、難以大規(guī)模推廣使用等問題。針對上述問題，本文設(shè)計一套完整的檢測裝置來檢測水域的溶解氧濃度、pH值、水溫等重要指標(biāo)，通過下位機屏幕實現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的可視化。該系統(tǒng)功能比市場上單一的檢測儀器更加完善，價格相較于國外產(chǎn)品有較大優(yōu)勢。

一、系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

本文檢測系統(tǒng)主要由水質(zhì)采集節(jié)點、數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點組成［7-8］，其中水質(zhì)采集節(jié)點由各種傳感器組成，包括溫度傳感器、PH傳感器以及溶解氧傳感器，數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點由STM32主控制單元以及電源所組成，傳感器通過BNC接口接入調(diào)理模塊，調(diào)理模塊通過杜邦線連接單片機的對應(yīng)引腳，多節(jié)點相互配合對水產(chǎn)養(yǎng)殖水域的水溫、pH值和氧含量進行數(shù)據(jù)采集，同時系統(tǒng)能夠在開發(fā)板的屏幕上實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)可視化。

二、下位機硬件模塊設(shè)計

（一）STM32主控芯片

STM32代表ARMCortex-M內(nèi)核的32位微控制器，是由意法半導(dǎo)體公司研發(fā)出的嵌入式單片機，截至目前，該公司已向市場推出STM32基本型、增強型等多個系列產(chǎn)品，在世界單片機領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位［9］。選用STM32為開發(fā)工具主要在于其優(yōu)異的性能，如該處理器功耗低，支持兩種低功耗模式；由于內(nèi)部集成ARMCortex-M內(nèi)核，與16位和8位處理器相比，代碼處理效率大大提升；內(nèi)存較大，支持程序存儲等。

本文綜合考慮產(chǎn)品價格、I/O口數(shù)量、處理器性能、功耗等因素，最終選擇STM32F103ZET6芯片作為本系統(tǒng)的主控芯片，該芯片作為F103增強型系列擁有較高數(shù)量的I/O口以及數(shù)據(jù)通信接口，是一款性價比高、功耗低、程序處理速度快的高性能芯片，已被廣泛應(yīng)用于生活中的各種電子產(chǎn)品中。

（二）溫度檢測單元

溫度傳感器是指能夠感知被測物體溫度，輸出對應(yīng)信號的傳感器。對于水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的溫度傳感器選用，首先需要選用防水型傳感器，考慮到成本的因素，不能過分地追求傳感器的測量精度，同時需要保證傳感器抗外界干擾能力強、能耗低、體積較小，能夠在惡劣的環(huán)境下工作［10］。

常見的溫度傳感器主要有模擬信號接口和數(shù)字信號接口，在傳統(tǒng)模擬信號輸出的溫度傳感器應(yīng)用中，需要解決引線誤差補償、放大電路零點漂移等問題，才能夠達到較高的測量精度，而選用數(shù)字信號輸出的傳感器則可以避免這些技術(shù)問題，因此本文選擇DS18B20數(shù)字型溫度傳感器，進行水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的溫度檢測，其溫度測量范圍達到-55～+125℃，探頭使用了不銹鋼材質(zhì)封裝，防水防潮防生銹。該數(shù)字型DS18B20溫度傳感器體積小、精度較高、抗干擾能力強，在實際工程應(yīng)用中應(yīng)用十分廣泛。溫度傳感器通過對應(yīng)接口接入調(diào)理模塊，該調(diào)理模塊集成了PH傳感器的調(diào)理電路，方便進行軟件溫度補償設(shè)計。

（三）pH檢測單元

pH值是水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)參數(shù)的一個重要指標(biāo)，在自然生存環(huán)境中較為適合魚類生長的pH值通常要求在7.0～8.5之間，而對于可檢測酸堿度的傳感器，類型較為豐富，從價格與檢測精度多方面綜合，本文選擇了玻璃電極型傳感器，在實際的水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域中也普遍采用該類型傳感器，其原理是用電極測電位的方法來實現(xiàn)［11］，即電極在接觸溶液時，表層的玻璃膜上會形成一個變化的電勢，通過測量電勢差來獲取pH值。在此次試驗過程中，設(shè)計的為E-201-C復(fù)合電極傳感器，其測量靈敏度數(shù)值高，能夠抵御水域中的復(fù)雜因素干擾，測量精度為±0.01pH，響應(yīng)時間低于1min，溫度適用范圍0～60℃。

在本設(shè)計開發(fā)中，通過PH傳感器調(diào)理模塊擴展DS18B20型溫度傳感器接口，方便進行軟件溫度補償設(shè)計，傳感器通過模塊的BNC接口與其連接進行采集信號輸入，為了使傳感器的信號輸出與開發(fā)板的AD轉(zhuǎn)換器的輸入進行良好的匹配，需要進行信號調(diào)理電路的設(shè)計。本文PH模塊的調(diào)理電路設(shè)計如圖1所示，主要包括DS18B20調(diào)理電路、PH信號放大電路。

圖1 PH傳感器模塊的調(diào)理電路設(shè)計

（四）溶解氧檢測單元

溶解氧參數(shù)是水生生物健康生長的關(guān)鍵因素，對于水體溶解氧的測定，通常使用溶解氧在線檢測傳感器來完成。溶解氧檢測傳感器根據(jù)原理通常分為三種，分別為原電池型、極譜型和熒光法。其中，基于熒光法的傳感器價格較為昂貴，而極譜型傳感器在使用前需要預(yù)熱。從產(chǎn)品的技術(shù)特點、價格以及使用復(fù)雜度綜合考慮，本文選用原電池型溶解氧傳感器進行水體溶解氧的檢測，其檢測范圍達到了0～20mg/L，溫度范圍在0～40℃，響應(yīng)時間低于1min，電極芯壽命約為1年。在使用該原電池型傳感器時，需要加入0.5mol/L的氫氧化鈉溶液作為電極的填充液，同時為了保證傳感器精度，初次使用的傳感器或使用較長時間的傳感器需要進行校準(zhǔn)。

完成傳感器的設(shè)計選型后，需要進行傳感器信號調(diào)理電路的設(shè)計。本系統(tǒng)設(shè)計的原電池型溶解氧傳感器通過BNC接口接入調(diào)理模塊，調(diào)理模塊通過對應(yīng)引腳與單片機連接完成信號的輸入輸出。該模塊的信號調(diào)理電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 原電池型傳感器模塊的信號調(diào)理電路設(shè)計

三、水質(zhì)采集節(jié)點軟件設(shè)計

在完成系統(tǒng)硬件的設(shè)計后，需要對各節(jié)點進行軟件開發(fā)，完成程序植入才能使各個模塊正常工作。本文采用標(biāo)準(zhǔn)的單片機開發(fā)環(huán)境Keil5軟件進行系統(tǒng)軟件設(shè)計，編程語言為C語言。對于水質(zhì)采集節(jié)點的程序設(shè)計主要通過檢測程序來采集水產(chǎn)養(yǎng)殖水環(huán)境的各參數(shù)，同時對采集的傳感器信號進行A/D轉(zhuǎn)換，獲取到數(shù)字值存儲，具體的程序步驟如下：

步驟1：在對下位機供電后，下位機系統(tǒng)首先進行初始化操作，包括開發(fā)板顯示屏初始化、串口初始化、按鍵初始化、DS18B20初始化等。

步驟2：完成系統(tǒng)的初始化后，由數(shù)據(jù)采集子程序讀取指令，判斷是否進行水質(zhì)參數(shù)的讀取，邏輯判斷通過后依次進行pH值、水溫、溶解氧濃度的獲取，否則發(fā)送命令錯誤，向用戶發(fā)送警報。

步驟3：采集數(shù)據(jù)后再次校驗數(shù)據(jù)是否讀取完畢，如果讀取完畢即通過，否則進行數(shù)據(jù)的循環(huán)讀取。

步驟4：執(zhí)行ADC轉(zhuǎn)換器，對模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，對于DS18B20傳感器采集的水溫不需要執(zhí)行此程序，該傳感器直接為數(shù)字信號輸出。

步驟5：對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)封裝，并將封裝的數(shù)據(jù)包存儲。讀取獲取單片機屏幕位置程序，將存儲數(shù)據(jù)對應(yīng)顯示，執(zhí)行結(jié)束。

通過以上全部的步驟，完成了對水質(zhì)采集節(jié)點的軟件設(shè)計。

四、系統(tǒng)性能試驗

（一）試驗系統(tǒng)組成

本文通過選用合理的處理器芯片、傳感器組，將各調(diào)理模塊連接形成了統(tǒng)一的整體，并通軟件編程設(shè)計了完整的水質(zhì)檢測程序，為了驗證本系統(tǒng)的測量效果，需要進行實地的水質(zhì)檢測試驗。在進行水質(zhì)采集試驗前，將各硬件模塊進行相應(yīng)封裝，傳感器的BNC接口預(yù)留在外，試驗時將外部傳感器連接BNC接口即可。

（二）水質(zhì)采集試驗

利用本文設(shè)計的系統(tǒng)，2022年1月在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)博遠樓水產(chǎn)養(yǎng)殖模擬池進行了相關(guān)的系統(tǒng)試驗，試驗主要通過比對本系統(tǒng)和市場成熟產(chǎn)品采集的水質(zhì)參數(shù)，計算兩者誤差，驗證該系統(tǒng)的測量精度。采集試驗兩小時進行一次，三類傳感器共18組數(shù)據(jù)，測量結(jié)果與PH818型檢測筆和AR8010溶解氧檢測儀的檢測值進行對比，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。實驗結(jié)果表明，本文研制的系統(tǒng)與水產(chǎn)養(yǎng)殖標(biāo)準(zhǔn)儀器測量值相近，其中水溫、pH值和溶解氧的測量平均相對誤差分別為4.15%、2.18%、2.80%，測量精度能夠滿足實際水產(chǎn)養(yǎng)殖需求，檢測效果良好。

表1 水溫、pH值和溶解氧的測試結(jié)果

五、結(jié)語

（1）本文設(shè)計了一套水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)檢測裝置，系統(tǒng)通過傳感器節(jié)點采集水溫、pH值和溶解氧濃度，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)可視化，完成養(yǎng)殖水域的智能化檢測。整套系統(tǒng)使用方便性價比高，避免使用價格昂貴、難以維護的水質(zhì)檢測儀。

（2）本系統(tǒng)的相關(guān)試驗表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)檢測效果良好，與市場上成熟的水質(zhì)檢測儀測量精度相近。本研究對于水產(chǎn)養(yǎng)殖嵌入式設(shè)備的研發(fā)和我國傳統(tǒng)漁業(yè)的轉(zhuǎn)型升級具有一定的參考價值。