基于多傳感器的牙鲆魚養殖遠程水質監測系統

唐博 李密生 李警波 吳菲

摘?要：為改善牙鲆（Paralichthys olivaceus）養殖中水質管理這一關鍵環節，基于多傳感器技術，設計一種遠程水質監測系統。系統底層硬件為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殖池內的數據采集工作，采用LoRa技術作為無線傳輸模塊，數據由傳輸模塊到達上位機，實現水質數據的采集，系統可以完成實時監測和歷史數據查詢，為養殖戶節省大量人工和時間成本。

關鍵詞：牙鲆（Paralichthys olivaceus）;養殖;水質監測;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， 也是一種優良的海水養殖品種[1]。近些年我國海洋工業蓬勃發展，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量下降，這對海水養殖業造成了巨大的影響。隨著牙鲆養殖業的發展， 集約化程度越來越高， 導致病害頻繁發生。同野生魚養殖不同的是，牙鲆的人工養殖完全依賴海水質量，海水污染就衍生出許多生物疾病，水質不良會間接影響濁度、溶氧量等水質基數的改變，從而給予細菌良好的繁殖條件，造成細菌病爆發和大量牙鲆死亡，影響養殖產量。因此，養殖環境的水質監測顯得尤為重要，通過監測數據可以使養殖戶更加直觀地了解養殖環境的情況，從而做好人工干預，防止疾病的爆發，保證養殖的產量和質量。

根據以往牙鲆魚養殖經驗，海水溫度14～23 ℃最適宜牙鲆的生長，我國漁業水質標準規定海水養殖水體pH值為7.0～8.5，池塘水質酸堿度過高或過低都對水生動物產生不利影響，非離子氨氮含量應不超過0.02 mg/L，溶解氧含量為連續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]。傳統的水質測量為人工采集，耗時長、精確率低，水質數據受很多不可抗因素影響。因此只有實時水質監測系統才能滿足養殖需求，通過24小時的實時數據反饋，使養殖戶做好水體控制和疾病的防范。

1?系統總體架構

平臺主要由環境數據檢測、數據傳輸處理和系統平臺三個部分組成。水質監測部分以STM32傳感器為設計核心，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，數據通過串口總線傳送給主控芯片。數據傳輸部分采用LoRa協議搭建網絡節點環境，為實現大范圍、全天候的水質監測，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技術組網時不依賴運營商，在沒有信號的郊區也能有穩定的通信效果，這樣便于實現遠程這一設計目標[3]。軟件平臺可以提供實時的水質數據和可視化的數據變化，為養殖決策提供理論基礎。水質監測系統總體結構圖如圖1所示。

2?各模塊及原理

2.1?水體監測模塊及原理

2.1.1?水溫檢測?水溫是牙鲆致病的關鍵因素，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，將得到的變化量轉換為電壓信號或者電流，電信號通過最后的放大和調整得到最終的數據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數字式傳感器，整體為防水設計，可以在海水的高腐蝕性環境中進行測量，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生氫離子交換，從而產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，溶解氧不僅關系魚類的正常生長，還關系著水質自身的調節情況。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，與陰陽兩極發生化學反應，電子由陰極釋放由陽極接受從而形成回路產生電流，通過測量電流的變化完成溶解氧含量的測量[6]。本系統采用測量范圍為0～20 mg/L，精度為±2%FS的DOS-600數字式溶解氧傳感器。

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，更適合于大型養殖池內。

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，中毒魚會出現生長緩慢，攝食減少等情況，本系統采用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，嚴重影響產量。本系統采用EVYXS21D數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生氯化反應從而釋放電子，電極收集電子產生電流，再將電流轉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，它不僅開發成本低廉，而且具有高集成度和開發簡易的優點。本系統采用的是基于ARM公司的CortexTM-M3內核的STM32F1系列微控制器， STM32F1系列微控制器在低功耗狀態時最低消耗僅為36 mA的電流，串口設置豐富，0等待狀態內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和高性能，可以滿足水質實時監測等功能。除溫度傳感器采用模擬量輸出模塊，其他傳感器的數據輸出均采用485通訊接口和Modbus 協議進行輸出，Modbus 協議可以提供穩定傳輸和遠距離傳輸，更適用于本系統水質監測數據的傳輸需要。系統硬件結構圖如圖2所示。

2.3?數據傳輸模塊

數據傳輸采用AS32-TTL-100無線數據傳輸模塊，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、收發頻率、發射功率等各個參數都可以進行修改。

3?系統設計

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

4?基于多傳感器的牙鲆魚養殖遠程水質監測系統的優勢

基于多傳感器的牙鲆養殖水質監測系統于2020年4月至5月中旬在秦皇島市某水產養殖基地的牙鲆魚養殖池內進行測試，結果顯示，通過實時監測可以隨時了解到養殖池的水質變化，養殖戶可以最快速地進行疾病的預防，從而提高養殖的質量和產量。該系統可以實時監測水質情況，操作簡便，監測數據快速精準，使養殖人員能及時采取預防措施，避免養殖發生病害風險。系統總體維護方便，傳感器設計靈活，可以隨著養殖需要進行拓展。與其他相關系統相比，本系統采用LoRa協議搭建網絡節點環境，可以提供更遠距離的數據傳輸，數據傳輸速度快且更加穩定，系統以STM32F103RCT6為開發主板，集成度更高串口設計更靈活，系統具有可視化功能，與傳統的數值顯示相比，數據獲取更直觀，使養殖人員能夠更加方便地獲取數據變化從而進行決策。

5?結語

本文針對牙鲆養殖環境檢測的情況設計了以多傳感器為基礎，采用LoRa技術作為無線傳輸模塊，STM32F103RCT6單片機為牙鲆養殖水質監測系統的核心，實現了對牙鲆養殖環境的數據采集。本系統采用三層體系結構，針對不同層次進行了相應的硬件和軟件的設計，解決了數據的遠程傳輸和數據時效性等問題，整個系統耗電低，功能強大，可擴展性強，可以滿足海水養殖環境數據的采集需求，大大節省了人工消耗和時間投入，相對于傳統的人工數據采集，本系統精度高，效率快，可以減少因水質數據不清晰而導致的牙鲆病害，從而保障了養殖產量和收益，降低了病害風險，在牙鲆養殖領域有著廣闊的應用前景。

參考文獻：

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

（收稿日期：2020-05-22;修回日期：2020-06-17）