面向魚塘養(yǎng)殖的水質(zhì)檢測(cè)裝置研究與性能試驗(yàn)

□ 汪 洋 呂石祥 肖茂華 朱 虹 汪小旵 耿國(guó)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(jī)具開(kāi)發(fā)應(yīng)用中心，江蘇 南京 210017）

在過(guò)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(zhǎng)最快的行業(yè)［1］。我國(guó)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(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)狀是較低的科技水平與較高經(jīng)濟(jì)規(guī)模上的不匹配，傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式過(guò)于依賴養(yǎng)殖戶的經(jīng)驗(yàn)水平，容易造成主觀性錯(cuò)誤，對(duì)于資源浪費(fèi)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(shí)準(zhǔn)確的養(yǎng)殖數(shù)據(jù)來(lái)科學(xué)指導(dǎo)水產(chǎn)養(yǎng)殖工作［3］。因此，研究水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備對(duì)于水產(chǎn)養(yǎng)殖的數(shù)字化升級(jí)具有重要意義［4］。

目前我國(guó)水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)水平與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有較大差距［5］，在高精度傳感器方面仍處于被國(guó)外壟斷的局面［6］，國(guó)內(nèi)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行了大量研究，但目前所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)仍沒(méi)有解決產(chǎn)品價(jià)格高、維護(hù)周期短、難以大規(guī)模推廣使用等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一套完整的檢測(cè)裝置來(lái)檢測(cè)水域的溶解氧濃度、pH值、水溫等重要指標(biāo)，通過(guò)下位機(jī)屏幕實(shí)現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的可視化。該系統(tǒng)功能比市場(chǎng)上單一的檢測(cè)儀器更加完善，價(jià)格相較于國(guó)外產(chǎn)品有較大優(yōu)勢(shì)。

一、系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文檢測(cè)系統(tǒng)主要由水質(zhì)采集節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)組成［7-8］，其中水質(zhì)采集節(jié)點(diǎn)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(diǎn)由STM32主控制單元以及電源所組成，傳感器通過(guò)BNC接口接入調(diào)理模塊，調(diào)理模塊通過(guò)杜邦線連接單片機(jī)的對(duì)應(yīng)引腳，多節(jié)點(diǎn)相互配合對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖水域的水溫、pH值和氧含量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)系統(tǒng)能夠在開(kāi)發(fā)板的屏幕上實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)可視化。

二、下位機(jī)硬件模塊設(shè)計(jì)

（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(jī)，截至目前，該公司已向市場(chǎng)推出STM32基本型、增強(qiáng)型等多個(gè)系列產(chǎn)品，在世界單片機(jī)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位［9］。選用STM32為開(kāi)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(chǔ)等。

本文綜合考慮產(chǎn)品價(jià)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(qiáng)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(jià)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(cè)單元

溫度傳感器是指能夠感知被測(cè)物體溫度，輸出對(duì)應(yīng)信號(hào)的傳感器。對(duì)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(guò)分地追求傳感器的測(cè)量精度，同時(shí)需要保證傳感器抗外界干擾能力強(qiáng)、能耗低、體積較小，能夠在惡劣的環(huán)境下工作［10］。

常見(jiàn)的溫度傳感器主要有模擬信號(hào)接口和數(shù)字信號(hào)接口，在傳統(tǒng)模擬信號(hào)輸出的溫度傳感器應(yīng)用中，需要解決引線誤差補(bǔ)償、放大電路零點(diǎn)漂移等問(wèn)題，才能夠達(dá)到較高的測(cè)量精度，而選用數(shù)字信號(hào)輸出的傳感器則可以避免這些技術(shù)問(wèn)題，因此本文選擇DS18B20數(shù)字型溫度傳感器，進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的溫度檢測(cè)，其溫度測(cè)量范圍達(dá)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(qiáng)，在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)用十分廣泛。溫度傳感器通過(guò)對(duì)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(jìn)行軟件溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

（三）pH檢測(cè)單元

pH值是水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)參數(shù)的一個(gè)重要指標(biāo)，在自然生存環(huán)境中較為適合魚類生長(zhǎng)的pH值通常要求在7.0～8.5之間，而對(duì)于可檢測(cè)酸堿度的傳感器，類型較為豐富，從價(jià)格與檢測(cè)精度多方面綜合，本文選擇了玻璃電極型傳感器，在實(shí)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(cè)電位的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)［11］，即電極在接觸溶液時(shí)，表層的玻璃膜上會(huì)形成一個(gè)變化的電勢(shì)，通過(guò)測(cè)量電勢(shì)差來(lái)獲取pH值。在此次試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)計(jì)的為E-201-C復(fù)合電極傳感器，其測(cè)量靈敏度數(shù)值高，能夠抵御水域中的復(fù)雜因素干擾，測(cè)量精度為±0.01pH，響應(yīng)時(shí)間低于1min，溫度適用范圍0～60℃。

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

圖1 PH傳感器模塊的調(diào)理電路設(shè)計(jì)

（四）溶解氧檢測(cè)單元

溶解氧參數(shù)是水生生物健康生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，對(duì)于水體溶解氧的測(cè)定，通常使用溶解氧在線檢測(cè)傳感器來(lái)完成。溶解氧檢測(cè)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(jià)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(diǎn)、價(jià)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(jìn)行水體溶解氧的檢測(cè)，其檢測(cè)范圍達(dá)到了0～20mg/L，溫度范圍在0～40℃，響應(yīng)時(shí)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(shí)，需要加入0.5mol/L的氫氧化鈉溶液作為電極的填充液，同時(shí)為了保證傳感器精度，初次使用的傳感器或使用較長(zhǎng)時(shí)間的傳感器需要進(jìn)行校準(zhǔn)。

完成傳感器的設(shè)計(jì)選型后，需要進(jìn)行傳感器信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原電池型溶解氧傳感器通過(guò)BNC接口接入調(diào)理模塊，調(diào)理模塊通過(guò)對(duì)應(yīng)引腳與單片機(jī)連接完成信號(hào)的輸入輸出。該模塊的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 原電池型傳感器模塊的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

三、水質(zhì)采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

在完成系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)后，需要對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，完成程序植入才能使各個(gè)模塊正常工作。本文采用標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境Keil5軟件進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言。對(duì)于水質(zhì)采集節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)主要通過(guò)檢測(cè)程序來(lái)采集水產(chǎn)養(yǎng)殖水環(huán)境的各參數(shù)，同時(shí)對(duì)采集的傳感器信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，獲取到數(shù)字值存儲(chǔ)，具體的程序步驟如下：

步驟1：在對(duì)下位機(jī)供電后，下位機(jī)系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化操作，包括開(kāi)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(jìn)行水質(zhì)參數(shù)的讀取，邏輯判斷通過(guò)后依次進(jìn)行pH值、水溫、溶解氧濃度的獲取，否則發(fā)送命令錯(cuò)誤，向用戶發(fā)送警報(bào)。

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

步驟4：執(zhí)行ADC轉(zhuǎn)換器，對(duì)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，對(duì)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(hào)輸出。

步驟5：對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，并將封裝的數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)。讀取獲取單片機(jī)屏幕位置程序，將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)顯示，執(zhí)行結(jié)束。

通過(guò)以上全部的步驟，完成了對(duì)水質(zhì)采集節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)。

四、系統(tǒng)性能試驗(yàn)

（一）試驗(yàn)系統(tǒng)組成

本文通過(guò)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(jì)了完整的水質(zhì)檢測(cè)程序，為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的測(cè)量效果，需要進(jìn)行實(shí)地的水質(zhì)檢測(cè)試驗(yàn)。在進(jìn)行水質(zhì)采集試驗(yàn)前，將各硬件模塊進(jìn)行相應(yīng)封裝，傳感器的BNC接口預(yù)留在外，試驗(yàn)時(shí)將外部傳感器連接BNC接口即可。

（二）水質(zhì)采集試驗(yàn)

利用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，2022年1月在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)博遠(yuǎn)樓水產(chǎn)養(yǎng)殖模擬池進(jìn)行了相關(guān)的系統(tǒng)試驗(yàn)，試驗(yàn)主要通過(guò)比對(duì)本系統(tǒng)和市場(chǎng)成熟產(chǎn)品采集的水質(zhì)參數(shù)，計(jì)算兩者誤差，驗(yàn)證該系統(tǒng)的測(cè)量精度。采集試驗(yàn)兩小時(shí)進(jìn)行一次，三類傳感器共18組數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果與PH818型檢測(cè)筆和AR8010溶解氧檢測(cè)儀的檢測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)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(cè)量值相近，其中水溫、pH值和溶解氧的測(cè)量平均相對(duì)誤差分別為4.15%、2.18%、2.80%，測(cè)量精度能夠滿足實(shí)際水產(chǎn)養(yǎng)殖需求，檢測(cè)效果良好。

表1 水溫、pH值和溶解氧的測(cè)試結(jié)果

五、結(jié)語(yǔ)

（1）本文設(shè)計(jì)了一套水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)檢測(cè)裝置，系統(tǒng)通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)采集水溫、pH值和溶解氧濃度，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)可視化，完成養(yǎng)殖水域的智能化檢測(cè)。整套系統(tǒng)使用方便性價(jià)比高，避免使用價(jià)格昂貴、難以維護(hù)的水質(zhì)檢測(cè)儀。

（2）本系統(tǒng)的相關(guān)試驗(yàn)表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)檢測(cè)效果良好，與市場(chǎng)上成熟的水質(zhì)檢測(cè)儀測(cè)量精度相近。本研究對(duì)于水產(chǎn)養(yǎng)殖嵌入式設(shè)備的研發(fā)和我國(guó)傳統(tǒng)漁業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)具有一定的參考價(jià)值。