一種溶解氧含量的在線檢測(cè)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫天佑 喬宏哲

（常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

0 引言

魚類等水產(chǎn)品的生長(zhǎng)和溶解氧有著密切的關(guān)系，水中溶氧量含量低，魚食欲差或者厭食，進(jìn)食后消化吸收率低，生長(zhǎng)速度慢。而水中溶氧量偏高對(duì)魚卵孵化和魚苗不利。同樣以金魚這種相對(duì)名貴的觀賞性的魚類為例，溶解氧過(guò)低可能導(dǎo)致金魚的死亡，溶解氧過(guò)高時(shí)金魚會(huì)興奮，不停地環(huán)游，小魚苗會(huì)累死。

目前溶解氧含量的主要檢測(cè)方法是碘量法和溶解氧儀法等。碘量法是一種化學(xué)試劑檢測(cè)法，它的操作步驟相對(duì)復(fù)雜普通人很難掌握要領(lǐng)進(jìn)行檢測(cè)。溶解氧儀檢測(cè)法就是將專用的傳感器和顯示儀表兩個(gè)部分結(jié)合在一起進(jìn)行測(cè)量溶解氧的含量，但是專用的傳感器的電極一般需要采用金和銀等貴金屬作為材料，所以溶解氧儀的價(jià)格較為昂貴無(wú)法應(yīng)用到一些低成本領(lǐng)域的溶解氧含量檢測(cè)中，比如對(duì)魚缸水的溶解氧含量的檢測(cè)。

本設(shè)計(jì)通過(guò)使用樣本數(shù)據(jù)在共享的云服務(wù)器上設(shè)計(jì)出的溶解氧含量的軟測(cè)量模型，可通過(guò)在可連入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)檢測(cè)端檢測(cè)并上傳與溶解氧密切相關(guān)的空氣氧的分壓、大氣壓、水溫和水質(zhì)這四個(gè)參數(shù)值至云服務(wù)器，可從云服務(wù)器上獲得溶解氧含量值。從而實(shí)現(xiàn)溶解氧含量實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，簡(jiǎn)化了檢測(cè)溶解氧含量的操作方法，同時(shí)降低了檢測(cè)所需的人力和成本，可滿足一些低成本領(lǐng)域?qū)θ芙庋鹾康臋z測(cè)需求。

1 總體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)溶解氧含量的一種低成本在線檢方案，整個(gè)系統(tǒng)可以分成兩個(gè)部分來(lái)工作，第一部分將與溶解氧相關(guān)的特征參數(shù)的采集和上傳，為了完成相應(yīng)的功能采用了以ARM處理器為核心的測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)外接相應(yīng)的傳感器、人機(jī)接口模塊以及無(wú)線模塊，負(fù)責(zé)相關(guān)特征參數(shù)的采集并上傳云服務(wù)器以及接收云服務(wù)器返回的結(jié)果。第二部分為溶解氧軟測(cè)量模型的訓(xùn)練與預(yù)測(cè)功能，該功能在共享的云服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)，通過(guò)向云服務(wù)器上傳大量的樣本數(shù)據(jù)并經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后可以構(gòu)成溶解氧軟測(cè)量模型，當(dāng)有新的實(shí)時(shí)特征參數(shù)上傳后可以通過(guò)軟測(cè)量模型計(jì)算并返回實(shí)時(shí)的溶解氧含量值。具體的工作原理如圖1所示。

圖1 溶解氧含量在線檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由相關(guān)理論得知與溶解氧密切相關(guān)的特征參數(shù)是空氣里氧氣的分壓、大氣壓、水溫和水質(zhì)，其中對(duì)于同一地點(diǎn)空氣里氧的分壓是相對(duì)穩(wěn)定的。我國(guó)幅員遼闊，不同地方海拔高度可能有比較大差異導(dǎo)致空氣里氧的分壓會(huì)有所不同，此外即使是同一地點(diǎn)由于季節(jié)變化導(dǎo)致的濕度變化也會(huì)對(duì)氧的分壓產(chǎn)生一定的影響，所以空氣中的氧氣的分壓可以通過(guò)以下公式間接求得，測(cè)點(diǎn)的海拔高度可通過(guò)人機(jī)接口模塊進(jìn)行預(yù)先設(shè)定。

P=P0（1-h/8435）（1-k（hd-hd0）） （1）

式中：h為實(shí)測(cè)點(diǎn)海拔高度；hd為實(shí)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)大氣相對(duì)濕度值；hd0為大氣相對(duì)濕度參照值，可固定為70%；P0為海拔高度h為0和大氣相對(duì)濕度為hd0時(shí)的空氣中氧的分壓值，可固定為21 228pa；k為修正系數(shù)，可在0.1～0.2之間取值；P為實(shí)測(cè)點(diǎn)推算后的空氣中氧的分壓值。

2 溶解氧檢測(cè)硬件電路實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)所述大氣壓傳感器、水溫度傳感器和空氣濕度傳感器都有比較成熟的模塊可以很方便地和ARM處理器形成接口并實(shí)時(shí)測(cè)得測(cè)點(diǎn)處的大氣壓和水溫度值以及空氣中的濕度值。由于水中存在微生物不斷代謝后水質(zhì)變差即水中某些鹽含量上升會(huì)導(dǎo)致溶解氧含量的下降，但同時(shí)水的導(dǎo)電性能會(huì)上升。水質(zhì)傳感器就是通過(guò)對(duì)被測(cè)水的導(dǎo)電性測(cè)量來(lái)檢測(cè)水質(zhì)的變化。以上四種參數(shù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理和電路變換后輸入ARM處理器中，通過(guò)ARM處理器上傳共享云服務(wù)器后就可以進(jìn)行溶解氧含量的預(yù)測(cè)，并且將預(yù)測(cè)結(jié)果在人機(jī)接口模塊上顯示出來(lái)。

3 溶解氧含量的軟測(cè)量模型的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)中所使用的溶解氧含量的軟測(cè)量模型實(shí)際上是一種BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種可多層前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在基于正向傳播出現(xiàn)誤差時(shí)可以通過(guò)反向傳播過(guò)程中調(diào)整各個(gè)神經(jīng)元之間的連接權(quán)值來(lái)消除正向傳播誤差。該軟測(cè)量模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入層和隱藏層以及輸出層。模型中每個(gè)神經(jīng)元連接上一層所有神經(jīng)元。上一層每個(gè)神經(jīng)元的輸出即為下一層神經(jīng)元的輸入，原始輸入數(shù)據(jù)通過(guò)各層計(jì)算后最終在輸出層輸出數(shù)據(jù)。

對(duì)于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟測(cè)量BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)說(shuō)，輸入層的節(jié)點(diǎn)數(shù)是4個(gè)（對(duì)應(yīng)于輸入的空氣氧的分壓、大氣壓、水溫和水質(zhì)這4個(gè)特征參數(shù)），輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)是1個(gè)（對(duì)應(yīng)于溶解氧含量的預(yù)測(cè)值），一般的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型只需要一個(gè)隱藏層就可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)，本專利采用四層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即中間包括兩個(gè)隱藏層，這樣做的目的是使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更為合理，在確保學(xué)習(xí)和推理效率較好的前提下，預(yù)測(cè)精度更高。綜合少量典型樣本數(shù)據(jù)初步訓(xùn)練和反復(fù)測(cè)試后，采用第一隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為5個(gè)，第二隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為3個(gè)這樣的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為合理，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟測(cè)量模型的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

（1）根據(jù)之前上傳云服務(wù)器的樣本數(shù)據(jù)并通過(guò)對(duì)四層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，可得出空氣氧的分壓、大氣壓、水溫和水質(zhì)這4個(gè)輸入量與輸出量溶解氧含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

第一，建立數(shù)據(jù)向量

式中：x（1）為測(cè)點(diǎn)空氣氧的分壓；x（2）為測(cè)點(diǎn)大氣壓；x（3）為測(cè)點(diǎn)的水溫；x（4）為測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后變成數(shù)據(jù)向量。

第二，如圖3所示的軟測(cè)量模型結(jié)構(gòu)中，是一種

全連接方式BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即前層每個(gè)神經(jīng)元都要連接到后層的每個(gè)神經(jīng)元上構(gòu)成前層對(duì)后層的輸入，圖中所示神經(jīng)元i的輸出是神經(jīng)元j的一個(gè)輸入，并且神經(jīng)元i到神經(jīng)元j是按照一個(gè)權(quán)值wij的倍數(shù)關(guān)系連接的，θj是節(jié)點(diǎn)j的閾值，Oj是神經(jīng)元j的輸出。

第三，xi為第i個(gè)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)向量，yi為xi的目標(biāo)值。N為訓(xùn)練數(shù)據(jù)數(shù)目。

（2）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的前向迭代計(jì)算公式如下，對(duì)于

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)（含輸出節(jié)點(diǎn)）的輸出值Oj表示如下。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)使用樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練設(shè)計(jì)出的溶解氧含量的軟測(cè)量模型，可通過(guò)溶解氧特征參數(shù)采集電路獲得相關(guān)特征參數(shù)，將實(shí)時(shí)采集的特征上傳至共享的云服務(wù)器中通過(guò)其上的已訓(xùn)練完成的軟測(cè)量模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后將預(yù)測(cè)值通過(guò)無(wú)線信號(hào)返回至現(xiàn)場(chǎng)采樣電路端進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)了一種可滿足低成本領(lǐng)域的共享型溶解氧含量在線檢測(cè)系統(tǒng)。