杨金明， 朱红飞

(华南理工大学电力学院，广东 广州 510640)



升降式水产养殖水质自动检测系统设计

杨金明， 朱红飞

(华南理工大学电力学院，广东 广州 510640)

水产养殖水质参数检测作为现代化水产养殖的重要特征正受到越来越多的关注。为满足水产养殖业对水质环境参数检测的迫切需求，研究设计了一种升降式水产养殖水质自动检测系统。该系统由无线传感模块和传感器保护模块构成，无线传感模块采用GPRS无线传感技术实现水质参数的采集和传送；传感器保护模块利用PIC16F877A型单片机作为控制器，通过ZigBee实现与服务器的远程通信，从而控制检测装置的升降和水质传感器的冲洗与保湿。通过PC或手机客户端，养殖户可以对检测系统进行实时监测和控制。结果显示，系统运行稳定，装配简易，操作方便，实现了对鱼塘水温、溶氧和pH的自动检测；远程控制反应时间在1 s以内，数据传输错误率基本为0；溶氧、pH和温度传感器的最大相对误差分别为0.55%、1.89%和1.32%。研究表明，升降式机械结构工作稳定，实现了传感器的冲洗、保湿功能，远程控制动作反应速度和测量精度达到水产养殖水质信息采集的要求，能够满足水产养殖水质检测的应用要求。

水产养殖；水质检测；无线通信； PIC； 传感器保护

近年来，工厂化水产养殖已成为我国水产养殖业满足市场需求和发展的必由之路[1-2]。而工厂化水产养殖多种类和高密度养殖的特点，对养殖水质环境提出了更高的要求[3-5]。此外，物联网技术在水产养殖业的大力推进、智慧农业概念的提出以及大数据时代的到来，使得水质检测技术越来越受到重视[6-10]。因此，迫切需要构建一种水质自动检测系统，以便及时获得水质环境参数，从而采取有效的调控措施，保障水产品的质量、产量和经济效益[11]。水质自动检测装置必须考虑稳定性、传感器保护等问题，而现有的浮漂式水质检测装置多采用球形或者类球形，存在稳定性差、水质传感器缺乏保养等问题[12-15]。因此，提出了一种升降式的水质自动检测系统，采用GPRS无线传感技术实现水质参数的采集与传送，并设计了一种传感器保护装置，通过ZigBee无线通信技术、单片机控制技术，实现定时自动数据采集和传感器保养等功能，其中升降式的机械结构简单实用，成本低廉，具有很好的应用价值。

1　检测系统机械结构

图1为检测装置机械结构示意图[16]。

图1　检测系统机械结构示意图

图1中，岸边安装了一个冲洗保湿盒和硬件电路盒，冲洗保湿盒内有探头冲洗装置和保湿装置，硬件电路盒中安装有无线传感模块的硬件电路和传感器保护模块的硬件电路。升降传动装置由步进电机、皮带及皮带轮和牵引绳组成。其中，电机安装在冲洗保湿盒上的电机盒中，一个皮带轮安装在步进电机上，另一个通过简易轴承架固定在不锈钢丝绳上，两者之间通过传送皮带连接。牵引绳的一端固定在轴承架上，另一端穿过传送皮带上的小滑轮连接水质传感器探头。本系统所用的水质传感器探头包括一个内置pH传感器的HG-P13型探头和一个内置溶氧及温度传感器的HG-D21型探头，通过信号线分别连接到硬件电路中对应的信号调理电路。

当电机反转时，小滑轮随着皮带远离冲洗保湿盒，探头也在牵引绳作用下远离保湿盒并下放，当探头离岸并下放一定距离后，电机停止转动。探头就可以检测出池水的pH、溶氧、水温等水质参数。当电机正转时，检测探头不断接近直至进入冲洗保湿箱，电机停止转动，这时冲洗装置开启，开始冲洗探头，一定时间后冲洗装置关闭，保湿装置开启，探头就在冲洗保湿盒中处于保湿状态。

该机械装置主要有以下几个特点：(1)结构轻巧简单，便于拆卸安装，成本低，且不影响渔业养殖生产。(2)在满足自动水质检测的基础上，还能对传感器探头进行保养，保障了传感器探头的检测精度和使用寿命。(3)可以通过在客户端调节探头的上升和下降时间，相应地调节水质检测频率，还可以通过改写单片机程序，改变检测探头的离岸距离和下水深度。

2　硬件电路设计

图2为水质检测系统硬件电路结构框图。

图2　硬件电路结构框图

整个电路由输出AC220V的UPS以及输入AC220V输出DC24V开关电源供电。硬件电路主要由无线传感模块和传感器保护模块组成，其中，无线传感模块主要完成水质参数的信号采集、调理和转换传送任务；传感器保护模块能够定时将传感器拉出水面进行自动冲洗保养，从而维持传感器长时高效的采样效果。

2.1无线传感模块

无线传感模块的硬件电路主要由无线通信部分和传感器调理电路两部分组成。无线通信部分包括通信网关及其拓展模块和天线，其中远程通信网关采用M102-RG型SymGate远程智能网关，连接上天线就能通过GPRS方式实现数据传输。传感器信号调理电路主要包括溶氧传感器、pH传感器和温度传感器的信号调理电路。

(1)溶氧信号调理电路。因溶氧传感器为极谱型薄膜传感器，输出电流信号非常微弱，故首先需要将该电流信号装换为电压信号，然后再将电压信号放大成标准的采集信号，以方便采集卡采集。溶氧信号调理电路采用反馈式I-V转换电路(图3)。电路前一级为CA3140型运算放大器，后一级为反向差动放大器，该级输入为反馈电阻两端的电压信号，输出信号通过LC电路滤波，滤除干扰信号后，最终输出电压信号Vout的大小约为0～5 V，可以通过采集卡采集。

图3　溶氧信号调理电路

(2)pH信号调理电路。传感器电极输出的电压信号约为-400～400 mV，必须将电压信号适当放大，以方便采集标准电压信号(图4)。该调理电路主体是分为两级的仪用放大器，第一级由两个对称的同相放大器构成，具有抑制零漂和误差的效果；后一级为LM6041型运放构成的反向差动放大器，具有较高的线性度，能有效地抑制噪声比。

图4　pH信号调理电路

由图4分析得，当玻璃电极输入电压为Ui2，参比电极输入电压为Ui1，P1、P2和P3为理想放大器，取R1至R8均为10 K，RG为10 K可调电阻，调理电路输出电压Vout为：

Vout=R6(Ui2-Ui1)(1+2R4/RG)/R5

(1)

由式(1)可知，通过调节RG的大小可以输出-5～5 V的电压，最后通过加法器将-5～5 V的信号调节为0～5 V的标准信号，以便采集卡采集。该电路具有高输入阻抗、高共模抑制比、低非线性误差和优良的动态特性。

(3)温度信号调理电路。该调理电路主要由电桥和运算放大器构成(图5)。通过可调电阻Rp校准使电桥达到平衡时，输出电压为0 V。当温度变化时会引起电阻PT100阻值发生改变，电桥输出电压将发生变化，该电压再通过运放电路放大输出，最终输出电压计算如下：

V

out

(2)

图5　温度信号调理电路

2.2传感器保护模块

传感器保护模块控制电路图(图6)由PIC控制器、电机驱动、继电器和Zigbee模块组成。该保护电路的核心为PIC控制器，它通过RS232与ZigBee相连，完成与服务器的无线通信。控制电路的硬件设计思路：PIC控制器由5 V电源供电，选用型号为PIC16F877A的控制芯片[17]；两个电平转换芯片通过DE9串口及串口线连接实现控制器与ZigBee之间的串口通信[18-19]。控制芯片的RA1、RA2引脚与电机驱动模块相连，通过控制两个引脚的高低电平控制电机正反转；引脚RA5、RE0分别与常开继电器和常闭继电器连接，从而控制电磁阀的开通关断。

图6　传感器保护模块控制电路图

3　软件设计

系统软件部分设计主要是PIC单片机的程序设计实现对服务器指令的接收、处理和应答，完成水质参数采集、冲洗和保湿等指令。主程序流程如图7所示。首先根据服务器客户端的信号选择手动状态或自动状态，如果是手动状态且接收到指令，就会对指令进行解析，然后升降电机、电磁阀作出相应动作；如果是自动状态，则需判断是否达到预设的采样时间，若是达到采样时间，单片机就会接收、解析并执行服务器指令，否则不会接收指令。

图7　主程序流程

4　结果与分析

在江门市海洋与渔业技术推广站对升降式水产养殖自动检测系统进行了现场试验。结果表明，手动状态下，通过用户界面操作来控制装置升降，系统能够完成水下2 m深的水质状态检测和传感器探头的冲洗、保湿，动作反应时间在1 s以内，各参数数据传输正常。自动状态下，设置采集时间间隔为5 min，观测发现，传感器探头降入水下检测，然后自动升至冲洗保湿盒冲洗、保湿，经6 h连续工作，系统能够正常工作。

为了检测系统水质传感器的测量精度，在自动状态下，利用传感器和标准仪器同时检测24 h时间内鱼塘池水的溶氧、pH和温度，采集频率设为1 h，连续24 h采集，从水质参数检测曲线(图8)可以看出，本系统测量值与标准仪器测量值接近，3个测量值的最大相对误差分别为0.55%、1.89%和1.32%。

与报道的水质检测系统[20-22]相比，就浮标式装置而言，本系统在检测装置的机械结构上更加简单稳定，解决了供电难的问题；在传感器保护方面，自动冲洗保湿功能有效提高了探头的精度和使用寿命，节约了成本。经过一个月的试运行观察发现，本系统机械装置虽然轻巧简单，但由于震动较为严重，会出现安装松动，导致设备故障；此外，控制系统有时也会因为通信或硬件电路出现问题。

图8　水质参数实时检测曲线

5　结论

设计了一种机电控制结构的升降式水产养殖水质自动检测系统。本系统机械结构简单实用，安装拆卸方便，成本较低，可以实现养殖水质参数的采集、处理和传送，并能够自动清洗和保养水质传感器探头，解决了人工取样检测不及时的问题，有效提高了探头的精度和使用寿命。现场试验证明，该系统运行稳定，数据传输正常，远程控制动作反应速度和测量精度可以满足水产养殖的应用要求，具有一定的实际应用价值。

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Lift type automatic water quality detection system for aquaculture

YANG Jinming, ZHU Hongfei

(CollegeofElectricPower,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

As an important character of modern aquaculture, the monitoring of environmental factors is gaining more and more attention nowadays. To meet the urgent need for water quality monitoring in aquaculture, a kind of water quality detection system is designed, which can automatically collect water quality parameters and do self-maintenance. The system is composed of a wireless sensor module and a sensor protection module. The wireless sensor module uses GPRS wireless sensor technology to realize the collection and transmission of water quality parameters. The sensor protection module uses PIC16F877A MCU as controller and realizes remote communication with the server through ZigBee, thus controls the lift of the detection device as well as the flushing and moisturizing of water quality sensor. Through PC or mobile client, farmers can monitor and control the detection system in real time. Field test result shows that the system runs stably, is easy to install and convenient to operate, and can automatically detect pond water temperature, dissolved oxygen (DO) and pH; the remote control reaction time is less than 1s and the error rate of data transmission is almost 0; and, the maximum relative errors of DO, pH and temperature sensor are respectively 0.55%, 1.89% and 1.32%. Research shows that the mechanical structure of the system is stable, realizing the self-maintenance function of the sensor's flushing and moisturizing; the response speed of remote control and measurement accuracy can meet the requirements for water quality information collection, and satisfy the water quality detection demand of aquaculture industry.

aquaculture; water quality automatic detection; wireless communication; PIC; sensor protection

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.04.001

2016-05-08

2016-07-10

广东省海洋渔业科技推广专项(A201301D04)

杨金明(1962—)，男，教授，博士，研究方向：电力电子与电力传动。E-mail：jmyang@scut.edu.cn

S931.3

A

1007-9580(2016)04-001-05