水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)pH值無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

胡月明， 黃建清， 王衛(wèi)星， 姜 晟， 李亮斌

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，廣東 廣州 510642； 2. 海南大學(xué) 應(yīng)用科技學(xué)院，海南 儋州 571737；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642； 4.國(guó)土資源部建設(shè)用地再開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642；5.廣東省土地利用與整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642)

0 引 言

pH值是養(yǎng)殖水體最重要的水質(zhì)指標(biāo)之一[1～3]，我國(guó)漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB 11607—89規(guī)定養(yǎng)殖水體魚類生長(zhǎng)的pH值安全范圍為6.5～8.5[4]，pH值過高或過低，對(duì)魚類都有直接損害，甚至致死[5～8]。如黃鱔正常生活適宜的水體pH值為6.0～7.5，最適宜pH值范圍為6.5～7.5，pH值高于8.0和低于6.0時(shí)，黃鱔體表粘液減少，肛門充血腫脹，嚴(yán)重者甚至內(nèi)臟也充血，部分皮膚腐爛[9]。因此，在養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中要經(jīng)常測(cè)量水體的pH值，以便隨時(shí)了解水質(zhì)狀況，采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)措施改善水體環(huán)境，保證養(yǎng)殖魚類正常生長(zhǎng)。

測(cè)量pH值的常用方法有化學(xué)分析法、試紙分析法和電位分析法。化學(xué)分析法、試紙分析法不能實(shí)現(xiàn)pH值實(shí)時(shí)在線測(cè)量，而電位檢測(cè)法一般采用玻璃電極傳感器，這種儀器體積小巧，便于攜帶和使用，測(cè)量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，免去了取樣帶來(lái)的不便，但需要人工記錄數(shù)據(jù)、費(fèi)力耗時(shí)、不能實(shí)現(xiàn)pH值動(dòng)態(tài)變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[10]。

本文設(shè)計(jì)一個(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖pH值無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以便養(yǎng)殖人員實(shí)時(shí)觀測(cè)水體pH值狀況，從而采取及時(shí)有效的措施調(diào)控水質(zhì)，對(duì)于保證水產(chǎn)養(yǎng)殖的安全生產(chǎn)、減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、本地監(jiān)測(cè)中心和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，以自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)采集水體溫度、pH值數(shù)據(jù)，并以多跳網(wǎng)絡(luò)方式傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)接收傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過RS—232串口傳輸?shù)奖镜乇O(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)，圖形化顯示與報(bào)警。匯聚節(jié)點(diǎn)也可以通過GPRS模塊接入Internet網(wǎng)絡(luò)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳回遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件組成

傳感器節(jié)點(diǎn)主要由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和電源模塊組成，節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。處理器模塊采用低電壓、低功耗的單片機(jī)芯片MSP430F149[11]。無(wú)線通信模塊采用低功耗、發(fā)射功率可調(diào)的nRF905模塊[12]。電源模塊采用1 200 mAh，3.2 V的磷酸鐵鋰電池供電[13]。傳感器模塊包括傳感器和信號(hào)調(diào)理電路，傳感器采用上海力瓊公司PHG—96FS型pH復(fù)合電極，該電極測(cè)量范圍為0.00～14.00 pH，分辨率為0.01 pH，并且內(nèi)置熱敏電阻器，測(cè)量溫度范圍0～80 ℃，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)pH電極輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大，以滿足單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的要求。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

2.2 pH值信號(hào)調(diào)理電路

pH復(fù)合電極輸出為mV級(jí)電壓信號(hào)，且內(nèi)阻很高[14]。在調(diào)理電路的設(shè)計(jì)中，采用±5 V供電的運(yùn)算放大器構(gòu)成三級(jí)電路，如圖3所示，第一級(jí)將pH電極輸出與電壓跟隨器相連，目的是提高測(cè)量電路的輸入阻抗和隔離前后級(jí)電路的影響；第二級(jí)將pH電極輸出信號(hào)濾波放大；第三級(jí)將放大后的信號(hào)調(diào)整為0～3.3 V，以滿足單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器輸入范圍。

圖3 pH調(diào)理電路

3 pH值測(cè)量數(shù)學(xué)模型

雖然信號(hào)調(diào)理電路能夠?qū)鞲衅魑⑷跣盘?hào)濾波放大，但它的輸出電壓還不能反映與被測(cè)對(duì)象物理量的數(shù)學(xué)關(guān)系，需要通過研究pH電極的測(cè)量原理和電極輸出與信號(hào)調(diào)理電路輸出的關(guān)系，建立相應(yīng)的pH值測(cè)量數(shù)學(xué)模型。

pH復(fù)合電極由甘汞電極和玻璃電極組成，玻璃電極的頭部球泡由特殊的敏感薄膜制成，它僅對(duì)氫離子敏感，在測(cè)量中作為指示電極，甘汞電極作為參考電極，當(dāng)溶液中氫離子濃度發(fā)生變化時(shí)，指示電極和參比電極之間的電動(dòng)勢(shì)也隨著引起變化，依據(jù)Nernst方程，指示電極與參比電極之間的電動(dòng)勢(shì)與被測(cè)溶液酸堿度關(guān)系為[15]

E=E0+ST(pH-7),

(1)

式中E為電極輸出電動(dòng)勢(shì)，mV；E0為標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)mV；S為Nernst系數(shù)；T為絕對(duì)溫度，K。pH電極接外電路后電極端輸出電壓Vin為

(2)

式中RL為外電路等效電阻，Ω；RS為電極內(nèi)阻，Ω；B為系數(shù)。

由式(1)、式(2)可得pH值調(diào)理電路輸出電壓VpH為

VpH=KpH(T)(pH-7)+V0,

(3)

式中V0為pH=7時(shí)信號(hào)調(diào)理電路輸出電壓，V；KpH為隨溫度而變化的系數(shù)，需要建立與溫度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)VpH溫度補(bǔ)償，方法如下：

1)將pH=4.01與pH=9.18的標(biāo)準(zhǔn)溶液降溫至0 ℃左右，然后用恒溫磁力攪拌器逐步加熱到50 ℃。

2)每隔1 ℃，記錄信號(hào)調(diào)理電路輸出電壓VpH1，測(cè)量3次取平均值。

3)根據(jù)下式計(jì)算出KpH值，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

(4)

式中 pH1～pH2為pH=4.01和9.18在溫度T時(shí)pH值；VpH1～VpH2為pH=4.01和9.18時(shí)信號(hào)調(diào)理電路輸出電壓，V。

4) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合KpH曲線。

在擬合KpH曲線時(shí)，由于KpH的變化趨勢(shì)在不同的溫度范圍內(nèi)呈不同的非線性關(guān)系，難以用一條光滑的曲線去表達(dá)。本文采用最佳分段二次多項(xiàng)式方法擬合KpH曲線，分段區(qū)間通過擬合精度和擬合誤差控制的尋優(yōu)方法確定，二次多項(xiàng)式擬合采用最小二乘法，具體算法如下:

設(shè)KpH曲線上有若干個(gè)點(diǎn)(T1，KpH(T1))，(T2，KpH(T2))，…，(Ti，KpH(Ti))，…，(Tn，KpH(Tn))：

a.選取KpH曲線的初始區(qū)間T1～T1+h，h為步長(zhǎng)，初始值為1。

b.采用最小二乘法對(duì)T1～T1+h區(qū)間數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合。

c.計(jì)算T1～T1+h區(qū)間的擬合精度和各點(diǎn)的誤差

(5)

(6)

d.將擬合精度R2、最大絕對(duì)誤差ΔEmax與擬合精度閾值θ和允許誤差閾值ΔE比較，若ΔEmax≤ΔE，且R2≥θ，則令h=h+1，將區(qū)間T1～T1+h擴(kuò)大，然后返回步驟b;否則,轉(zhuǎn)步驟e。

e.T1～T1+h為最佳分段區(qū)間，不能再擴(kuò)大，令n=h+1，選擇下一區(qū)間Tn～Th+1，返回步驟b，重新對(duì)新區(qū)間進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，直到區(qū)間所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都擬合完成。

根據(jù)以上方法，建立KpH曲線方程如下

KpH=

(7)

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為節(jié)點(diǎn)嵌入式軟件和監(jiān)測(cè)中心軟件兩部分，節(jié)點(diǎn)嵌入式軟件是基于IAR Embedded Workbench集成開發(fā)環(huán)境，采用面向硬件操作的單片機(jī)C語(yǔ)言編程開發(fā)，程序設(shè)計(jì)采用模塊化編程方式，主要包括主程序、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送、串口通信等模塊。監(jiān)測(cè)中心軟件使用ViusalBasci 6.0進(jìn)行開發(fā)，通過VB 6.0自帶的MSCOMM控件獲取匯聚節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4.1 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

1)主程序

在主程序中，節(jié)點(diǎn)周期性地采集數(shù)據(jù)，采集時(shí)間間隔設(shè)為30 min，每次采集完畢后立即關(guān)閉傳感器電源，以減少能耗，同時(shí)設(shè)置另一個(gè)定時(shí)器，作為發(fā)送本地采集數(shù)據(jù)的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)可以接收和轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)送時(shí)間到，節(jié)點(diǎn)將本地采集數(shù)據(jù)發(fā)送出去。如果接收到匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的同步信息，傳感器節(jié)點(diǎn)調(diào)整本地系統(tǒng)時(shí)間，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到下次采集時(shí)間到,再開始新一輪的采集工作，節(jié)點(diǎn)主程序流程如圖4所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)軟件主程序流程圖

2)數(shù)據(jù)采集程序

設(shè)定定時(shí)器Timer_A的定時(shí)時(shí)間為15 s，通過一個(gè)全局變量TIMERROUND控制采集周期。每次定時(shí)中斷到來(lái)時(shí)，CPU被喚醒，從低功耗模式轉(zhuǎn)入工作模式，然后對(duì)TIMERROUND累加1并判斷，當(dāng)TIMERROUND值加到118時(shí)，打開繼電器給傳感器模塊通電預(yù)熱，然后等待下一個(gè)定時(shí)中斷到來(lái)，當(dāng)TIMERROUND值加到119時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，pH值和溫度信號(hào)調(diào)理電路輸出電壓分別送入A/D轉(zhuǎn)換器A0,A1通道，每個(gè)通道采集3次，然后計(jì)算各通道采集數(shù)據(jù)的平均值并存儲(chǔ)。當(dāng)TIMERROUND值加到120時(shí)，先打開無(wú)線通信接收模塊，使節(jié)點(diǎn)能夠及時(shí)接收其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后再將采集的數(shù)據(jù)打包并無(wú)線發(fā)送，最后將TIMERROUND值清零，這樣，每次數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔為120×15 s=30 min，數(shù)據(jù)采集程序流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集流程圖

4.2 監(jiān)測(cè)中心軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)中心軟件能夠方便養(yǎng)殖戶查看水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)中心軟件采用VB 6.0編程開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)曲線繪制、歷史曲線繪制、歷史數(shù)據(jù)查詢和匯總、越限報(bào)警和參數(shù)設(shè)置等功能。

5 結(jié)果與分析

5.1 擬合誤差

為比較擬合結(jié)果，將本文最佳分段二次多項(xiàng)式擬合方法與二次多項(xiàng)式擬合方法、指數(shù)函數(shù)擬合方法比較，計(jì)算對(duì)應(yīng)的RMSE,MRE,Emax和R2值，并繪制KpH擬合誤差曲線，計(jì)算結(jié)果如表1所示，擬合誤差曲線如圖6所示。

從表1可以看出:三種方法的擬合精度都比較高，但最佳分段二次多項(xiàng)式擬合在3個(gè)分段區(qū)間的RMSE,MRE,Emax值都低于二次多項(xiàng)式擬合與指數(shù)函數(shù)擬合方法，并且從圖6可以看出:最佳分段二次多項(xiàng)式擬合程度最好，擬合誤差分布最均勻，表明最佳分段二次多項(xiàng)式具有較高的準(zhǔn)確性。

表1 KpH擬合曲線的評(píng)價(jià)指標(biāo)

圖6 KpH擬合誤差曲線

5.2 水質(zhì)參數(shù)采集測(cè)試

2012年9月，利用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，在廣東省珠海市斗門區(qū)白蕉鎮(zhèn)之山水產(chǎn)公司養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)共采用11個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為匯聚節(jié)點(diǎn)與PC連接，用于收集傳感器節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)，并發(fā)送給PC機(jī)進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)管理；5個(gè)節(jié)點(diǎn)作為傳感器節(jié)點(diǎn)，配置PHG—96FS型pH復(fù)合電極，用于采集魚塘pH值和水溫?cái)?shù)據(jù)；另外5個(gè)節(jié)點(diǎn)作為路由器節(jié)點(diǎn)，用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。實(shí)驗(yàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)25 d，以驗(yàn)證系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)恼_性。

圖7為各節(jié)點(diǎn)在10月20日的pH值實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線。從圖中可以看出：各節(jié)點(diǎn)的pH值實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線變化范圍較小，數(shù)據(jù)在7～9之間變化，符合水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中對(duì)pH值的要求。

圖7 pH值實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線

6 結(jié) 論

1)本文設(shè)計(jì)了一種水產(chǎn)養(yǎng)殖pH值無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)于保證水產(chǎn)養(yǎng)殖的安全生產(chǎn)、減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2)針對(duì)pH值測(cè)量易受溫度影響的特點(diǎn)，采用最佳分段的二次多項(xiàng)式方法擬合溫度系數(shù)KpH曲線，實(shí)現(xiàn)了pH值

測(cè)量軟件溫度補(bǔ)償，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。與二次多項(xiàng)式和指數(shù)函數(shù)擬合方法相比，采用最佳分段的二次多項(xiàng)式方法擬合KpH曲線，擬合程度最好，擬合誤差分布最均勻。

3)測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸正常，滿足實(shí)際運(yùn)行的需要。

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