基于氨氣敏電極法的水產養殖氨氮在線監測系統設計＊

胡 圍 ， 劉木華 ， 趙進輝

（1.江西農業大學工學院，江西 南昌 330045；2.江西省現代農業裝備重點實驗室，江西 南昌 330045）

0 引言

近年來，隨著水產養殖行業的發展和養殖區域的合理規劃，水產養殖的集約化程度不斷提高[1]。高集約化的養殖模式為養殖戶帶來了可觀的經濟收益，但養殖密度與投餌頻率的提高，容易導致魚體糞便和殘餌中的氮元素發酵生成氨氮等有毒物質，對養殖魚體生長和水體環境造成危害[2,3]。當水體氨氮含量大于2 mg/L時，養殖魚體會出現大量的中毒死亡[4]。目前水產養殖氨氮的檢測方式普遍是人工使用氨氮測量試劑盒或便攜式水質測量儀進行檢測，但人工操作誤差較大，便攜式儀器依賴于操作人員的技術水平，檢測重復性不高，并且人體長期接觸化學試劑容易對健康造成損害。因此，設計一款水產養殖氨氮在線監測系統，對于提高養殖水體氨氮檢測效率，保證養殖魚體的健康生長和降低養殖戶經濟損失有著極其重要的意義。

該設計的氨氮在線監測系統實現了水產養殖水體氨氮的遠程在線監測，管理人員可以通過手機或電腦等終端設備查看當前養殖水體氨氮濃度。當氨氮濃度超出系統設置范圍時，系統能夠自動向管理人員手機發送預警信息，提示管理人員及時處理異常情況，避免魚體中毒死亡造成經濟損失。

1 系統結構設計

采用氨氣敏電極法作為養殖水體氨氮檢測方法。檢測原理基于化學反應： 產生氨氣，數據采集模塊通過氨氣敏電極采集氨氣參數，再通過標定公式計算得出待測液的氨氮濃度。根據氨氣敏電極法的氨氮檢測反應條件對系統進行結構設計，如圖1所示。氨氮在線監測系統上電后進行初始化，初始化完成后檢測電極是否處于初始電位，若電極處于初始電位，執行檢測流程。檢測流程如下：首先，潛水泵將養殖池塘內泥沙過濾器中的水抽取到計量桶，抽取完成后潛水泵關閉，打開排液閥將計量桶中固定體積的待測水樣排入氨氮反應測量池中，溫度傳感器和pH傳感器將采樣數值傳輸至硬件電路的主控模塊；然后，左側的試劑儲存添加單元打開蠕動泵向氨氮反應測量池中添加堿化屏蔽劑，主控模塊通過定時器獲取采樣時間，采樣完成后得到氨氣敏電極輸出電位；最后，主控模塊通過4G通信模塊將水體溫度、pH值和氨氣敏電極輸出電位等數據無線傳輸至遠程數據監控平臺，打開廢液排出電磁閥，將氨氮反應測量池中的反應廢液收集到廢液缸內；試劑儲存添加單元打開右側蠕動泵向氨氮反應測量池中添加檸檬酸清洗液，將電極電位清洗至初始電位值，清洗完成后廢液排出，完成氨氮檢測流程。

圖1 水產養殖氨氮在線監測系統結構示意圖Fig1 Structure diagram of aquaculture ammonia nitrogen online monitoring system

2 系統硬件電路設計

根據上述水產養殖氨氮在線監測系統的功能需求，采用Altium Designer 18電路設計軟件，對系統的硬件電路進行設計。硬件電路主要由主控芯片模塊、數據采集模塊、RS-485通信模塊、電源降壓模塊、4G無線通信模塊、蠕動泵驅動控制模塊和繼電器控制模塊等部分組成。其中，主控芯片模塊、數據采集模塊和蠕動泵驅動控制模塊是硬件電路設計的關鍵。系統硬件原理框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件原理框圖Fig2 System hardware principle block diagram

2.1 主控芯片模塊電路

主控芯片模塊負責模塊之間的數據交換和指令傳輸，是各個模塊的操作管理中心。該模塊選用STM32F407ZGT6芯片為主控芯片，該芯片主頻高達168 MHz，擁有豐富的功能寄存器資源，能夠滿足本系統的功能需求。主控芯片模塊的電路主要是圍繞STM32F407ZGT6最小系統電路進行設計，最小系統電路主要由以下幾部分組成：按鍵復位電路、SWD串口調試電路、時鐘電路和CJA1117穩壓電路。主控芯片模塊最小系統電路[5]如圖3所示。

圖3 主控芯片模塊最小系統電路Fig3 Minimal system circuit of main control chip module

2.2 數據采集模塊電路

數據采集模塊電路主要負責水體氨氮和水體溫度的數據采集[6]。數據采集模塊選用亞諾德半導體公司的CN0326模塊，該模塊主要由AD8603、AD7793和ADuM5401這3個芯片組成。數據采集模塊電路如圖4所示。考慮到氨氣敏電極內pH玻璃電極的內阻等同于1 MΩ的超大電阻，當該1 MΩ的內阻與玻璃電極電壓源串聯時，若流過該內阻的電流過大，其內阻分壓會給電極輸出電位帶來巨大的電壓衰減。為了避免上一級輸出阻抗遠大于下一級輸入阻抗所帶來的信號衰減，因此選用高輸入阻抗的電壓跟隨器AD8603[7]。氨氣敏電極和溫度電極的信號通過24位分辨率ADC芯片AD7793進行采集，采樣頻率可通過自定義配置，最高可達470 Hz。由于電極的采集信號都是以mV為單位的微弱信號，容易受到養殖池塘現場檢測環境中噪聲和電源瞬變電壓的影響。為抑制這些常見噪聲和電源對電極采集信號的干擾，該模塊選用ADuM5401芯片用于隔離主控芯片模塊和AD7793數字電路之間的電源對數字信號的干擾。

圖4 數據采集模塊電路Fig4 Data acquisition module circuit

2.3 蠕動泵驅動控制模塊電路

蠕動泵驅動控制模塊主要是用于試劑儲存添加單元為氨氮測量池添加試劑時完成蠕動泵的試劑抽取添加操作。蠕動泵的工作原理是通過內部步進電機旋轉帶動泵頭轉動，從而擠壓泵管內液體流動將試劑準確抽取添加。蠕動泵驅動控制模塊電路如圖5所示。A4988是一款功能實用且價格實惠的步進電機驅動板，其廣泛適用于3D打印和數控機床等精密操作領域[8,9]。在主控芯片模塊通過A4988控制蠕動泵時，還需要有1個470 μF的電解電容對A4988模塊進行電源保護。該模塊主要通過3個引腳控制蠕動泵運轉，EN為使能引腳，由于該引腳為低電平有效，即EN使能低電平時，A4988才能驅動電機運轉。若該引腳懸空，則A4988默認為使能狀態，即該引腳沒有連接任何電平時，A4988可以正常工作；STEP引腳為步進引腳，該引腳用于通過主控芯片模塊向A4988發送PWM脈寬調制信號，A4988接收到此信號后，會根據MS1、MS2和MS3引腳控制電機運轉，這里將3個引腳全部接上3.3 V，以全步進方式驅動；DIR為方向引腳，收到高電平時，A4988將控制電機逆時針旋轉；低電平則相反。

圖5 蠕動泵驅動控制模塊電路Fig5 Peristaltic pump drive control module circuit

3 系統軟件設計

系統軟件分為遠程數據監控平臺上位機軟件和水產養殖氨氮在線監測下位機軟件。上位機軟件是基于SpringMVC框架搭建的JavaWeb網頁平臺[10]，下位機軟件采用C語言進行編寫。上位機和下位機通過4G-DTU無線通信模塊進行數據傳輸，完成數據的采集、現場檢測部件的控制和氨氮反應測量池的自動清洗。

3.1 下位機軟件設計

下位機軟件主要由初始化程序、中斷程序和主程序組成。初始化程序在系統上電時對主控芯片的各功能寄存器進行初始化。中斷程序包括定時器中斷和串口中斷，主控芯片在接收到上位機指令時進入串口中斷服務程序，操作硬件模塊完成相應的功能。主程序包括水樣的自動采集、水體數據的采集和數據的無線傳輸等。氨氮自動測量流程圖如圖6所示。

圖6 氨氮自動測量流程圖Fig6 Ammonia nitrogen automatic measurement flow chart

系統上電初始化完成后，管理人員通過遠程監控平臺對系統的運行情況進行查看。若運行正常，管理人員通過上位機發送自動采集指令，主控芯片模塊控制水樣采集計量單元打開潛水泵，將養殖池塘中經過泥沙過濾后的養殖水抽入計量桶中，抽取完成計量結束后打開出樣口電磁閥，使得待測水樣流入氨氮測量池中。主控芯片模塊控制數據采集單元測量水體溫度和pH值，水體數據測量結束后，試劑儲存添加單元打開蠕動泵抽取10 mL堿化屏蔽劑注入氨氮測量池。氨氮檢測反應結束后，將采集到的氨氣敏電極輸出電位值和水體數據通過無線傳輸模塊發送至遠程數據監控平臺，通過標定公式計算得出氨氮濃度，將氨氮濃度和水體數據顯示在上位機數據可視化界面，便于管理人員查看。

3.2 上位機軟件設計

為了便于管理人員遠程實時查看養殖水體數據，該系統在遠程服務器上搭建了數據監控平臺。管理人員可通過手機或電腦訪問遠程數據監控平臺，查看對應設備的數據詳情，即可看到氨氮現場檢測裝置最新采集的養殖水體數據。顯示的數據包括水體溫度、水體氨氮濃度和水體pH值等參數和各個數據的走勢圖。實時數據顯示界面如圖7所示。

圖7 實時數據顯示界面Fig7 Real-time data display interface

4 系統測試

氨氣敏電極是電化學傳感器，根據能斯特方程可知，電極輸出電位與待測液氨氮濃度的自然對數呈線性關系[11,12]。使用恒溫水浴鍋控制標準溶液溫度處于25℃，系統控制蠕動泵向待測液中定量添加反應試劑，氨氣敏電極對濃度0.05 ～ 3.00 mg/L的氨氮標準溶液進行檢測，檢測時間為15 min。以氨氮濃度的自然對數為橫坐標，以電極輸出電位為縱坐標，試驗結果如圖8所示。

圖8 氨氣敏電極標準曲線(25℃)Fig8 Standard curve of ammonia gas sensor(25℃)

標準曲線的公式為：y = - 26.92x - 122.53，其中，x為氨氮濃度以e為底的自然對數，y為電極輸出電位值，決定系數(R2) = 0.9862。根據《地表水環境質量標準》[13]要求，水產養殖水體氨氮濃度最高不得超過2.00 mg/L。由標準曲線可知：當待測液溫度為25℃時，氨氮濃度在0.05 ～ 3.00 mg/L范圍內，氨氮濃度的自然對數和電極的輸出電位線性關系良好，R2為0.9862，說明該系統氨氮檢測效果良好，滿足水產養殖氨氮在線監測的要求。

5 結論

本研究以水產養殖水體氨氮為研究對象，基于氨氣敏電極法設計了水產養殖氨氮在線監測系統。該系統實現了水產養殖水體氨氮濃度的自動檢測，養殖人員可通過手機和電腦等終端設備訪問遠程數據監控平臺查看養殖池塘中氨氮的實時數據，解決了人工檢測效率較低和化學試劑影響檢測人員身體健康等問題。該設計基于氨氣敏電極法的水產養殖氨氮在線監測系統可用于水產養殖氨氮含量的遠程自動監測，養殖人員能夠通過該系統及時獲取養殖水體氨氮濃度，減少勞動力成本，降低養殖魚體死亡的損失，提高經濟收益。