面向魚塘養殖的水質檢測裝置研究與性能試驗

□ 汪 洋 呂石祥 肖茂華 朱 虹 汪小旵 耿國盛

（1.南京農業大學工學院，江蘇 南京 210031；2.金湖金龍祥漁業設備有限公司，江蘇 淮安 223000；3.江蘇省農機具開發應用中心，江蘇 南京 210017）

在過去的幾十年間，水產養殖業已經成為世界食品領域增長最快的行業［1］。我國正處于漁業發展的關鍵轉型期，漁業供給側改革不斷深化，水產養殖也從傳統的盲目追求量的提升，逐漸轉向精準、可持續發展的道路。我國水產養殖現狀是較低的科技水平與較高經濟規模上的不匹配，傳統的養殖方式過于依賴養殖戶的經驗水平，容易造成主觀性錯誤，對于資源浪費也是十分嚴重［2］，水產養殖業的產業轉型是必然的，這需要真實準確的養殖數據來科學指導水產養殖工作［3］。因此，研究水質檢測設備對于水產養殖的數字化升級具有重要意義［4］。

目前我國水質檢測技術水平與國外發達國家相比仍有較大差距［5］，在高精度傳感器方面仍處于被國外壟斷的局面［6］，國內對水產養殖領域的水質檢測設備進行了大量研究，但目前所開發的系統仍沒有解決產品價格高、維護周期短、難以大規模推廣使用等問題。針對上述問題，本文設計一套完整的檢測裝置來檢測水域的溶解氧濃度、pH值、水溫等重要指標，通過下位機屏幕實現水質數據的可視化。該系統功能比市場上單一的檢測儀器更加完善，價格相較于國外產品有較大優勢。

一、系統總體架構設計

本文檢測系統主要由水質采集節點、數據傳輸節點組成［7-8］，其中水質采集節點由各種傳感器組成，包括溫度傳感器、PH傳感器以及溶解氧傳感器，數據傳輸節點由STM32主控制單元以及電源所組成，傳感器通過BNC接口接入調理模塊，調理模塊通過杜邦線連接單片機的對應引腳，多節點相互配合對水產養殖水域的水溫、pH值和氧含量進行數據采集，同時系統能夠在開發板的屏幕上實現采集數據可視化。

二、下位機硬件模塊設計

（一）STM32主控芯片

STM32代表ARMCortex-M內核的32位微控制器，是由意法半導體公司研發出的嵌入式單片機，截至目前，該公司已向市場推出STM32基本型、增強型等多個系列產品，在世界單片機領域處于領先地位［9］。選用STM32為開發工具主要在于其優異的性能，如該處理器功耗低，支持兩種低功耗模式；由于內部集成ARMCortex-M內核，與16位和8位處理器相比，代碼處理效率大大提升；內存較大，支持程序存儲等。

本文綜合考慮產品價格、I/O口數量、處理器性能、功耗等因素，最終選擇STM32F103ZET6芯片作為本系統的主控芯片，該芯片作為F103增強型系列擁有較高數量的I/O口以及數據通信接口，是一款性價比高、功耗低、程序處理速度快的高性能芯片，已被廣泛應用于生活中的各種電子產品中。

（二）溫度檢測單元

溫度傳感器是指能夠感知被測物體溫度，輸出對應信號的傳感器。對于水產養殖領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，不能過分地追求傳感器的測量精度，同時需要保證傳感器抗外界干擾能力強、能耗低、體積較小，能夠在惡劣的環境下工作［10］。

常見的溫度傳感器主要有模擬信號接口和數字信號接口，在傳統模擬信號輸出的溫度傳感器應用中，需要解決引線誤差補償、放大電路零點漂移等問題，才能夠達到較高的測量精度，而選用數字信號輸出的傳感器則可以避免這些技術問題，因此本文選擇DS18B20數字型溫度傳感器，進行水產養殖領域的溫度檢測，其溫度測量范圍達到-55～+125℃，探頭使用了不銹鋼材質封裝，防水防潮防生銹。該數字型DS18B20溫度傳感器體積小、精度較高、抗干擾能力強，在實際工程應用中應用十分廣泛。溫度傳感器通過對應接口接入調理模塊，該調理模塊集成了PH傳感器的調理電路，方便進行軟件溫度補償設計。

（三）pH檢測單元

pH值是水產養殖水質參數的一個重要指標，在自然生存環境中較為適合魚類生長的pH值通常要求在7.0～8.5之間，而對于可檢測酸堿度的傳感器，類型較為豐富，從價格與檢測精度多方面綜合，本文選擇了玻璃電極型傳感器，在實際的水產養殖領域中也普遍采用該類型傳感器，其原理是用電極測電位的方法來實現［11］，即電極在接觸溶液時，表層的玻璃膜上會形成一個變化的電勢，通過測量電勢差來獲取pH值。在此次試驗過程中，設計的為E-201-C復合電極傳感器，其測量靈敏度數值高，能夠抵御水域中的復雜因素干擾，測量精度為±0.01pH，響應時間低于1min，溫度適用范圍0～60℃。

在本設計開發中，通過PH傳感器調理模塊擴展DS18B20型溫度傳感器接口，方便進行軟件溫度補償設計，傳感器通過模塊的BNC接口與其連接進行采集信號輸入，為了使傳感器的信號輸出與開發板的AD轉換器的輸入進行良好的匹配，需要進行信號調理電路的設計。本文PH模塊的調理電路設計如圖1所示，主要包括DS18B20調理電路、PH信號放大電路。

圖1 PH傳感器模塊的調理電路設計

（四）溶解氧檢測單元

溶解氧參數是水生生物健康生長的關鍵因素，對于水體溶解氧的測定，通常使用溶解氧在線檢測傳感器來完成。溶解氧檢測傳感器根據原理通常分為三種，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格較為昂貴，而極譜型傳感器在使用前需要預熱。從產品的技術特點、價格以及使用復雜度綜合考慮，本文選用原電池型溶解氧傳感器進行水體溶解氧的檢測，其檢測范圍達到了0～20mg/L，溫度范圍在0～40℃，響應時間低于1min，電極芯壽命約為1年。在使用該原電池型傳感器時，需要加入0.5mol/L的氫氧化鈉溶液作為電極的填充液，同時為了保證傳感器精度，初次使用的傳感器或使用較長時間的傳感器需要進行校準。

完成傳感器的設計選型后，需要進行傳感器信號調理電路的設計。本系統設計的原電池型溶解氧傳感器通過BNC接口接入調理模塊，調理模塊通過對應引腳與單片機連接完成信號的輸入輸出。該模塊的信號調理電路設計如圖2所示。

圖2 原電池型傳感器模塊的信號調理電路設計

三、水質采集節點軟件設計

在完成系統硬件的設計后，需要對各節點進行軟件開發，完成程序植入才能使各個模塊正常工作。本文采用標準的單片機開發環境Keil5軟件進行系統軟件設計，編程語言為C語言。對于水質采集節點的程序設計主要通過檢測程序來采集水產養殖水環境的各參數，同時對采集的傳感器信號進行A/D轉換，獲取到數字值存儲，具體的程序步驟如下：

步驟1：在對下位機供電后，下位機系統首先進行初始化操作，包括開發板顯示屏初始化、串口初始化、按鍵初始化、DS18B20初始化等。

步驟2：完成系統的初始化后，由數據采集子程序讀取指令，判斷是否進行水質參數的讀取，邏輯判斷通過后依次進行pH值、水溫、溶解氧濃度的獲取，否則發送命令錯誤，向用戶發送警報。

步驟3：采集數據后再次校驗數據是否讀取完畢，如果讀取完畢即通過，否則進行數據的循環讀取。

步驟4：執行ADC轉換器，對模擬信號轉換為數字量，對于DS18B20傳感器采集的水溫不需要執行此程序，該傳感器直接為數字信號輸出。

步驟5：對傳感器采集的數據進行數據封裝，并將封裝的數據包存儲。讀取獲取單片機屏幕位置程序，將存儲數據對應顯示，執行結束。

通過以上全部的步驟，完成了對水質采集節點的軟件設計。

四、系統性能試驗

（一）試驗系統組成

本文通過選用合理的處理器芯片、傳感器組，將各調理模塊連接形成了統一的整體，并通軟件編程設計了完整的水質檢測程序，為了驗證本系統的測量效果，需要進行實地的水質檢測試驗。在進行水質采集試驗前，將各硬件模塊進行相應封裝，傳感器的BNC接口預留在外，試驗時將外部傳感器連接BNC接口即可。

（二）水質采集試驗

利用本文設計的系統，2022年1月在南京農業大學博遠樓水產養殖模擬池進行了相關的系統試驗，試驗主要通過比對本系統和市場成熟產品采集的水質參數，計算兩者誤差，驗證該系統的測量精度。采集試驗兩小時進行一次，三類傳感器共18組數據，測量結果與PH818型檢測筆和AR8010溶解氧檢測儀的檢測值進行對比，實驗數據如表1所示。實驗結果表明，本文研制的系統與水產養殖標準儀器測量值相近，其中水溫、pH值和溶解氧的測量平均相對誤差分別為4.15%、2.18%、2.80%，測量精度能夠滿足實際水產養殖需求，檢測效果良好。

表1 水溫、pH值和溶解氧的測試結果

五、結語

（1）本文設計了一套水產養殖水質檢測裝置，系統通過傳感器節點采集水溫、pH值和溶解氧濃度，實現了數據可視化，完成養殖水域的智能化檢測。整套系統使用方便性價比高，避免使用價格昂貴、難以維護的水質檢測儀。

（2）本系統的相關試驗表明系統運行穩定，數據檢測效果良好，與市場上成熟的水質檢測儀測量精度相近。本研究對于水產養殖嵌入式設備的研發和我國傳統漁業的轉型升級具有一定的參考價值。