晏陽 李坤杰 周平

摘要：針對傳統(tǒng)水產養(yǎng)殖水質監(jiān)測裝置存在的水質監(jiān)測傳感器工作壽命短、水質信息采集頻率不固定等問題，設計出一種基于光伏供電的水產水質檢測平臺。通過檢測模式創(chuàng)新設計、供電模式創(chuàng)新設計，在完成水質檢測后，由螺桿傳動機構帶動固定在其底部的水質傳感器脫離水體。實現(xiàn)非檢測時期水質傳感器和被檢測水體的非直接接觸，延長水質傳感器使用壽命。在監(jiān)測中心預先設定水質信息采集的頻率，到達檢測時間就控制螺桿傳動機構下降，使水質監(jiān)測傳感器深入被檢測水體中，實現(xiàn)定時檢測。光伏陣列給平臺各單元供電，使平臺結構更加簡潔。利用單片機（STM32F4、MAX813看門狗芯片）控制螺桿傳動機構的升降，ZigBee網絡進行數據的傳送。結果表明，該設計方案能滿足水產養(yǎng)殖的需求，使水質監(jiān)測傳感器壽命延長80%，檢測精度提高35%，為水產養(yǎng)殖領域提供了一種可靠的方案。

關鍵詞：水產養(yǎng)殖；檢測平臺；光伏供電

中圖分類號：S237 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2018）20-0128-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.20.030 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： Aiming at the problems of water quality monitoring sensor in traditional aquaculture water quality monitoring device，such as short working life and not fixed water quality information collection frequency，a new type of aquatic water quality testing platform based on PV is designed. Through the detection mode innovation design，innovative design of power supply mode，after the completion of water quality testing，driven by screw drive mechanism fixed at the bottom of the water quality sensor from the water，to achieve the non-detection of water quality sensors and detected water in the indirect contact，prolong the service life of water quality sensor，in the monitoring center preset water quality information collection When the detection time is reached，the screw transmission mechanism is lowered，so that the water quality monitoring sensor is deeply detected in the water body and the timing detection is realized. The PV array is used to power the units of the platform to make the platform structure more concise. Through Single-chip microcomputer（STM32F4，MAX813 watchdog chip） to control the Take-off and landing of screw transmission mechanism，ZigBee network data transmission. The experimental results show that the proposed scheme can meet the needs of aquaculture，prolong the life of water sensor by 80% and improve the detection accuracy by 35%，which provides a reliable scheme for the aquaculture field.

Key words： aquaculture；testing platform；photovoltaic power supply

隨著人們生活水平的提高，人們對水產品的需求量越來越大。農業(yè)農村部在《全國漁業(yè)發(fā)展第十三個五年規(guī)劃（2016-2020）》中明確提出到2020年漁業(yè)產值達到14 000億元，增值8 000億元，漁業(yè)產值占農業(yè)總產值的10%左右。市場的需求和政府強有力的支持推動了水產養(yǎng)殖行業(yè)的快速發(fā)展。良好的養(yǎng)殖水質對水產養(yǎng)殖來說是必須的，否則會帶來巨大的健康問題以及經濟損失[1]。水溫和pH是衡量水質的重要指標。水溫的變化直接影響魚體內活性氧含量及抗氧化酶的活性，使機體產生應激反應以適應外界環(huán)境的改變，若長期處于應激狀態(tài)，會導致魚體免疫防御能力和抗病力下降，影響魚類的生長[2]。pH則影響魚類的生長繁殖，pH過高，會使魚的鰓組織因受腐蝕而患爛鰓??；過低，會降低載氧能力，造成缺氧癥[3]。因此，水產養(yǎng)殖行業(yè)健康穩(wěn)定的發(fā)展離不開對養(yǎng)殖水體水溫和pH等水體參數的監(jiān)測。養(yǎng)殖水體水質監(jiān)測方法經歷了3個階段：傳統(tǒng)經驗法、化學法和儀器法[4-6]。目前，市場上的各類水產養(yǎng)殖水質監(jiān)測裝置主要存在以下不足：①水質傳感器固定浸埋水中，傳感器損耗大、工作壽命短；②水質信息采集頻率不固定。

針對以上存在的水質監(jiān)測傳感器工作壽命短、采集頻率不固定的問題，本研究設計出一種結構簡單、操作方便的基于光伏供電的水產養(yǎng)殖水質檢測平臺，以期解決以上問題為水產養(yǎng)殖戶提供便利。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 結構設計

該平臺主要包括光伏供電單元、數據檢測傳送單元和監(jiān)測中心。利用光伏電池塊將太陽能傳換為電能，為水質檢測平臺的各個單元提供能量。螺桿傳動機構和水質傳感器互相配合完成水質檢測。通過ZigBee網絡完成數據傳送，監(jiān)測中心實現(xiàn)水質數據的分析和儲存。系統(tǒng)結構如圖1所示。

1.2 功能設計

利用光伏電池塊的串并聯(lián)為水質檢測平臺的各單元提供能量。通過單片機發(fā)送指令控制螺桿傳動機構和水質傳感器產生相應的動作以完成水質檢測，并對數據信息進行處理。ZigBee網絡將水質信息傳遞給PC移動端口的監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心實現(xiàn)數據的統(tǒng)計、儲存，方便后期查詢。圖2為基于光伏供電的水產水質檢測平臺功能設計。

2 單元設計

2.1 光伏發(fā)電單元

太陽能光伏發(fā)電是利用太陽能電池的光伏效應，將太陽光輻射能直接轉換成電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)[7]。本研究通過鋪設在平臺上的11塊深色矩形單晶硅光伏電池塊的串并聯(lián)供電來滿足螺桿傳動機構以及水質傳感器的電壓電流要求，提供能量。光伏組件設計尺寸為1 275 mm×1 380 mm，光伏電池塊的設計尺寸為340 mm×420 mm，光伏電池塊間隔5 mm，輸出電壓為12 V，輸出功率為20 W，轉換效率在17.5%以上。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、光伏控制器、充電控制器、蓄電池組和逆變器等組成。光伏陣列可以將太陽能轉換為直流電能，在太陽光照的情況下輸出電能。光伏陣列的輸出端接入匯流箱進行匯流。光伏控制器主要對光伏陣列的輸出進行控制，包括最大功率點跟蹤控制（MPPT控制）等，使光伏陣列達到最大輸出功率。充電控制器采用智能控制的方式，能夠高效地將光伏陣列輸出的電能存儲到蓄電池組中，以備陽光不足或者無光的情況下使用。根據負載需要，該水質檢測平臺選用鉛酸蓄電池作為儲能環(huán)節(jié)。當發(fā)電量大于負載所需用電量時，光伏陣列通過充電器對蓄電池充電；當發(fā)電量不足時，太陽能和蓄電池同時對負載供電。光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中將直流電變換成交流電的設備[8]。當光伏陣列發(fā)電不足或蓄電池能量儲存不足時，可以啟動備用發(fā)電機組，發(fā)電機組既可以直接給交流負載供電，又可以經整流器進行整流后給蓄電池充電?？刂破鳌⒛孀兤?、蓄電池組和備用發(fā)電機等裝置均安裝在平臺上的電氣箱中。

2.2 數據收集傳送單元

2.2.1 水質監(jiān)測傳感器選型 影響水產養(yǎng)殖的關鍵參數包括水溫（T）、酸堿度（pH）、溶解氧（DO）、電導率、濁度、光照度等[9，10]。本研究主要以水溫和pH作為監(jiān)測養(yǎng)殖水質的指標，利用溫度傳感器和pH傳感器分別對其進行檢測。

pH傳感器：目前主要用于測量pH的電極是玻璃pH電極。測量pH的電池組成為SCE||試液|玻璃膜|內參比溶液|AgCl。玻璃pH電極是一種離子選擇性電極，具有靈敏、快速、選擇性高等特點[11]。因此，玻璃pH電極是本裝置的最佳選擇，選用上海陸基機電科技有限公司研發(fā)的ZA-PH-A101。該pH傳感器自帶溫度補償器件，且可以通過傳感器直接讀取溫度值，故不再單獨選用溫度傳感器。

2.2.2 無線傳感網絡的選擇 WLAN技術、藍牙技術、UWB技術和ZigBee技術是主要的無線通訊技術。①無線區(qū)域網（WLAN）是一種借助無線技術取代以往有線信道方式構成計算機局域網的手段，以解決有線方式不易實現(xiàn)的計算機的可移動性[12]，但其設備昂貴且不適合小型設備。②藍牙技術是一種數據與語音通信開放性全球規(guī)范，協(xié)議版本為802.15.1，工作于2.4G ISM波段，可通過增大發(fā)射功率增大傳輸距離[13]，但藍牙技術的價格昂貴且抗干擾能力較弱。③UWB技術。美國聯(lián)邦通信委員會將絕對帶寬大于500 MHz或者相對帶寬>20%的信號定義為超寬帶信號（UWB）[14]。UWB可以提供100 Mbps以上的運輸速率，適合近距離內高速傳送大量數據。④ZigBee技術是一種新興的近距離無線通信技術，是無線傳感器網絡（Wireless sensor network，WSN）的核心技術之一。使用該技術的節(jié)點設備能耗特別低，自組網無需人工干涉，成本低廉，設備復雜度低且網絡容量大[15]。由于水質檢測平臺工作在露天環(huán)境，所以其數據傳送的主要要求是能耗低、通信成本小。相對于其他的無線通信技術，ZigBee網絡的功耗和成本都比較低，且網絡容量大，可以實現(xiàn)大規(guī)模的數據采集以及傳輸，所以該裝置采用ZigBee無線技術實現(xiàn)水質數據的傳輸。

2.2.3 水質檢測平臺工作流程 以螺桿傳動機構為載體，將水質傳感器固定在螺桿傳動機構的底部，并且采用嵌入式處理器STM32為控制器，結合串口電路建立與水質傳感器之間的聯(lián)系。與之連接的基本電路都鋪設于平臺下表面，控制器安裝于電氣盒中，利用光伏供電系統(tǒng)對水質傳感器和螺桿傳動機構等提供動力。當水質監(jiān)測裝置開始工作時，先判斷是否已經到了檢測時間，沒有到達則繼續(xù)等待。到達預先設定的檢測時間后，STM32向水質傳感器發(fā)送檢測命令。根據預先設定螺桿傳動機構的下降距離將水質傳感器深入到被監(jiān)測水體之中。到達預定位置后進行溫度和pH的檢測。延時5 ms后STM32接收傳感器返回的數據，數據接收完整后進行校驗。若校驗結果不正確則重新發(fā)送數據采集指令，重新接收傳感器數據。校驗成功則繼續(xù)進行下一步，將接收到的數據進行濾波處理以消除外界環(huán)境及系統(tǒng)所帶來的不確定干擾。STM32控制器將計算得到的水質數據打包發(fā)送給ZigBee網絡，使數據接入ZigBee網絡。監(jiān)測中心接收傳送的水質信息，并將其保存在本地數據庫中，以便隨時查看。

2.3 監(jiān)測中心

監(jiān)測中心由參數設置、實時監(jiān)測、數據處理、數據管理和用戶管理5個模塊組成。參數設置用來設置水體檢測間隔時間的長短以及螺桿傳動機構下降的距離和通信參數。實時監(jiān)測模塊根據反饋回來的水質參數，以圖表的形式反映水質的變化，做到實時、準確。數據處理模塊對反饋回來的數據進行分析處理，并產生水質預警模型。數據管理模塊對歷史數據進行進行查詢、統(tǒng)計和圖表顯示；用戶管理模塊可以進行用戶信息的修改和調整權限，使不同身份的用戶訪問特定的數據資源，監(jiān)測中心結構如圖5所示。

3 精度測試試驗

3.1 測試內容

檢測試驗裝置相關數據的準確性，在安徽農業(yè)大學機電工程院進行水產養(yǎng)殖水質檢測平臺的模擬試驗。通過該檢測平臺和其他標準水質監(jiān)測裝置對同一水樣進行水溫和pH的檢測，來判斷該裝置數據監(jiān)測的準確程度。

3.2 測試方法

啟動裝置，設置好相關參數，開始檢測。待螺桿傳動底端到達預定位置時，利用水質傳感器對水樣進行檢測。對比的水質檢測設備采用的是美國HACH公司的HQD臺式水質分析儀，該分析儀可以同時對11個參數進行測量，取其中的pH作為該裝置的對比。溫度的對比儀器采用溫度計。將HQD的pH電極和溫度計也同時放到被檢測水樣的相同深度，每分鐘讀數一次，共測量5次。

3.3 測試結果

從表1中可以看出，該裝置的水質數據檢測相對誤差較小。水溫的相對誤差小于0.39%，pH的相對誤差小于0.84%。與市場先進儀器的測量值較接近。該水產養(yǎng)殖水質檢測平臺的檢測精度較好，可以很好地應用于水產養(yǎng)殖水質監(jiān)測。

4 結語

本研究開發(fā)一種基于光伏發(fā)電的水產檢測平臺，利用檢測工作模式創(chuàng)新設計，在水質檢測時期，螺桿傳動機構帶動水質傳感器向下深入被檢測水體中，檢測完成后帶動水質傳感器脫離被檢測水體，保護水質傳感器、延長傳感器使用壽命。預先設定采集頻率，數據收集更加全面。利用供電模式創(chuàng)新設計，采用光伏電池塊串并聯(lián)供電來滿足檢測平臺的用電需求。將數據傳輸回PC移動端進行分析和儲存，方便后期對水質信息的統(tǒng)計和查詢，實現(xiàn)水質信息檢測、傳送和儲存一體化。通過對比試驗發(fā)現(xiàn)采集數據精度較高，能較好滿足設計要求，為水產養(yǎng)殖戶監(jiān)測養(yǎng)殖水質提供了一種可靠方案。

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