張澤彤，徐 喆，佟石磊，盧鴻任，楊藝昕，陳興文，劉 燕

(大連民族大學信息與通信工程學院，遼寧 大連 116605)

0 引言

在水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中，要求對池塘、水庫、工廠化養(yǎng)魚池等多種水體的水質進行實時監(jiān)控，如養(yǎng)殖場、育苗場水源必須檢測確定無化學污染源。養(yǎng)殖過程中，為了預測水質變化趨勢，及時調整水質，每天要多次測定溫度、pH值，溶解氧、氨氮、亞硝酸鹽，硫化物等水質指標[1]。國內用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質檢測儀器一般都是離線式的實驗室檢測方式，需要取樣，檢測結果反饋周期長，難以保證水產(chǎn)養(yǎng)殖的安全。

本裝置具有成本低、體積小、操作靈活等優(yōu)點，實現(xiàn)了遠程的智能化控制以及水質的檢測數(shù)據(jù)的實時傳輸。潛在市場需求很大，可以在國內迅速推廣，有較好的應用前景和推廣價值。

1 系統(tǒng)的整體設計

水質檢測機器人主要由電氣控制和機械執(zhí)行兩部分組成。電控部分主要由STM32單片機控制模塊、濁度傳感器模塊、pH傳感器模塊、溶氧度傳感器模塊、WiFi無線通訊通信模塊、驅動模塊、電源模塊組成，如圖1所示。機械部分包括機器人整體結構。

圖1 系統(tǒng)總體功能框圖

2 硬件部分設計

2.1 pH值測量調理電路

池水的酸堿度(pH值)既影響魚類的生長生活，又影響到池水中的營養(yǎng)素。而且水環(huán)境中出現(xiàn)的任何自然現(xiàn)象、化學變化以及人們漁業(yè)生產(chǎn)活動都會帶來養(yǎng)殖水域的pH值變化。因此pH測量值是水質檢測的重要指標。目前在水質環(huán)境監(jiān)測中應用較廣的是玻璃電極傳感器，其具有測量范圍寬、重復性好、穩(wěn)定性高、精度高、環(huán)境適應范圍廣等特點。本系統(tǒng)中選用上海雷磁E-201-C可充式pH電極傳感器，采用玻璃電極和參比電極組合在一起的復合結構，電壓毫伏級輸出，具有輸入阻抗高的特點及溫度與電壓自動補償功能[2]。其測量是利用玻璃電極與參比電極的電位差的輸出數(shù)值和被測液體的pH值呈線性關系實現(xiàn)的。

當復合電極形成的電位差等于零時，表明被測溶液的pH值為7(即為中性)；當復合電極形成的電位差小于零時，表明被測溶液的pH值大于7(即為堿性)；當復合電極形成的電位差大于零時，表明被測溶液的pH值小于7(即為酸性)。為了滿足STM32單片機的A/D接口的電平大小和極性以及傳感器的高輸入阻抗特性的需求，pH值信號檢測與調理接口電路如2圖所示。

圖2 pH值信號檢測與調理接口電路

2.2 濁度測量調理電路

水的渾濁度主要由水中的無機物和有機物引起，渾濁度過高可影響水味和顏色，其中顆粒物可以吸附或包藏病毒和細菌等有毒有害物質。濁度測量原理是利用傳感器模組內部集成紅外對管的發(fā)射與接收，利用接收管光強與輸出的模擬電壓之間線性來測量的，實際就是采用散射率和透光率來綜合判斷濁度值。當水質清澈時，光線的穿透量就越大，對應的輸出電壓信號就大；反之則表示水質越渾濁。其調理接口電路如圖3所示，傳感器輸出的信號經(jīng)過C1的濾波處理，再經(jīng)運放進行放大處理，最后將信號輸出到STM32的A/D轉換器，轉換后的值可直接用STM32進行處理。

圖3 濁度傳感器調理電路

2.3 溶氧度調理電路

系統(tǒng)應用極譜式原理的DO溶氧電極來測量,以鉑金(Pt)作陰極，Ag/AgCl作陽極,電解液為0.1M氯化鉀(KCl)。測量時，在陽極和陰極間加上極化電壓，氧通過滲透膜在陰極消耗，透過膜的氧量與水中溶解氧濃度成正比，因而電極間的極限擴散電流與水中溶解氧濃度成正比，通過檢測此電流并經(jīng)運算變換成氧濃度。同時熱敏電阻檢測溶液的溫度，并對溶氧濃度進行溫度補償。其調理電路接口如圖4所示。

圖4 溶氧度調理電路

2.4 控制系統(tǒng)設計

機器人控制系統(tǒng)主要由STM32主控板、機舵機驅動、A/D采集以及水陸圖像傳輸?shù)冉M成。由STM32主控制板發(fā)出對水上機器人的運動及水樣數(shù)據(jù)采集等命令。當系統(tǒng)開始工作時，通過遙控器發(fā)出WiFi串口控制指令，STM32接收到指令后，啟動巡游水質采樣工作[3]。

為保障能夠避開水面上障礙順利開展采集工作，系統(tǒng)采用利用WiFi數(shù)據(jù)通信對水面作業(yè)情況進行圖像采集。其具體過程是手機端與機器人端的路由器之間無線通信，STM32單片機串口與路由器相連，這樣實現(xiàn)了水陸之間無線通信。圖像采集使用數(shù)字攝像頭，通過手機端啟動就可以實時顯示水面作業(yè)的情況。

3 系統(tǒng)程序流程設計

使用C語言對機器軟件控制系統(tǒng)進行設計，由運動控制、傳感器采集、無線通信模塊三部分功能程序組成。首先初始化系統(tǒng)進行設定系統(tǒng)的初始信息設置，機器人通過接收地面端控制信號來控制機器人。當接收到運動信號時，通過指定引腳輸出不同占空比的PWM波信號來控制舵機的擺動，從而實現(xiàn)機器人的前進、轉彎動作。當接收到傳感器采集信號時STM32將啟動A/D轉換，通過傳感器采集水質的情況，并通過無線通信模塊將采集到的水質信息傳送到地面工作人員。系統(tǒng)的程序流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

4 結束語

水上機器人在當今的各個領域中被廣泛使用，本裝置通過各個傳感器的配合，對水質進行實時檢測，是多學科應用的新探索，也是對水質多參數(shù)實時、動態(tài)、連續(xù)監(jiān)測測量前期工作的新嘗試。水質檢測機器人在其他科學領域也有廣闊的應用前景，它的應用使水質檢測技術向智能化、自主化又邁進了一步。