李鑫 李少雄 李欣蓓

摘 要：我國(guó)是世界上的水產(chǎn)養(yǎng)殖大國(guó)，為保證養(yǎng)殖水域水質(zhì)，對(duì)其進(jìn)行不斷監(jiān)測(cè)是十分必要的。目前國(guó)內(nèi)外水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法由于使用范圍受限或者對(duì)操作人員的專(zhuān)業(yè)性等有較高的要求，無(wú)法適用于小型水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的實(shí)際應(yīng)用。本文主要針對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)智能小船進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，利用船體的太陽(yáng)能板為小船提供所需的電能，而小船的智能體現(xiàn)能夠?qū)δ繕?biāo)魚(yú)塘的水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將通過(guò)5G通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳給用戶。

關(guān)鍵詞：智能小船 ;水質(zhì)監(jiān)測(cè)

引言

良好的水質(zhì)能夠提高水產(chǎn)生物品質(zhì)，減少水產(chǎn)生物的死亡率，是水產(chǎn)養(yǎng)殖中的決定性因素同時(shí)也降低水質(zhì)的富營(yíng)養(yǎng)化，提升水質(zhì)品質(zhì)。為保證養(yǎng)殖水域水質(zhì)，對(duì)其進(jìn)行不斷監(jiān)測(cè)是十分必要的。我國(guó)是世界上的水產(chǎn)養(yǎng)殖大國(guó)，水產(chǎn)養(yǎng)殖為我國(guó)人民提供了不少就業(yè)崗位，因此本文面向養(yǎng)殖實(shí)際需求設(shè)計(jì)了一種小型移動(dòng)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)測(cè)因子的重要性，本文選擇對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖最為重要的溶解氧、pH、濁度、水溫、電導(dǎo)率、銨離子等水質(zhì)參數(shù)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象。

1智能水質(zhì)檢測(cè)小船主體結(jié)構(gòu)

1.1水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人船總體結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)終端主要由嵌入式主控板、動(dòng)力電機(jī)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)、GPS模塊、SD卡和無(wú)線模塊等組成。通過(guò)手持終端發(fā)送控制指令，再通過(guò)無(wú)線模塊接收指令進(jìn)而控制監(jiān)測(cè)終端，水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送到控制中心。監(jiān)測(cè)終端根據(jù)接收到的指令執(zhí)行相應(yīng)的操作，發(fā)送相應(yīng)的控制指令?？刂浦噶钍怯汕度胧街靼逄峁┑亩喾N接口以及各個(gè)模塊提供的。動(dòng)力電機(jī)也受主板的控制，主要控制無(wú)人機(jī)基礎(chǔ)的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向，換擋等功能。GPRS模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的定位。SD卡用于存儲(chǔ)移動(dòng)平臺(tái)的位置信息、方向信息和采集到的水質(zhì)信息。

1.2無(wú)人船船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一、船體模型設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)無(wú)人船船型采用單船體流線型，該船型具有重心低、航行穩(wěn)的特點(diǎn)，其模型尺寸大小為120cm*32cm*45cm，吃水線為6cm，重量為6kg。此次無(wú)人船水質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的船體及內(nèi)部構(gòu)造均按照要求進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃。其中船型采用單船體流線型，該船型具有重心低、航行穩(wěn)的特點(diǎn)。整艘無(wú)人船可以抵抗4級(jí)以下大風(fēng)，可以承載大于10公斤的重量，在設(shè)計(jì)上注重了防沉、防顛覆、防水的特性。在材質(zhì)上選用防水木材，其質(zhì)量較輕便于開(kāi)模，且在其表面涂上具有防腐、防磨損等特性的油漆。此次無(wú)人船水質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的船體及內(nèi)部 構(gòu)造均按照要求進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃。

二、動(dòng)力模塊與轉(zhuǎn)向控制模塊

無(wú)人船的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)換器、尾軸以及螺旋槳四個(gè)部分組成。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是168F單缸四沖程風(fēng)冷汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，拉力啟動(dòng)，排量為211CC，輸出功率為2.5KV，額定轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)，可帶動(dòng)水下推進(jìn)器正反轉(zhuǎn)，另外還可以利用PWM 調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。

船體轉(zhuǎn)向是由控制舵機(jī)來(lái)完成無(wú)人船的航行角度，本系統(tǒng)采用HS-425BB型舵機(jī)，支持PWM控制，根據(jù)需要變換角度并保持角度。舵機(jī)是一種位置伺服的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其內(nèi)部的基準(zhǔn)電路能產(chǎn)生20ms周期、1.5ms脈寬的基準(zhǔn)信號(hào)，脈沖寬度因轉(zhuǎn)動(dòng)角度不同而不同，0.5ms對(duì)應(yīng)О度，2.5ms對(duì)應(yīng)180度，呈線性變化。外部的控制信號(hào)輸入到舵機(jī)中，首先經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)制獲取偏置電壓，然后與電位器的電壓相比較，輸出電壓差，電壓差的正負(fù)決定內(nèi)部電極的正反轉(zhuǎn)。

2智能水質(zhì)檢測(cè)小船模塊分析

一、傳感器模塊

本系統(tǒng)中傳感器模塊包含六個(gè)水質(zhì)檢測(cè)傳感器件，它們分別是：溶解氧傳感器、pH傳感器、濁度傳感器、溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器以及銨離子傳感器。傳感器模塊將對(duì)應(yīng)現(xiàn)實(shí)世界中的水質(zhì)因子通過(guò)一系列裝置轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)，使系統(tǒng)能夠識(shí)別讀取。傳感器模塊的精度和分辨率決定了所述系統(tǒng)性能的優(yōu)良與否，因此傳感器的選型就很重要。

二、電源模塊

硬件系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，嵌入式處理器STM32需要3.3V的電壓供電，傳感器、485 集線器以及5G通信模塊則都是12V的供電電壓，按鍵及顯示模塊和報(bào)警模塊需要5V的電源供電，485通信接口模塊和232通信接口模塊的供電電壓也是3.3V。硬件系統(tǒng)總輸入為12V的電源，通過(guò)船體上大太陽(yáng)板并輔以可充電式鋰電池組合實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的儲(chǔ)能，通過(guò)電源轉(zhuǎn)化模塊為系統(tǒng)供電，提供滿足各個(gè)模塊需要的供電電壓，保障系統(tǒng)的安全供電。

3 數(shù)據(jù)分析

一、系統(tǒng)精度測(cè)試

取一盆魚(yú)塘中的水，將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器探頭放入水中。對(duì)比的監(jiān)測(cè)儀器采用多參數(shù)水質(zhì)分析儀，本儀器能夠測(cè)量這六個(gè)水質(zhì)參數(shù)中的電導(dǎo)率、溶解氧、pH及銨離子等四個(gè)參數(shù)。溫度的對(duì)比儀器采用溫度計(jì)，濁度參數(shù)由于沒(méi)有相應(yīng)的對(duì)比儀器，因此暫時(shí)不做精度實(shí)驗(yàn)。將HQ30D 的四個(gè)電極和溫度計(jì)同時(shí)放入水中。每分鐘讀取一次數(shù)據(jù)，總共測(cè)量十次。

三、測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

智能水質(zhì)檢測(cè)小船采用環(huán)保能源，利用太陽(yáng)能板吸收光能通過(guò)芯片轉(zhuǎn)換，將電能存儲(chǔ)在鋰電池里，環(huán)保健康，可持續(xù)使用，符合現(xiàn)代能源要求。智能水質(zhì)檢測(cè)小船應(yīng)用于魚(yú)塘的水質(zhì)檢測(cè)，解決現(xiàn)有魚(yú)塘作業(yè)監(jiān)測(cè)的痛點(diǎn)，能夠減少人工檢測(cè)的成本，讓水質(zhì)情況更加清楚地呈現(xiàn)出來(lái)，從而改善水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)數(shù)量規(guī)模和質(zhì)量效益的不平衡。

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