基于光伏供電的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

晏陽(yáng) 李坤杰 周平

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置存在的水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器工作壽命短、水質(zhì)信息采集頻率不固定等問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種基于光伏供電的水產(chǎn)水質(zhì)檢測(cè)平臺(tái)。通過(guò)檢測(cè)模式創(chuàng)新設(shè)計(jì)、供電模式創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在完成水質(zhì)檢測(cè)后，由螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)固定在其底部的水質(zhì)傳感器脫離水體。實(shí)現(xiàn)非檢測(cè)時(shí)期水質(zhì)傳感器和被檢測(cè)水體的非直接接觸，延長(zhǎng)水質(zhì)傳感器使用壽命。在監(jiān)測(cè)中心預(yù)先設(shè)定水質(zhì)信息采集的頻率，到達(dá)檢測(cè)時(shí)間就控制螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)下降，使水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器深入被檢測(cè)水體中，實(shí)現(xiàn)定時(shí)檢測(cè)。光伏陣列給平臺(tái)各單元供電，使平臺(tái)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔。利用單片機(jī)（STM32F4、MAX813看門狗芯片）控制螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降，ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案能滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖的需求，使水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器壽命延長(zhǎng)80%，檢測(cè)精度提高35%，為水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域提供了一種可靠的方案。

關(guān)鍵詞：水產(chǎn)養(yǎng)殖；檢測(cè)平臺(tái)；光伏供電

中圖分類號(hào)：S237 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2018）20-0128-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.20.030 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)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(duì)水產(chǎn)品的需求量越來(lái)越大。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在《全國(guó)漁業(yè)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃（2016-2020）》中明確提出到2020年漁業(yè)產(chǎn)值達(dá)到14 000億元，增值8 000億元，漁業(yè)產(chǎn)值占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的10%左右。市場(chǎng)的需求和政府強(qiáng)有力的支持推動(dòng)了水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的快速發(fā)展。良好的養(yǎng)殖水質(zhì)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖來(lái)說(shuō)是必須的，否則會(huì)帶來(lái)巨大的健康問(wèn)題以及經(jīng)濟(jì)損失[1]。水溫和pH是衡量水質(zhì)的重要指標(biāo)。水溫的變化直接影響魚(yú)體內(nèi)活性氧含量及抗氧化酶的活性，使機(jī)體產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)以適應(yīng)外界環(huán)境的改變，若長(zhǎng)期處于應(yīng)激狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致魚(yú)體免疫防御能力和抗病力下降，影響魚(yú)類的生長(zhǎng)[2]。pH則影響魚(yú)類的生長(zhǎng)繁殖，pH過(guò)高，會(huì)使魚(yú)的鰓組織因受腐蝕而患爛鰓??；過(guò)低，會(huì)降低載氧能力，造成缺氧癥[3]。因此，水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)健康穩(wěn)定的發(fā)展離不開(kāi)對(duì)養(yǎng)殖水體水溫和pH等水體參數(shù)的監(jiān)測(cè)。養(yǎng)殖水體水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法經(jīng)歷了3個(gè)階段：傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法、化學(xué)法和儀器法[4-6]。目前，市場(chǎng)上的各類水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置主要存在以下不足：①水質(zhì)傳感器固定浸埋水中，傳感器損耗大、工作壽命短；②水質(zhì)信息采集頻率不固定。

針對(duì)以上存在的水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器工作壽命短、采集頻率不固定的問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便的基于光伏供電的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)檢測(cè)平臺(tái)，以期解決以上問(wèn)題為水產(chǎn)養(yǎng)殖戶提供便利。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該平臺(tái)主要包括光伏供電單元、數(shù)據(jù)檢測(cè)傳送單元和監(jiān)測(cè)中心。利用光伏電池塊將太陽(yáng)能傳換為電能，為水質(zhì)檢測(cè)平臺(tái)的各個(gè)單元提供能量。螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和水質(zhì)傳感器互相配合完成水質(zhì)檢測(cè)。通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)傳送，監(jiān)測(cè)中心實(shí)現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的分析和儲(chǔ)存。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 功能設(shè)計(jì)

利用光伏電池塊的串并聯(lián)為水質(zhì)檢測(cè)平臺(tái)的各單元提供能量。通過(guò)單片機(jī)發(fā)送指令控制螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和水質(zhì)傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作以完成水質(zhì)檢測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理。ZigBee網(wǎng)絡(luò)將水質(zhì)信息傳遞給PC移動(dòng)端口的監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、儲(chǔ)存，方便后期查詢。圖2為基于光伏供電的水產(chǎn)水質(zhì)檢測(cè)平臺(tái)功能設(shè)計(jì)。

2 單元設(shè)計(jì)

2.1 光伏發(fā)電單元

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能電池的光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)[7]。本研究通過(guò)鋪設(shè)在平臺(tái)上的11塊深色矩形單晶硅光伏電池塊的串并聯(lián)供電來(lái)滿足螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及水質(zhì)傳感器的電壓電流要求，提供能量。光伏組件設(shè)計(jì)尺寸為1 275 mm×1 380 mm，光伏電池塊的設(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(yáng)能轉(zhuǎn)換為直流電能，在太陽(yáng)光照的情況下輸出電能。光伏陣列的輸出端接入?yún)R流箱進(jìn)行匯流。光伏控制器主要對(duì)光伏陣列的輸出進(jìn)行控制，包括最大功率點(diǎn)跟蹤控制（MPPT控制）等，使光伏陣列達(dá)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(chǔ)到蓄電池組中，以備陽(yáng)光不足或者無(wú)光的情況下使用。根據(jù)負(fù)載需要，該水質(zhì)檢測(cè)平臺(tái)選用鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。當(dāng)發(fā)電量大于負(fù)載所需用電量時(shí)，光伏陣列通過(guò)充電器對(duì)蓄電池充電；當(dāng)發(fā)電量不足時(shí)，太陽(yáng)能和蓄電池同時(shí)對(duì)負(fù)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(shè)備[8]。當(dāng)光伏陣列發(fā)電不足或蓄電池能量?jī)?chǔ)存不足時(shí)，可以啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組既可以直接給交流負(fù)載供電，又可以經(jīng)整流器進(jìn)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(jī)等裝置均安裝在平臺(tái)上的電氣箱中。

2.2 數(shù)據(jù)收集傳送單元

2.2.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器選型 影響水產(chǎn)養(yǎng)殖的關(guān)鍵參數(shù)包括水溫（T）、酸堿度（pH）、溶解氧（DO）、電導(dǎo)率、濁度、光照度等[9，10]。本研究主要以水溫和pH作為監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖水質(zhì)的指標(biāo)，利用溫度傳感器和pH傳感器分別對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。

pH傳感器：目前主要用于測(cè)量pH的電極是玻璃pH電極。測(cè)量pH的電池組成為SCE||試液|玻璃膜|內(nèi)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(diǎn)[11]。因此，玻璃pH電極是本裝置的最佳選擇，選用上海陸基機(jī)電科技有限公司研發(fā)的ZA-PH-A101。該pH傳感器自帶溫度補(bǔ)償器件，且可以通過(guò)傳感器直接讀取溫度值，故不再單獨(dú)選用溫度傳感器。

2.2.2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的選擇 WLAN技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、UWB技術(shù)和ZigBee技術(shù)是主要的無(wú)線通訊技術(shù)。①無(wú)線區(qū)域網(wǎng)（WLAN）是一種借助無(wú)線技術(shù)取代以往有線信道方式構(gòu)成計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)的手段，以解決有線方式不易實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)的可移動(dòng)性[12]，但其設(shè)備昂貴且不適合小型設(shè)備。②藍(lán)牙技術(shù)是一種數(shù)據(jù)與語(yǔ)音通信開(kāi)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(guò)增大發(fā)射功率增大傳輸距離[13]，但藍(lán)牙技術(shù)的價(jià)格昂貴且抗干擾能力較弱。③UWB技術(shù)。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)將絕對(duì)帶寬大于500 MHz或者相對(duì)帶寬>20%的信號(hào)定義為超寬帶信號(hào)（UWB）[14]。UWB可以提供100 Mbps以上的運(yùn)輸速率，適合近距離內(nèi)高速傳送大量數(shù)據(jù)。④ZigBee技術(shù)是一種新興的近距離無(wú)線通信技術(shù)，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless sensor network，WSN）的核心技術(shù)之一。使用該技術(shù)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備能耗特別低，自組網(wǎng)無(wú)需人工干涉，成本低廉，設(shè)備復(fù)雜度低且網(wǎng)絡(luò)容量大[15]。由于水質(zhì)檢測(cè)平臺(tái)工作在露天環(huán)境，所以其數(shù)據(jù)傳送的主要要求是能耗低、通信成本小。相對(duì)于其他的無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的功耗和成本都比較低，且網(wǎng)絡(luò)容量大，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集以及傳輸，所以該裝置采用ZigBee無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的傳輸。

2.2.3 水質(zhì)檢測(cè)平臺(tái)工作流程 以螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為載體，將水質(zhì)傳感器固定在螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的底部，并且采用嵌入式處理器STM32為控制器，結(jié)合串口電路建立與水質(zhì)傳感器之間的聯(lián)系。與之連接的基本電路都鋪設(shè)于平臺(tái)下表面，控制器安裝于電氣盒中，利用光伏供電系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)傳感器和螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等提供動(dòng)力。當(dāng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置開(kāi)始工作時(shí)，先判斷是否已經(jīng)到了檢測(cè)時(shí)間，沒(méi)有到達(dá)則繼續(xù)等待。到達(dá)預(yù)先設(shè)定的檢測(cè)時(shí)間后，STM32向水質(zhì)傳感器發(fā)送檢測(cè)命令。根據(jù)預(yù)先設(shè)定螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的下降距離將水質(zhì)傳感器深入到被監(jiān)測(cè)水體之中。到達(dá)預(yù)定位置后進(jìn)行溫度和pH的檢測(cè)。延時(shí)5 ms后STM32接收傳感器返回的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收完整后進(jìn)行校驗(yàn)。若校驗(yàn)結(jié)果不正確則重新發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，重新接收傳感器數(shù)據(jù)。校驗(yàn)成功則繼續(xù)進(jìn)行下一步，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理以消除外界環(huán)境及系統(tǒng)所帶來(lái)的不確定干擾。STM32控制器將計(jì)算得到的水質(zhì)數(shù)據(jù)打包發(fā)送給ZigBee網(wǎng)絡(luò)，使數(shù)據(jù)接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)測(cè)中心接收傳送的水質(zhì)信息，并將其保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，以便隨時(shí)查看。

2.3 監(jiān)測(cè)中心

監(jiān)測(cè)中心由參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理和用戶管理5個(gè)模塊組成。參數(shù)設(shè)置用來(lái)設(shè)置水體檢測(cè)間隔時(shí)間的長(zhǎng)短以及螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)下降的距離和通信參數(shù)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊根據(jù)反饋回來(lái)的水質(zhì)參數(shù)，以圖表的形式反映水質(zhì)的變化，做到實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確。數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并產(chǎn)生水質(zhì)預(yù)警模型。數(shù)據(jù)管理模塊對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)和圖表顯示；用戶管理模塊可以進(jìn)行用戶信息的修改和調(diào)整權(quán)限，使不同身份的用戶訪問(wèn)特定的數(shù)據(jù)資源，監(jiān)測(cè)中心結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 精度測(cè)試試驗(yàn)

3.1 測(cè)試內(nèi)容

檢測(cè)試驗(yàn)裝置相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程院進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)檢測(cè)平臺(tái)的模擬試驗(yàn)。通過(guò)該檢測(cè)平臺(tái)和其他標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置對(duì)同一水樣進(jìn)行水溫和pH的檢測(cè)，來(lái)判斷該裝置數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確程度。

3.2 測(cè)試方法

啟動(dòng)裝置，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，開(kāi)始檢測(cè)。待螺桿傳動(dòng)底端到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，利用水質(zhì)傳感器對(duì)水樣進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)比的水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備采用的是美國(guó)HACH公司的HQD臺(tái)式水質(zhì)分析儀，該分析儀可以同時(shí)對(duì)11個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，取其中的pH作為該裝置的對(duì)比。溫度的對(duì)比儀器采用溫度計(jì)。將HQD的pH電極和溫度計(jì)也同時(shí)放到被檢測(cè)水樣的相同深度，每分鐘讀數(shù)一次，共測(cè)量5次。

3.3 測(cè)試結(jié)果

從表1中可以看出，該裝置的水質(zhì)數(shù)據(jù)檢測(cè)相對(duì)誤差較小。水溫的相對(duì)誤差小于0.39%，pH的相對(duì)誤差小于0.84%。與市場(chǎng)先進(jìn)儀器的測(cè)量值較接近。該水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)檢測(cè)平臺(tái)的檢測(cè)精度較好，可以很好地應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究開(kāi)發(fā)一種基于光伏發(fā)電的水產(chǎn)檢測(cè)平臺(tái)，利用檢測(cè)工作模式創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在水質(zhì)檢測(cè)時(shí)期，螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)水質(zhì)傳感器向下深入被檢測(cè)水體中，檢測(cè)完成后帶動(dòng)水質(zhì)傳感器脫離被檢測(cè)水體，保護(hù)水質(zhì)傳感器、延長(zhǎng)傳感器使用壽命。預(yù)先設(shè)定采集頻率，數(shù)據(jù)收集更加全面。利用供電模式創(chuàng)新設(shè)計(jì)，采用光伏電池塊串并聯(lián)供電來(lái)滿足檢測(cè)平臺(tái)的用電需求。將數(shù)據(jù)傳輸回PC移動(dòng)端進(jìn)行分析和儲(chǔ)存，方便后期對(duì)水質(zhì)信息的統(tǒng)計(jì)和查詢，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)信息檢測(cè)、傳送和儲(chǔ)存一體化。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)精度較高，能較好滿足設(shè)計(jì)要求，為水產(chǎn)養(yǎng)殖戶監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖水質(zhì)提供了一種可靠方案。

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