扦樣式水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測裝置的設(shè)計

晏陽 周平 韓麗君 李霜霜 何嘉佳

摘要：傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測裝置往往采用水質(zhì)監(jiān)測傳感器固定浸埋水中的工作模式，造成水質(zhì)監(jiān)測傳感器損耗大、工作壽命短。設(shè)計一種扦樣式水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測裝置，通過扦樣工作模式創(chuàng)新設(shè)計、水體采樣方式創(chuàng)新設(shè)計，把水體樣本抽取到指定傳感器位置進(jìn)行檢測，監(jiān)測精度提高30%;非檢測時期，傳感器和被監(jiān)測水體實(shí)現(xiàn)非直接接觸，從而保護(hù)傳感器，使其使用壽命比傳統(tǒng)裝置傳感器壽命延長70%。在同一深度，利用該裝置的運(yùn)動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)同一深度，不同位置多點(diǎn)扦樣，監(jiān)測數(shù)據(jù)更加全面。通過位置傳感器、單片機(jī)（包括STM32F4、MAX813看門狗芯片）調(diào)節(jié)扦樣桿下降深度，避免人工操作可能帶來的誤差。

關(guān)鍵詞：水產(chǎn)養(yǎng)殖;水質(zhì)監(jiān)測;健康養(yǎng)殖;扦樣

中圖分類號：S237? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2018）24-0147-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.24.040? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Abstract： Traditional aquaculture water quality monitoring devices often use water quality monitoring sensor fixed submerged water working mode， resulting in water quality monitoring sensor loss of large， short working life. In this paper， a kind of water quality monitoring device with skewer style is designed， which is based on the innovative design of the sample work mode and the water sampling mode， and the water sample is extracted to the designated sensor location for detection， the monitoring precision is increased by 30%; the sensor and the monitored water body are not directly contacted to protect The service life of the sensor is 70% longer than that of the traditional device. And in the same depth， using the device of the motion mechanism to achieve the same depth， the different locations of multiple sampling， monitoring data more comprehensive. Through position sensor， MCU （including STM32F4， MAX813 watchdog Chip） to adjust the drop depth of the stick-like bar， to avoid the possible error caused by manual operation.

Key words： aquaculture; water quality monitoring; healthy breeding; skewer sample

2016年，中國水產(chǎn)品進(jìn)出口總量827.91萬t，進(jìn)出口總額301.12億美元，其中出口量423.76萬t，出口額207.38億美元，出口額穩(wěn)居各農(nóng)產(chǎn)品首位[1]。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)已經(jīng)成為中國漁業(yè)的重要組成部分。良好的養(yǎng)殖水質(zhì)對水產(chǎn)養(yǎng)殖來說是必須的，否則會帶來巨大的健康問題以及經(jīng)濟(jì)損失[2]。因此，監(jiān)測養(yǎng)殖水體的溶解氧和pH等水體參數(shù)是水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中必不可少的。水中的溶解氧含量總體來說不得低于5.00 mg/L，一旦低于這個水平將會對水生生物的生存造成過多壓力，一旦低于3.00 mg/L則會使水生生物因嚴(yán)重的缺氧而導(dǎo)致死亡[3]。養(yǎng)殖水域的pH范圍為6.5～9.0，這是水生生物的安全pH范圍。當(dāng)pH小于6.5時，養(yǎng)殖水域呈酸性，容易引起水生生物酸中毒;pH過高時，養(yǎng)殖水域呈強(qiáng)堿性，致使水生生物產(chǎn)生呼吸困難，甚至可導(dǎo)致窒息[4]。因此，在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，必須精確監(jiān)測溶解氧濃度和pH的變化，以確保養(yǎng)殖水環(huán)境滿足水產(chǎn)品健康養(yǎng)殖的要求。當(dāng)前水質(zhì)監(jiān)測的方法主要有自動監(jiān)測站監(jiān)測、遙感技術(shù)監(jiān)測、生物學(xué)方法監(jiān)測和實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測。中國的水產(chǎn)養(yǎng)殖戶大多數(shù)采用人工采樣的方法監(jiān)測養(yǎng)殖水質(zhì)，耗時耗力，而且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較低。部分的龍頭農(nóng)企雖然使用了水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備，但設(shè)備安裝位置固定，為了獲得較全面的信息，往往需要多點(diǎn)安置檢測設(shè)備，顯著增加了企業(yè)購買和維護(hù)成本[5]?，F(xiàn)有的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測裝置主要存在兩個方面的不足：①水質(zhì)監(jiān)測傳感器固定浸埋水中，損耗大、工作壽命短;②采樣點(diǎn)單一，代表性不強(qiáng)。

針對以上存在的水質(zhì)監(jiān)測傳感器工作壽命短、采樣點(diǎn)單一的問題，設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)簡單、監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高的扦樣式水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測裝置，以期解決以上問題為水產(chǎn)養(yǎng)殖戶提供便利。

1? 系統(tǒng)設(shè)計

1.1? 結(jié)構(gòu)設(shè)計

該裝置主要包括扦樣單元、傳送單元、水質(zhì)檢測單元和數(shù)據(jù)篩選記錄單元。利用滾珠絲桿、扦樣桿和電動轉(zhuǎn)臺的相互配合，進(jìn)行水體扦樣。結(jié)合傳送單元和水質(zhì)檢測單元，檢測扦樣水體的相關(guān)水質(zhì)數(shù)據(jù)。再將檢測獲得的數(shù)據(jù)在PC移動端進(jìn)行篩選記錄，完成水質(zhì)檢測。

1.2? 功能設(shè)計

扦樣由取樣泵、扦樣桿、滾珠絲桿和電動轉(zhuǎn)臺組成。滾珠絲桿上安裝有雙通孔工作臺，可以將扦樣桿固定在該通孔工作臺上。扦樣時，滾珠絲桿帶動扦樣桿垂直向下伸出，固定在扦樣桿底部的取樣泵隨之深入被監(jiān)測水體，到達(dá)預(yù)定深度后進(jìn)行扦樣。在該取樣點(diǎn)扦樣完成后，工作轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一定的角度，再次進(jìn)行扦樣，實(shí)現(xiàn)同一深度，多次扦樣。

傳送由T型桿和螺桿傳動機(jī)構(gòu)組成。水體樣本沿著固定在T型桿上的出樣管流動，利用螺桿傳動機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動，將出樣管直接深入到試管底部，減小空氣中的氧氣溶解在樣本中而可能對樣本溶解氧濃度檢測所造成的誤差。檢測由固定在螺桿傳動機(jī)構(gòu)上的水質(zhì)傳感器同時進(jìn)行。在多次取樣檢測完成后，檢測數(shù)據(jù)被傳送回PC移動端，由PC移動端進(jìn)行數(shù)據(jù)的篩選和記錄。圖2為扦樣式水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測裝置功能設(shè)計。

2? 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

2.1? 扦樣

在進(jìn)行扦樣工作時，步進(jìn)電機(jī)帶動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，將滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)殡p通孔工作臺的直線運(yùn)動，使固定在工作臺上的扦樣桿向下伸出。扦樣桿底部安裝有位置傳感器，此時單片機(jī)發(fā)射出一定頻率的方波，輸送給超聲波發(fā)射電路并激勵出超聲波。超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物返回，進(jìn)入超聲波接收器，然后經(jīng)過濾波、放大、整形，進(jìn)入單片機(jī)[6]。將位置傳感器的位置信息傳送給單片機(jī)。利用單片機(jī)和超聲波位置傳感器的相互配合來確定扦樣桿下降的深度。若下降深度未達(dá)到預(yù)先設(shè)定的深度，可利用單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，使扦樣桿保持穩(wěn)定下降，同時反饋調(diào)節(jié)后的位置信號會繼續(xù)傳送給單片機(jī)，不斷地將位置信號與預(yù)先設(shè)定的深度進(jìn)行比較。若此時到達(dá)設(shè)定深度，步進(jìn)電機(jī)將停止運(yùn)行。反之，則使扦樣桿繼續(xù)下降，直至到達(dá)預(yù)定深度。圖3為扦樣流程。

2.2? 水質(zhì)檢測

王瑞梅等[7]以池塘淡水養(yǎng)殖為例，分析比較各影響因子對水質(zhì)狀況的影響，對14個對水產(chǎn)養(yǎng)殖比較重要的影響因子進(jìn)行了排序，依次為溶解氧、pH、浮游植物量、浮游動物量、透明度、水色等。本研究以溶解氧和pH作為監(jiān)測養(yǎng)殖水質(zhì)的主要指標(biāo)，利用溶解氧傳感器和pH傳感器分別對其進(jìn)行檢測。

2.2.1? 水質(zhì)監(jiān)測傳感器選型

1）溶解氧傳感器。①化學(xué)型溶解氧傳感器是根據(jù)碘量法進(jìn)行溶解氧濃度的測量。測量精確，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且系統(tǒng)體積大，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線監(jiān)測[8]。②電化學(xué)型溶解氧傳感器。其所依據(jù)的原理是覆膜電極法。覆膜電極法是中國規(guī)定使用的溶解氧監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)方法之一。電化學(xué)型溶解氧傳感器結(jié)構(gòu)簡單，可以實(shí)現(xiàn)溶解氧的實(shí)時在線監(jiān)測，但檢測數(shù)據(jù)所用時間較長。③光學(xué)型溶解氧傳感器，主要分為兩種：基于分光光度法的溶解氧傳感器和基于熒光淬滅原理的溶解氧傳感器[9]。基于分光光度法的溶解氧傳感器的檢測原理與碘量法相同。當(dāng)?shù)獾臐舛炔煌瑫r，溶液所呈現(xiàn)的黃色深淺程度也不同，因此可以使用分光光度計測量溶液中的碘含量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溶解氧的測定[10]。用分光光度計檢測溶解氧濃度的方法避免了碘量法中的滴定操作，使測量更加便捷而且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度更高?；跓晒獯銣缭淼娜芙庋鮽鞲衅饕话闶腔谘鯕鈱晒饷舾形镔|(zhì)的淬滅作用來工作的[11]。最大的優(yōu)點(diǎn)是不需要消耗氧氣，并且檢測過程中不需要參比電極，具有較高的數(shù)據(jù)測量精度和抗干擾能力。因此，基于熒光淬滅原理的溶解氧傳感器是最佳選擇，溶解氧傳感器選用的是美國HACH公司的LDO II AQS溶解氧探頭。

2）pH傳感器。①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)[12]。②醌氫醌電極，組成為Pt|C6H4（OH）2，H+，該pH電極操作方便，但也存在一定缺陷：使用溫度比較低，pH測定范圍很窄，只能在8以下，而且溶液中氧化劑對其影響很大[13]。③氧化物pH電極，主要有Pt、Pd、Ru、Ir等。該電極的優(yōu)點(diǎn)是與玻璃電極相比體積較小結(jié)構(gòu)簡單，但在海水環(huán)境中不能使用，在海水中許多金屬氧化物電極性能受到影響[14]。因此，玻璃pH電極是該裝置的最佳選擇，選用上海雷磁公司的雷磁E-201-C型pH電極。

2.2.2? 水質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸方式選擇? 水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)的傳輸分為無線傳輸和有線傳輸。常用的無線傳輸方式有無線傳感網(wǎng)絡(luò)和ZigBee協(xié)議無線傳輸。無線傳輸網(wǎng)絡(luò)具有部署方便、實(shí)時性高等優(yōu)點(diǎn)。水產(chǎn)養(yǎng)殖網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)有限數(shù)據(jù)傳輸可以采用RS485和CAN總線兩種方式[15]。但水產(chǎn)養(yǎng)殖場往往會存在布線困難，或因暴曬、大風(fēng)等自然因素導(dǎo)致有線傳輸不穩(wěn)定的問題。故優(yōu)先考慮無線傳輸，即采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

2.2.3? 水質(zhì)檢測工作流程? 溶解氧和pH傳感器共同固定于螺桿傳動機(jī)構(gòu)的底部，與之相連接的基本電路都鋪設(shè)于工作臺上，通過外接電源與信號接收裝置提供動力和工作指令。當(dāng)水質(zhì)監(jiān)測裝置開始工作時，由按鍵設(shè)定扦樣數(shù)據(jù)采集頻率、扦樣深度和同一深度的扦樣點(diǎn)個數(shù)。設(shè)定完成后，STM32依次向溶解氧傳感器和pH傳感器發(fā)送采集命令。當(dāng)水質(zhì)監(jiān)測傳感器接收到相應(yīng)的指令后，就開始對水體樣本進(jìn)行檢測，并將檢測數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)接收到傳感器返回的數(shù)據(jù)后，將電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溶解氧濃度和pH的數(shù)值，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將檢測數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)絇C移動端。檢測單元結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3? 數(shù)據(jù)分析處理

對于水產(chǎn)養(yǎng)殖而言，其水體水質(zhì)的變化是不明顯的，水質(zhì)數(shù)據(jù)往往在某個值附近波動，此時僅用一個采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)來代表一個深度的水質(zhì)信息是不夠準(zhǔn)確的。因此，該裝置在同一深度不同位置多次取樣，將測得數(shù)據(jù)輸送回PC移動端。PC移動端對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和分析，比較傳輸數(shù)據(jù)，去掉最大值，去掉最小值。對余下的數(shù)據(jù)取得的算數(shù)平均值作為最終結(jié)果進(jìn)行記錄，并將其保存在數(shù)據(jù)庫之中，方便隨時查詢水質(zhì)信息。數(shù)據(jù)分析處理流程如圖5所示。

3? 精度測試試驗(yàn)

3.1? 測試內(nèi)容

測試該裝置相關(guān)數(shù)據(jù)檢測的準(zhǔn)確性。比較該裝置和其他標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)監(jiān)測裝置對同一水樣進(jìn)行溶解氧濃度和pH的檢測，來判斷該裝置數(shù)據(jù)監(jiān)測的準(zhǔn)確程度。

3.2? 測試步驟

啟動裝置，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，開始扦樣。把水體樣本抽取到試管后，利用水質(zhì)傳感器對其進(jìn)行檢測。對比的水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備采用的是美國HACH公司的HQD臺式水質(zhì)分析儀，該分析儀可以同時對11個參數(shù)進(jìn)行測量，取其中的溶解氧濃度和pH作為該裝置的對比。將HQD的pH電極和溶解氧電極也同時放入試管中，每分鐘讀數(shù)1次，共測量5次。

3.3? 測試結(jié)果

從表1和表2可以看出，該裝置的水質(zhì)數(shù)據(jù)檢測相對誤差較小。溶解氧濃度的相對誤差小于1.19%，pH的相對誤差小于0.84%。與商品化先進(jìn)儀器的測量值比較接近。該裝置的數(shù)據(jù)檢測精度較好，可以很好地應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測。

4? 小結(jié)

本研究開發(fā)一種新型的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測智能裝置，利用扦樣工作模式創(chuàng)新設(shè)計，使扦樣桿實(shí)現(xiàn)三維空間移動，在同一深度的不同位置多次扦樣取水。扦樣范圍更加寬廣，數(shù)據(jù)收集更加全面。把水體樣本收集到指定傳感器位置進(jìn)行檢測，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;利用水體采樣方式創(chuàng)新設(shè)計，采集同一深度多個扦樣點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸回PC移動端進(jìn)行篩選與分析，排除偶然誤差對監(jiān)測結(jié)果的影響。實(shí)現(xiàn)水體扦樣和檢測一體化，避免人為操作對檢測結(jié)果的影響，使數(shù)據(jù)更加可靠。通過對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)精度較高，能較好地滿足設(shè)計要求，為水產(chǎn)養(yǎng)殖戶監(jiān)測養(yǎng)殖水質(zhì)提供了一種可靠方案。

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