水產養殖環境監測系統設計范文

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摘要：

針對目前水產養殖監測成本高、精度低、靈活性差等問題,設計了能夠自動監測水產養殖環境中pH值、溶解氧、溫度等參數的智能系統。基于最小二乘法與能斯特方程對pH電極的輸出響應電壓的線性回歸模型進行了研究，基于最小二乘法與擴散電流公式建立了溶解氧電極的輸出響應電壓的線性回歸模型，分析了兩者之間的關系。通過驗證，采用最小二乘法對電極標定后，pH值、溶解氧、溫度等參數的相對測量誤差在0.5%、1.85%、1.3%以內，可以滿足水產養殖環境監測的要求，具有較好的市場前景和推廣價值。

關鍵詞：

水產養殖；傳感器；最小二乘法；無線傳感網絡

隨著科技的發展，尤其是傳感技術的發展，水產養殖已經由原來的粗養轉變為了精養，甚至工業化高密度養殖的方式[1]。而伴隨著水產養殖品種的進一步細分，日益嚴重的水污染和魚病多發問題[2]，急需一種能夠更精確、方便的監測水產養殖環境的監測系統，從而能更快捷的了解水質中的pH值、溶解氧、溫度等參數的變化，以便能及時采取有效措施，保證水質的安全、可靠。目前水產養殖環境的監測系統仍然是基于傳感器對數據的采集，然后通過網絡傳輸數據。伴隨著使用年限的增加，傳感器的精度在逐漸降低。因此，本文通過建立傳感器輸出電壓的線性回歸模型，計算出相關的標定公式，可以很好地反映傳感器的輸出電壓與溫度、酸堿度之間的函數關系，減小或避免因使用年限增加導致的精度下降問題。

1系統總體框架設計

系統主要由無線傳感器節點[3]、路由節點、協調節點、監控中心等模塊組成。系統的無線傳感器網絡采用ZigBee技術實現[4-5]。無線傳感器節點和路由節點用于檢測水產養殖環境的參數；協調節點部署在監測中心，通過RS232串口與本地監控中心連接。GPRS模塊從協調節點讀到數據后，采用無線方式發送到位于Internet遠端的數據中心，同時如果接收到的數據為異常數據，還可以給監控人員發送短信報警。用戶從遠程接入到Internet后，連接到數據中心，就可以進行遠程監控。

2無線傳感器節點硬件設計

無線傳感器節點負責采集水產養殖環境中的pH值、溶解氧、溫度等參數，并將數據發送至路由節點。無線傳感器節點由傳感器模塊、信號調理模塊、A/D轉換模塊、數據處理模塊、無線收發模塊、電源模塊構成，其結構如圖1所示。采用CC2530為微處理器，能支持7到12位的多通道A/D轉換模塊；并且內置了不同的運行方式，可以適應低功耗要求的系統。

2.1pH值傳感器調理電路

pH值傳感器調理電路如圖2所示。采用H-101型pH電極，由于該電極輸出為毫伏級電壓，且電極輸出阻抗達到200MΩ[8]，因此U1單元選用阻抗較高的靜電計級運算放大器OPA128，而其余的單元選用價格低廉的運算放大器OPA277。U1單元為電壓跟隨器，去除前后級電路之間的干擾。U2單元通過調節Rs使電壓變化，通過10nF的電容與第1級輸出相連，使電極輸出提升至正電壓。U3單元將電壓進行濾波放大，使之輸出1.6V～2.9V之間的電壓信號。圖2pH值傳感器調理電路

2.2溶解氧傳感器調理電路采用DO-957型極譜式溶解氧電極，該電極間充以KCL電解液，且陰極與陽極間達到0.7V的極化電壓后[9]才會正常工作。溶解氧調理電路如圖3所示。第1級是電壓跟隨器，調節可變電阻Rs產生0.7V的輸出電壓，第2級將陰極通過U2連接到地電位，使兩電極之間產生0.7V左右的壓差，達到發生電化學反應的條件，并在此級電路中將電極的輸出電流轉變為電壓。第3級是濾波放大電路，將輸出電壓調節到標準電壓范圍。

2.3溫度傳感器調理電路溫度傳感器調理電路如圖4所示，采用PT100溫度傳感器。電路采用±5V供電，利用R1、R2、Rs1和PT100構成惠斯通電橋。當PT100的電阻值與Rs的電阻值不相等時，電橋輸出壓差信號，經過放大電路后輸出0-3V以內的電壓。

3傳感器線性回歸模型建立

3.1pH值傳感器線性回歸模型建立pH電極之間的電壓遵循能斯特（NERNST）公式。為了確保pH值傳感器的精度，分別用pH值為4.01、6.86、9.46的標準緩沖液進行試驗。試驗方法如下：分別將三種不同pH值的標準緩沖液降溫至0℃，利用恒溫試驗箱控制，將標準緩沖液逐步加熱到40℃，溫度每升高1℃，記錄一次數據。根據4.01、6.86、9.46的標準緩沖液的輸出電壓，利用最大似然估計和最小二乘法計算出B和M。利用pH標準測試儀對測試的結果進行檢測，結果如圖5所示。圖中的測試曲線為根據公式6擬合后的曲線，標準曲線為pH測試儀的輸出曲線。通過比對，擬合后的曲線與標準曲線的相對誤差均在1.00%以內，測量的精度完全滿足水產養殖環境采集的要求。

3.2溶解氧傳感器線性回歸模型建立溶解氧傳感器通過電化學反應所產生的擴散電流可用下式表示。上式中n、F、A、L為常數，而透氧膜擴散系數D隨著溫度的增加而逐漸減小。為了確保溶解氧傳感器的精確度，需要建立溶解氧傳感器的溫度模型。將上式簡化，并代入（2）式中。溶解氧濃度Cs是和大氣壓、溫度相關的參數，根據當地的大氣壓（由于本試驗是在甘肅省某鮭鱒魚養殖基地進行測試的，當地大氣壓為78.2KPa）查表得到0-40℃的水中飽和溶解氧的濃度值。具體試驗方法：首先使用亞硫酸鈉做無氧溶液，對溶解氧傳感器進行零點標定，記錄溶解氧調理電路的輸出電壓[11]。然后取蒸餾水，向其中加氧，使之達到飽和。將蒸餾水先恒溫至0℃，再控制恒溫試驗箱，逐步將蒸餾水加熱到40℃，同時保證水中溶解氧濃度為飽和狀態。溫度每升高1℃，記錄一次溶解氧調理電路的輸出電壓Vout，試驗進行3次，取3次的平均值電壓。

4軟件設計

4.1無線傳感器節點軟件設計無線傳感器節點是整個系統中最重要的基本單元，負責采集水質數據并將其發送給協調節點。本系統軟件設計選用IAREmbeddedWorkbench開發環境[12-13]。無線傳感器節點在啟動后首先會進行自檢。自檢完成后，申請加入網絡。如果成功，自動進入低功耗模式，等待采集指令。當收到采集指令后，啟動各個傳感器的數據采集，采集完成后，數據經由路由節點發送到協調節點。在所有的數據發送出去以后，無線傳感器節點自動進入休眠狀態，以減少能源損耗。無線傳感器節點程序流程如圖7所示。

4.2上位機監控軟件設計監控軟件采用Labview程序開發環境[14]。上位機監控軟件通過RS232串口與協調節點相連，可以實現對pH值、溶解氧、溫度、濁度等環境因子的監測，并以曲線和圖表的方式表現，使監控人員對環境因子的變化有直觀的掌握。當啟動報警閾值時，在超出閾值后，系統會發出警報。

5系統測試

5.1無線網絡測試兩個節點間的距離從25米一直增加到150米。當節點間距離小于75米時，平均丟包率低于1.35%。實際運行中，節點之間距離不超過60米，因此設計的水產養殖環境監測系統達到了實際運用的目的。

5.2參數采集測試（1）在實驗室內對各個傳感器的測量值進行了誤差分析；分別用標準溶液對pH值傳感器、溶解氧傳感器進行校準，以消除偏差。通過比較標準值和傳感器采集到的數據來測試各個傳感器的相對誤差。結果表明，本系統pH值傳感器、溶解氧傳感器、溫度傳感器的測量值與標準值的相對誤差分別在0.5%、1.85%、1.3%以內。測量的精度完全滿足水產養殖環境監測的要求。（2）在水產養殖環境進行了現場測試。在海拔2100米的現場對pH值、溫度、溶解氧等參數進行了測試。結果如表1所示。水源為冷泉水，流量為0.8m3/s，水溫周年變化為6-17℃。在為期3個月的測試中，系統運行穩定，數據采集正常，精度也達到了預期目標，滿足了實際測試的需要。

6結論

本文設計了一種基于無線傳感網絡的水產養殖環境監測系統。利用無線傳感網絡技術將pH值、溶解氧、溫度等參數實時地傳送到監控中心，實現水產養殖環境的本地監測；使用GPRS模塊接入Internet網絡，從而實現了遠程監控。通過建立傳感器的線性回歸模型，使采集到的數據更加精確。試驗結果表明，pH值、溶解氧、溫度參數的相對測量誤差在0.5%、1.85%、1.3%以內，測量的精度完全滿足了水產養殖環境采集的要求。

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作者：卜世杰 楊旭輝 韓根亮 鄭礴 張紅霞 單位：蘭州交通大學電子與信息工程學院 甘肅省科學院傳感技術研究所甘肅省傳感器與傳感技術重點實驗室