扦样式水产养殖水质监测装置的设计

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摘要：传统水产养殖水质监测装置往往采用水质监测传感器固定浸埋水中的工作模式，造成水质监测传感器损耗大、工作寿命短。设计一种扦样式水产养殖水质监测装置，通过扦样工作模式创新设计、水体采样方式创新设计，把水体样本抽取到指定传感器位置进行检测，监测精度提高30%;非检测时期，传感器和被监测水体实现非直接接触，从而保护传感器，使其使用寿命比传统装置传感器寿命延长70%。在同一深度，利用该装置的运动机构实现同一深度，不同位置多点扦样，监测数据更加全面。通过位置传感器、单片机（包括STM32F4、MAX813看门狗芯片）调节扦样杆下降深度，避免人工操作可能带来的误差。

关键词：水产养殖;水质监测;健康养殖;扦样

中图分类号：S237         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2018）24-0147-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.24.040           开放科学（资源服务）标识码（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，中國水产品进出口总量827.91万t，进出口总额301.12亿美元，其中出口量423.76万t，出口额207.38亿美元，出口额稳居各农产品首位[1]。水产养殖业已经成为中国渔业的重要组成部分。良好的养殖水质对水产养殖来说是必须的，否则会带来巨大的健康问题以及经济损失[2]。因此，监测养殖水体的溶解氧和pH等水体参数是水产养殖过程中必不可少的。水中的溶解氧含量总体来说不得低于5.00 mg/L，一旦低于这个水平将会对水生生物的生存造成过多压力，一旦低于3.00 mg/L则会使水生生物因严重的缺氧而导致死亡[3]。养殖水域的pH范围为6.5～9.0，这是水生生物的安全pH范围。当pH小于6.5时，养殖水域呈酸性，容易引起水生生物酸中毒;pH过高时，养殖水域呈强碱性，致使水生生物产生呼吸困难，甚至可导致窒息[4]。因此，在水产养殖过程中，必须精确监测溶解氧浓度和pH的变化，以确保养殖水环境满足水产品健康养殖的要求。当前水质监测的方法主要有自动监测站监测、遥感技术监测、生物学方法监测和实验室监测。中国的水产养殖户大多数采用人工采样的方法监测养殖水质，耗时耗力，而且数据准确度较低。部分的龙头农企虽然使用了水质在线监测设备，但设备安装位置固定，为了获得较全面的信息，往往需要多点安置检测设备，显著增加了企业购买和维护成本[5]。现有的水产养殖水质监测装置主要存在两个方面的不足：①水质监测传感器固定浸埋水中，损耗大、工作寿命短;②采样点单一，代表性不强。

针对以上存在的水质监测传感器工作寿命短、采样点单一的问题，设计出一种结构简单、监测数据准确度高的扦样式水产养殖水质监测装置，以期解决以上问题为水产养殖户提供便利。

1  系统设计

1.1  结构设计

该装置主要包括扦样单元、传送单元、水质检测单元和数据筛选记录单元。利用滚珠丝杆、扦样杆和电动转台的相互配合，进行水体扦样。结合传送单元和水质检测单元，检测扦样水体的相关水质数据。再将检测获得的数据在PC移动端进行筛选记录，完成水质检测。

1.2  功能设计

扦样由取样泵、扦样杆、滚珠丝杆和电动转台组成。滚珠丝杆上安装有双通孔工作台，可以将扦样杆固定在该通孔工作台上。扦样时，滚珠丝杆带动扦样杆垂直向下伸出，固定在扦样杆底部的取样泵随之深入被监测水体，到达预定深度后进行扦样。在该取样点扦样完成后，工作转台旋转一定的角度，再次进行扦样，实现同一深度，多次扦样。

传送由T型杆和螺杆传动机构组成。水体样本沿着固定在T型杆上的出样管流动，利用螺杆传动机构的直线运动，将出样管直接深入到试管底部，减小空气中的氧气溶解在样本中而可能对样本溶解氧浓度检测所造成的误差。检测由固定在螺杆传动机构上的水质传感器同时进行。在多次取样检测完成后，检测数据被传送回PC移动端，由PC移动端进行数据的筛选和记录。图2为扦样式水产养殖水质监测装置功能设计。

2  关键结构

2.1  扦样

在进行扦样工作时，步进电机带动滚珠丝杆转动，将滚珠丝杆的转动转变为双通孔工作台的直线运动，使固定在工作台上的扦样杆向下伸出。扦样杆底部安装有位置传感器，此时单片机发射出一定频率的方波，输送给超声波发射电路并激励出超声波。超声波在空气中传播，遇到障碍物返回，进入超声波接收器，然后经过滤波、放大、整形，进入单片机[6]。将位置传感器的位置信息传送给单片机。利用单片机和超声波位置传感器的相互配合来确定扦样杆下降的深度。若下降深度未达到预先设定的深度，可利用单片机来控制步进电机继续运转，使扦样杆保持稳定下降，同时反馈调节后的位置信号会继续传送给单片机，不断地将位置信号与预先设定的深度进行比较。若此时到达设定深度，步进电机将停止运行。反之，则使扦样杆继续下降，直至到达预定深度。图3为扦样流程。

2.2  水质检测

王瑞梅等[7]以池塘淡水养殖为例，分析比较各影响因子对水质状况的影响，对14个对水产养殖比较重要的影响因子进行了排序，依次为溶解氧、pH、浮游植物量、浮游动物量、透明度、水色等。本研究以溶解氧和pH作为监测养殖水质的主要指标，利用溶解氧传感器和pH传感器分别对其进行检测。

2.2.1  水质监测传感器选型

1）溶解氧传感器。①化学型溶解氧传感器是根据碘量法进行溶解氧浓度的測量。测量精确，但结构比较复杂，且系统体积大，无法实现实时在线监测[8]。②电化学型溶解氧传感器。其所依据的原理是覆膜电极法。覆膜电极法是中国规定使用的溶解氧监测标准方法之一。电化学型溶解氧传感器结构简单，可以实现溶解氧的实时在线监测，但检测数据所用时间较长。③光学型溶解氧传感器，主要分为两种：基于分光光度法的溶解氧传感器和基于荧光淬灭原理的溶解氧传感器[9]。基于分光光度法的溶解氧传感器的检测原理与碘量法相同。当碘的浓度不同时，溶液所呈现的黄色深浅程度也不同，因此可以使用分光光度计测量溶液中的碘含量，进而实现溶解氧的测定[10]。用分光光度计检测溶解氧浓度的方法避免了碘量法中的滴定操作，使测量更加便捷而且数据准确度更高。基于荧光淬灭原理的溶解氧传感器一般是基于氧气对荧光敏感物质的淬灭作用来工作的[11]。最大的优点是不需要消耗氧气，并且检测过程中不需要参比电极，具有较高的数据测量精度和抗干扰能力。因此，基于荧光淬灭原理的溶解氧传感器是最佳选择，溶解氧传感器选用的是美国HACH公司的LDO II AQS溶解氧探头。

2）pH传感器。①玻璃pH电极，是一种离子选择性电极，具有灵敏、快速、选择性高等特点[12]。②醌氢醌电极，组成为Pt"C6H4（OH）2，H+，该pH电极操作方便，但也存在一定缺陷：使用温度比较低，pH测定范围很窄，只能在8以下，而且溶液中氧化剂对其影响很大[13]。③氧化物pH电极，主要有Pt、Pd、Ru、Ir等。该电极的优点是与玻璃电极相比体积较小结构简单，但在海水环境中不能使用，在海水中许多金属氧化物电极性能受到影响[14]。因此，玻璃pH电极是该装置的最佳选择，选用上海雷磁公司的雷磁E-201-C型pH电极。

2.2.2  水质数据传输方式选择  水质检测数据的传输分为无线传输和有线传输。常用的无线传输方式有无线传感网络和ZigBee协议无线传输。无线传输网络具有部署方便、实时性高等优点。水产养殖网联网的数据有限数据传输可以采用RS485和CAN总线两种方式[15]。但水产养殖场往往会存在布线困难，或因暴晒、大风等自然因素导致有线传输不稳定的问题。故优先考虑无线传输，即采用ZigBee网络进行数据的传输。

2.2.3  水质检测工作流程  溶解氧和pH传感器共同固定于螺杆传动机构的底部，与之相连接的基本电路都铺设于工作台上，通过外接电源与信号接收装置提供动力和工作指令。当水质监测装置开始工作时，由按键设定扦样数据采集频率、扦样深度和同一深度的扦样点个数。设定完成后，STM32依次向溶解氧传感器和pH传感器发送采集命令。当水质监测传感器接收到相应的指令后，就开始对水体样本进行检测，并将检测数据传输给单片机，单片机接收到传感器返回的数据后，将电信号转换成相应的溶解氧浓度和pH的数值，并通过ZigBee网络将检测数据实时传输到PC移动端。检测单元结构如图4所示。

2.3  数据分析处理

对于水产养殖而言，其水体水质的变化是不明显的，水质数据往往在某个值附近波动，此时仅用一个采样点的数据来代表一个深度的水质信息是不够准确的。因此，该装置在同一深度不同位置多次取样，将测得数据输送回PC移动端。PC移动端对采集的数据进行筛选和分析，比较传输数据，去掉最大值，去掉最小值。对余下的数据取得的算数平均值作为最终结果进行记录，并将其保存在数据库之中，方便随时查询水质信息。数据分析处理流程如图5所示。

3  精度测试试验

3.1  测试内容

测试该装置相关数据检测的准确性。比较该装置和其他标准水质监测装置对同一水样进行溶解氧濃度和pH的检测，来判断该装置数据监测的准确程度。

3.2  测试步骤

启动装置，设置好相关参数，开始扦样。把水体样本抽取到试管后，利用水质传感器对其进行检测。对比的水质监测设备采用的是美国HACH公司的HQD台式水质分析仪，该分析仪可以同时对11个参数进行测量，取其中的溶解氧浓度和pH作为该装置的对比。将HQD的pH电极和溶解氧电极也同时放入试管中，每分钟读数1次，共测量5次。

3.3  测试结果

从表1和表2可以看出，该装置的水质数据检测相对误差较小。溶解氧浓度的相对误差小于1.19%，pH的相对误差小于0.84%。与商品化先进仪器的测量值比较接近。该装置的数据检测精度较好，可以很好地应用于水产养殖水质监测。

4  小结

本研究开发一种新型的水产养殖水质监测智能装置，利用扦样工作模式创新设计，使扦样杆实现三维空间移动，在同一深度的不同位置多次扦样取水。扦样范围更加宽广，数据收集更加全面。把水体样本收集到指定传感器位置进行检测，提高监测数据的准确性;利用水体采样方式创新设计，采集同一深度多个扦样点的水质数据，并将数据传输回PC移动端进行筛选与分析，排除偶然误差对监测结果的影响。实现水体扦样和检测一体化，避免人为操作对检测结果的影响，使数据更加可靠。通过对比试验发现采集数据精度较高，能较好地满足设计要求，为水产养殖户监测养殖水质提供了一种可靠方案。

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