鱼塘多节点水质评估系统设计

　　摘要:为解决鱼塘管理系统测量误差大、评估失准等问题，设计了鱼塘多节点水质评估系统，该系统利用遥控手柄控制气动船体运动，利用GPS/BDS双模定位模块对所监测水域进行空间与时间上的准确定位和时间同步，利用水质传感器获取鱼塘的酸碱度、水温及浑浊度，利用模糊分析法对鱼苗生存适宜度进行综合评估，利用WIFI、GPRS、GSM3种可切换的通讯方式将获取的信息发送至App。测试结果表明，测量相对误差在3%以内，可实现对鱼苗的生存适宜度的综合性评估。

　　关键词:水质监测;鱼苗生存适宜度评估;北斗卫星导航系统;无线通信

　　鱼塘养殖产业发展迅速，养殖模式由传统的粗放型向现代精养型养殖转变[1]。现代鱼塘管理系统的水质监测方法是通过RS232串口通讯对水质参数进行在线监测，这种方式监测点固定，数据准确率较低，当监测点较多时，需要多个监测终端，大大提高了水质监测的成本;大多数鱼塘管理系统仅仅是实现了水质信息的获取，并没有对整体的鱼塘水质情况进行综合评估[2]。因此，本文提出了鱼塘多节点水质评估系统，以更准确、更灵活的方式获取相关信息，并将处理后的信息反馈至App，以便于相关监管部门的管理。

　　1系统总体设计

　　影响鱼苗生存的因素主要有水温、酸碱度以及浑浊度，为了改善传统系统的缺点，设计了鱼塘多节点水质评估系统，以气动测量船为载体，在2.4G遥控手柄的控制下，完成对鱼塘内的水质信息的动态实时监测，建立综合评价模型对鱼苗的生存适宜度进行综合评估，并将处理后的信息通过WIFI/GPRS通讯网络传送至App。该系统由水质测量终端、手柄控制终端以及手机监测终端3部分组成。

　　水质测量终端的信息测量部分中DS18B20水温传感器、pH酸碱度传感器、TS浊度传感器可获取鱼塘某个节点的水温值、酸碱度以及水的浑浊度，UM220模块可获取该节点的位置、时间信息，WIFI/GPRS模块可将处理后的信息传递至远程的App。运动控制部分中40A电调、1400kV无刷电机配合12V电源可为测量船提供充足的动力，舵机转向板可为实现船体的转向，MPU6050姿态传感器可获取船体的3轴倾斜角度，平衡舵机可根据船体的倾斜程度利用齿轮齿条机构调节船体的重心位置，以保持船体的平衡，提高水质信息测量的准确性。

　　手柄控制终端中的摇杆模块可分别输出x、y、z3个方向的模拟量，ArduinoUNO微处理器分别读取摇杆模块两个方向的模拟量值，规定x方向的模拟量值控制船体的行进速度，y方向的模拟量值控制船体的转向程度，分别将获取到的x、y方向的模拟量值转换成水质测量终端电机的PWM值以及舵机转向板的角度值，并通过2.4G无线通讯模块将PWM值以及角度值发送至水质监测终端，以此控制船体的运动。启动按键按下时，测量船进行动平衡并开始测量水质信息。

　　2系统的详细设计

　　水质监测终端由水质测量部分与运动控制部分组成，手柄控制终端由处理器、摇杆模块以及无线通讯模块构成，两部分相互配合实现了水质信息的实时动态监测。UM220模块、2.4G无线通讯模块、WIFI模块分别与控制器的硬件串口0(RXD)、1(TXD)，虚拟串口4(TXD)、7(RXD)，虚拟串口2(TXD)、3(RXD)连接，通过串口间AT指令实现信息通讯;平衡舵机x、y与舵机转向板分别与控制器的PWM数字输出端口9、10、5连接，控制器可实现对船体平衡与转向的控制;电调与控制器的PWM数字输出端口6连接，控制器可实现对船体动力输出的控制。

　　水温传感器与控制器的数字量输入端口11相连，控制器可精确读取传感器测得的水温值;姿态传感器MPU6050与控制器的IIC总线A4、A5连接，控制器可精确读取船体的倾斜角度;浊度传感器、酸碱度传感器分别与控制器的模拟量输入端口A0、A1连接，控制器可精确读取传感器测得的浊度值与pH值。水质测量部分与运动控制部分相结合，实现对鱼塘各个节点水质信息的动态观测。

　　2.4G模块与控制器的串口端0(RXD)、1(TXD)连接，通过AT指令实现控制信息的发送;启动按键与控制器的数字输入端口3连接，摇杆模块与控制器的模拟量输入端口A4、A5连接，控制器读取启动按键与摇杆模块的信号，将控制信号传送至水质测量终端，实现了对水质测量终端的控制。

　　2.1UM220模块设计

　　UM220模块通过硬件串口0(RXD)、1(TXD)与处理模块进行通信，由天线接收的射频信号输入至UM220的射频输入引脚，经处理后由UM220的串口将数据送至处理模块做进一步处理[3]。为了得到需要的时间与空间信息，采用北斗/GPS双模输出的GNRMC、GNGGA以及GNZDA消息，其中GNRMC的消息格式为$GNRMC，hhmmss.ss，A，ddmm.mmmmmm，a，dddmm.mmmmmm，a，x.x，x.x，ddmmyy，x.x，a，a*hh[4]，设计中需要提取的有用信息包括经度和纬度，信息中的第3、4、5、6字段为需要提取的字段，这些字段分别代表纬度格式、南(北)纬、经度格式、东(西)经。以GNRMC信息为例对数据进行说明$GNRMC，025615.000，A，4155.271667，N，12324.141653，E，0.000，353.670，201215，，E，A*3F，由该条数据可知时间为2点56分15秒，定位状态有效，纬度为北纬41.55271667°，经度为东经123.24141653°。

　　2.2水质信息测量模块设计

　　水质信息测量方面涉及对水体的浑浊度、酸碱度以及水温的测量，分别应用了TS浊度传感器、pH酸碱度传感器以及DS18B20水温传感器。TS浊度传感器利用光学二极管和晶体管对特定波长的折射作用，来测量脏水的透光度或其他物质的浓度。光接收端把透过的光强度值转换成对应电流的大小，透过的光越多，电流越大，反之越小[5]。

　　TS浊度传感器连接在外接AD模块上，信息通过AD转换后，传送至Arduino的模拟量输入管脚“A0”，处理器通过读取“A0”引脚的模拟量值，并利用该模拟量值与水浑浊度呈线性关系这一特征，得出鱼塘该节点的浑浊度。pH传感器可用来测量水溶液中的氢离子的活度[6]。pH传感器通过外接的AD转换模块连接在Arduino的模拟量输入端口“A1”上。

　　使用前，需要先对该传感器进行校验，将pH电极插入到pH=7.00的标准溶液中，记录测量值与7.00之间的差值，将该差值作为程序中的修正系数写入;由于所监测水域呈弱酸性，在使用前需要对pH计进行酸性校验，将pH电极插入到pH=4.00的校准液中，调整增益电位器，使测量的pH值稳定在4.00左右[7]，完成检验后，便可使用pH传感器进行测量。水温传感器DS18B20集成了温度传感器、配置寄存器、64位的ROM等构件[8]。Arduino的数字引脚“D11”与该传感器的“DATA”引脚相连，读取数字引脚上输入的16位带符号扩展的二进制补码，通过进一步处理，进而得到相应的温度值。

　　2.3运动控制部分设计

　　运动控制部分可分为船体动力结构设计与船体动平衡控制。通过气动力力学理论设计了合理的船体机构。该船的动力驱动部分由高转速电机以及转向板组成;在动力驱动部分，高速转动的电机旋转使气流高速通过后面的风道，当转向板位于中间位置时，将推动船直线行进，当转向板转动时，会导致两边风道的风速不一致，从而迫使船体转向[9]。

　　这样便可以通过控制舵机转向板的转动角度来控制船体的航向。船体的动平衡控制部分由x、y、z3个方向的平衡舵机、平衡齿轮齿条机构以及MPU6050姿态传感器组成。当手柄控制终端的启动按键按下时，船体启动平衡程序，平衡齿轮齿条机构安装在系统的重心处，每个齿条的两端都分别附有重量为1kg的重物，通过控制平衡舵机旋转的角度，控制齿条上重物的位置，进而调整船体在x、y方向的重心位置。MPU6050传感器可实时监测船体在x、y方向上的偏转角度，通过两个方向的角度值的大小，控制平衡舵机的旋转角度，并最终达到船体的平衡。

　　2.4无线通讯模块设计

　　采用SIM900A模块作为GPRS/GSM模块，该模块有GSM与GPRS两种通讯方式[10]。选用ESP8266模块作为WIFI通讯模块，选用AP模式作为本系统的控制的模式。利用AT指令对WIFI模块进行配置，发送“AT+CWMODE=2”设置通讯模式为AP模式;发送“AT+CWSAP=“monitoring”，“12345678”，1，3”，设置WIFI名称为monitoring，密码为12345678;发送“AT+CIPMUX=1”设置模块为多路连接模式，发送“AT+CIPSERVER=1，8080”开启SERVER模式，端口号为8080。App即可通过输入相应的IP地址与端口号与WIFI热点进行连接。采用GSM、GPRS与WIFI3种信息通讯方式的交互模式，实现信息的远程传输。

　　2.52.4G模块设计

　　2.4G无线传输为水质测量终端的控制建立了良好的信息传递渠道[11]。设计中选用两个2.4G无线通讯模块分别作为信息的发射模块1与信息的接收模块2。分别对两个2.4G无线通讯模块输入“AT+RESET”使模块初始化，对模块1输入“AT+TID=1234567890”，设置模块发送ID为:1234567890，模块2输入“AT+RID=1234567890”，设置模块的接收ID为:1234567890。通过两个模块的串口交互便可实现对水质测量终端的控制。

　　3系统软件设计

　　系统软件设计主要包括以下几个任务:GPS/北斗模块输出数据接收处理、鱼苗生存适宜度评估模型的建立、WIFI/GPRS/GSM传输方式的交互、手柄控制终端对船体的运动控制、手机App接收信息等。

　　3.1定位信息的获取

　　GPS/北斗模块正常工作时能接收到8种不同类型的导航电文，而设计中只用双模最简导航数据，因此，事先配置GPS/北斗模块，令其只输出双模最简导航数据信息。接收并处理导航信息的流程为:首先初始化串口，当GPS/北斗模块接收到信号时，将变量flag_rec赋值为1，串口产生中断，并判断是否是有效定位$GNRMC，若是有效的定位，将以“，”为数据节点，将数据存入变量flag_data，并对变量flag_data中的数据进行处理，其中变量byte_count用来存储数据中检测到“，”的次数，以此决定该条数据是否已经解析完毕[12]。

　　3.2多节点水质综合评估模型

　　鱼塘中鱼苗适宜的生存温度为16℃～25℃，pH值为7.5～8.5，浑浊度为5JTU～9JTU，利用水温、pH值、浑浊度3个指标来对水质进行综合性评估。为了使选取的测量节点更具有代表性，测量时随机选取4个相距距离大于20m的节点作为测量节点(测量节点间的距离可根据UM220模块获取的经纬度计算得出)，并将这4个节点获取指标的平均值作为最终的测量结果。

　　4结论

　　文中研究了水质信息的测量、北斗模块位置时间信息的获取、多节点水质评估模型的建立、无线传输方式的切换、手机App设计等方面的内容，对系统的硬件和软件进行了详细设计，并对系统进行了实验测试。结果显示:该系统实现了水质信息、时间空间信息的获取以及远程传输、接收等功能。该系统功能完备，通过硬件与软件的结合实现了对鱼塘水质信息的获取与评估。通过该系统的建立能够减轻相关监管人员的工作量，大大提高了鱼塘监管工作的高效性、科学性及掌控能力。

　　参考文献:

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　　[4]吴超琼，赵利，梁钢，等.基于北斗导航系统的无人机飞行监管系统设计[J].测控技术，2017，36(8):66-69.

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　　[6]王帅，吕玉祥.面向食品质量检测的低功耗射频pH传感器设计[J].传感技术学报，2017，37(6):956-961.

　　[7]李伟荣，刘令云，闵凡飞，等.pH值对微细高岭石颗粒聚团特性的影响机理[J].中国矿业大学学报，2016，45(5):1022-1029.

　　[8]邓世建，胡媛媛，管城.基于DS18B20的MOA温度远程监控系统设计[J].电子器件，2011，34(2):206-209.

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