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摘要：

針對目前水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測成本高、精度低、靈活性差等問題,設計了能夠自動監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中pH值、溶解氧、溫度等參數(shù)的智能系統(tǒng)。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(shù)的相對測量誤差在0.5%、1.85%、1.3%以內(nèi)，可以滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測的要求，具有較好的市場前景和推廣價值。

關鍵詞：

水產(chǎn)養(yǎng)殖；傳感器；最小二乘法；無線傳感網(wǎng)絡

隨著科技的發(fā)展，尤其是傳感技術的發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖已經(jīng)由原來的粗養(yǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榱司B(yǎng)，甚至工業(yè)化高密度養(yǎng)殖的方式[1]。而伴隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖品種的進一步細分，日益嚴重的水污染和魚病多發(fā)問題[2]，急需一種能夠更精確、方便的監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)，從而能更快捷的了解水質(zhì)中的pH值、溶解氧、溫度等參數(shù)的變化，以便能及時采取有效措施，保證水質(zhì)的安全、可靠。目前水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)仍然是基于傳感器對數(shù)據(jù)的采集，然后通過網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)。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(shù)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(tǒng)總體框架設計

系統(tǒng)主要由無線傳感器節(jié)點[3]、路由節(jié)點、協(xié)調(diào)節(jié)點、監(jiān)控中心等模塊組成。系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡采用ZigBee技術實現(xiàn)[4-5]。無線傳感器節(jié)點和路由節(jié)點用于檢測水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的參數(shù)；協(xié)調(diào)節(jié)點部署在監(jiān)測中心，通過RS232串口與本地監(jiān)控中心連接。GPRS模塊從協(xié)調(diào)節(jié)點讀到數(shù)據(jù)后，采用無線方式發(fā)送到位于Internet遠端的數(shù)據(jù)中心，同時如果接收到的數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)，還可以給監(jiān)控人員發(fā)送短信報警。用戶從遠程接入到Internet后，連接到數(shù)據(jù)中心，就可以進行遠程監(jiān)控。

2無線傳感器節(jié)點硬件設計

無線傳感器節(jié)點負責采集水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中的pH值、溶解氧、溫度等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至路由節(jié)點。無線傳感器節(jié)點由傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線收發(fā)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(zhuǎn)換模塊；并且內(nèi)置了不同的運行方式，可以適應低功耗要求的系統(tǒng)。

2.1pH值傳感器調(diào)理電路

pH值傳感器調(diào)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(diào)節(jié)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(diào)理電路

2.2溶解氧傳感器調(diào)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(diào)理電路如圖3所示。第1級是電壓跟隨器，調(diào)節(jié)可變電阻Rs產(chǎn)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(chǎn)生0.7V左右的壓差，達到發(fā)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(zhuǎn)變?yōu)殡妷骸５?級是濾波放大電路，將輸出電壓調(diào)節(jié)到標準電壓范圍。

2.3溫度傳感器調(diào)理電路溫度傳感器調(diào)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(jīng)過放大電路后輸出0-3V以內(nèi)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(shù)據(jù)。根據(jù)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(jù)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(nèi)，測量的精度完全滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)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(chǎn)生的擴散電流可用下式表示。上式中n、F、A、L為常數(shù)，而透氧膜擴散系數(shù)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(shù)，根據(jù)當?shù)氐拇髿鈮海ㄓ捎诒驹囼炇窃诟拭C省某鮭鱒魚養(yǎng)殖基地進行測試的，當?shù)卮髿鈮簽?8.2KPa）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(diào)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(tài)。溫度每升高1℃，記錄一次溶解氧調(diào)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(jié)點軟件設計無線傳感器節(jié)點是整個系統(tǒng)中最重要的基本單元，負責采集水質(zhì)數(shù)據(jù)并將其發(fā)送給協(xié)調(diào)節(jié)點。本系統(tǒng)軟件設計選用IAREmbeddedWorkbench開發(fā)環(huán)境[12-13]。無線傳感器節(jié)點在啟動后首先會進行自檢。自檢完成后，申請加入網(wǎng)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(shù)據(jù)采集，采集完成后，數(shù)據(jù)經(jīng)由路由節(jié)點發(fā)送到協(xié)調(diào)節(jié)點。在所有的數(shù)據(jù)發(fā)送出去以后，無線傳感器節(jié)點自動進入休眠狀態(tài)，以減少能源損耗。無線傳感器節(jié)點程序流程如圖7所示。

4.2上位機監(jiān)控軟件設計監(jiān)控軟件采用Labview程序開發(fā)環(huán)境[14]。上位機監(jiān)控軟件通過RS232串口與協(xié)調(diào)節(jié)點相連，可以實現(xiàn)對pH值、溶解氧、溫度、濁度等環(huán)境因子的監(jiān)測，并以曲線和圖表的方式表現(xiàn)，使監(jiān)控人員對環(huán)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(tǒng)會發(fā)出警報。

5系統(tǒng)測試

5.1無線網(wǎng)絡測試兩個節(jié)點間的距離從25米一直增加到150米。當節(jié)點間距離小于75米時，平均丟包率低于1.35%。實際運行中，節(jié)點之間距離不超過60米，因此設計的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)達到了實際運用的目的。

5.2參數(shù)采集測試（1）在實驗室內(nèi)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(shù)據(jù)來測試各個傳感器的相對誤差。結果表明，本系統(tǒng)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(nèi)。測量的精度完全滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測的要求。（2）在水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境進行了現(xiàn)場測試。在海拔2100米的現(xiàn)場對pH值、溫度、溶解氧等參數(shù)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(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)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(wǎng)絡的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。利用無線傳感網(wǎng)絡技術將pH值、溶解氧、溫度等參數(shù)實時地傳送到監(jiān)控中心，實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的本地監(jiān)測；使用GPRS模塊接入Internet網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)了遠程監(jiān)控。通過建立傳感器的線性回歸模型，使采集到的數(shù)據(jù)更加精確。試驗結果表明，pH值、溶解氧、溫度參數(shù)的相對測量誤差在0.5%、1.85%、1.3%以內(nèi)，測量的精度完全滿足了水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境采集的要求。

參考文獻

[1]劉大安.水產(chǎn)工廠化養(yǎng)殖及其技術經(jīng)濟評價指標體系[J].中國漁業(yè)經(jīng)濟,2009,27(3):97-105.

[2]房英春,劉廣純,田春,何小慧,宋鋼.養(yǎng)殖水體污染對養(yǎng)殖生物的影響及水體的修復[J].水土保持研究,2005,12(03):198-200.

[3]BalajiR,GanesanR.RemoteWaterPollutionMonitoringSystemUsingGSM[J].InternationalJournalofComputerScienceanditsApplications,2012,2(02):21-15.

[4]Epinosa-FallerFJ,Rendon-RodriguezGE.AZigBeewirelesssensornetworkformonitoringanaquaculturerecirculatingsystem[J].Journalofappliedresearchandtechnology,2012,10,10(3):380-387.

[5]LloretJ,SendraS,GarciaM,etal.Group-basedunderwaterwirelesssensornetworkformarinefishfarms[C].GLOBECOMWorkshops(GCWkshps),2011IEEE.IEEE,2011:115-119.

[6]蔡利婷,陳平華,羅彬,魏炎新.基于CC2530的ZigBee數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].計算機技術與發(fā)展,2012,22(11):197-200.

[7]李志方,鐘洪聲.IEEE802.15.4的CC2530無線數(shù)據(jù)收發(fā)設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2011,11(07):43-45.

[8]郭萌.電化學傳感器的研究[D].天津:天津大學,2005.

[9]劉慶,鄒應全,行鴻彥.基于MSP430單片機的溶解氧測量儀[J].儀表技術與傳感器,2009(9):33-35.

[10]MiaoYQ,ChenJR,FangKM.NewTechnologyfortheDetectionofpH[J].biochemicalandbioHysicalmethods,2005,63(1):1-9.

[11]張廣輝，邵惠鶴.溶氧傳感器的溫度特性研究及其補償[J].傳感技術學報，2006,19(2):323-327.

[12]SongJ.Greenhousemonitoringandcontrolsystembasedonzigbeewirelesssenornetwork[C].ElectricalandControlEngineering(ICECE),2010InternationalConferenceon.IEEE,2010:2785-2788.

[13]徐愛鈞.用IAREWARM開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時目標代碼的鏈接與定位[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2007,07(04):79-81.

[14]楊蓉.一種基于LabVIEW的無線監(jiān)測系統(tǒng)設計[D].汕頭:汕頭大學,2011.

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