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水产养殖环境监测系统设计

2016/01/14 阅读:

摘要:

针对目前水产养殖监测成本高、精度低、灵活性差等问题,设计了能够自动监测水产养殖环境中pH值、溶解氧、温度等参数的智能系统。基于最小二乘法与能斯特方程对pH电极的输出响应电压的线性回归模型进行了研究,基于最小二乘法与扩散电流公式建立了溶解氧电极的输出响应电压的线性回归模型,分析了两者之间的关系。通过验证,采用最小二乘法对电极标定后,pH值、溶解氧、温度等参数的相对测量误差在0.5%、1.85%、1.3%以内,可以满足水产养殖环境监测的要求,具有较好的市场前景和推广价值。

关键词:

水产养殖;传感器;最小二乘法;无线传感网络

随着科技的发展,尤其是传感技术的发展,水产养殖已经由原来的粗养转变为了精养,甚至工业化高密度养殖的方式[1]。而伴随着水产养殖品种的进一步细分,日益严重的水污染和鱼病多发问题[2],急需一种能够更精确、方便的监测水产养殖环境的监测系统,从而能更快捷的了解水质中的pH值、溶解氧、温度等参数的变化,以便能及时采取有效措施,保证水质的安全、可靠。目前水产养殖环境的监测系统仍然是基于传感器对数据的采集,然后通过网络传输数据。伴随着使用年限的增加,传感器的精度在逐渐降低。因此,本文通过建立传感器输出电压的线性回归模型,计算出相关的标定公式,可以很好地反映传感器的输出电压与温度、酸碱度之间的函数关系,减小或避免因使用年限增加导致的精度下降问题。

1系统总体框架设计

系统主要由无线传感器节点[3]、路由节点、协调节点、监控中心等模块组成。系统的无线传感器网络采用ZigBee技术实现[4-5]。无线传感器节点和路由节点用于检测水产养殖环境的参数;协调节点部署在监测中心,通过RS232串口与本地监控中心连接。GPRS模块从协调节点读到数据后,采用无线方式发送到位于Internet远端的数据中心,同时如果接收到的数据为异常数据,还可以给监控人员发送短信报警。用户从远程接入到Internet后,连接到数据中心,就可以进行远程监控。

2无线传感器节点硬件设计

无线传感器节点负责采集水产养殖环境中的pH值、溶解氧、温度等参数,并将数据发送至路由节点。无线传感器节点由传感器模块、信号调理模块、A/D转换模块、数据处理模块、无线收发模块、电源模块构成,其结构如图1所示。采用CC2530为微处理器,能支持7到12位的多通道A/D转换模块;并且内置了不同的运行方式,可以适应低功耗要求的系统。

2.1pH值传感器调理电路

pH值传感器调理电路如图2所示。采用H-101型pH电极,由于该电极输出为毫伏级电压,且电极输出阻抗达到200MΩ[8],因此U1单元选用阻抗较高的静电计级运算放大器OPA128,而其余的单元选用价格低廉的运算放大器OPA277。U1单元为电压跟随器,去除前后级电路之间的干扰。U2单元通过调节Rs使电压变化,通过10nF的电容与第1级输出相连,使电极输出提升至正电压。U3单元将电压进行滤波放大,使之输出1.6V~2.9V之间的电压信号。图2pH值传感器调理电路

2.2溶解氧传感器调理电路采用DO-957型极谱式溶解氧电极,该电极间充以KCL电解液,且阴极与阳极间达到0.7V的极化电压后[9]才会正常工作。溶解氧调理电路如图3所示。第1级是电压跟随器,调节可变电阻Rs产生0.7V的输出电压,第2级将阴极通过U2连接到地电位,使两电极之间产生0.7V左右的压差,达到发生电化学反应的条件,并在此级电路中将电极的输出电流转变为电压。第3级是滤波放大电路,将输出电压调节到标准电压范围。

2.3温度传感器调理电路温度传感器调理电路如图4所示,采用PT100温度传感器。电路采用±5V供电,利用R1、R2、Rs1和PT100构成惠斯通电桥。当PT100的电阻值与Rs的电阻值不相等时,电桥输出压差信号,经过放大电路后输出0-3V以内的电压。

3传感器线性回归模型建立

3.1pH值传感器线性回归模型建立pH电极之间的电压遵循能斯特(NERNST)公式。为了确保pH值传感器的精度,分别用pH值为4.01、6.86、9.46的标准缓冲液进行试验。试验方法如下:分别将三种不同pH值的标准缓冲液降温至0℃,利用恒温试验箱控制,将标准缓冲液逐步加热到40℃,温度每升高1℃,记录一次数据。根据4.01、6.86、9.46的标准缓冲液的输出电压,利用最大似然估计和最小二乘法计算出B和M。利用pH标准测试仪对测试的结果进行检测,结果如图5所示。图中的测试曲线为根据公式6拟合后的曲线,标准曲线为pH测试仪的输出曲线。通过比对,拟合后的曲线与标准曲线的相对误差均在1.00%以内,测量的精度完全满足水产养殖环境采集的要求。

3.2溶解氧传感器线性回归模型建立溶解氧传感器通过电化学反应所产生的扩散电流可用下式表示。上式中n、F、A、L为常数,而透氧膜扩散系数D随着温度的增加而逐渐减小。为了确保溶解氧传感器的精确度,需要建立溶解氧传感器的温度模型。将上式简化,并代入(2)式中。溶解氧浓度Cs是和大气压、温度相关的参数,根据当地的大气压(由于本试验是在甘肃省某鲑鳟鱼养殖基地进行测试的,当地大气压为78.2KPa)查表得到0-40℃的水中饱和溶解氧的浓度值。具体试验方法:首先使用亚硫酸钠做无氧溶液,对溶解氧传感器进行零点标定,记录溶解氧调理电路的输出电压[11]。然后取蒸馏水,向其中加氧,使之达到饱和。将蒸馏水先恒温至0℃,再控制恒温试验箱,逐步将蒸馏水加热到40℃,同时保证水中溶解氧浓度为饱和状态。温度每升高1℃,记录一次溶解氧调理电路的输出电压Vout,试验进行3次,取3次的平均值电压。

4软件设计

4.1无线传感器节点软件设计无线传感器节点是整个系统中最重要的基本单元,负责采集水质数据并将其发送给协调节点。本系统软件设计选用IAREmbeddedWorkbench开发环境[12-13]。无线传感器节点在启动后首先会进行自检。自检完成后,申请加入网络。如果成功,自动进入低功耗模式,等待采集指令。当收到采集指令后,启动各个传感器的数据采集,采集完成后,数据经由路由节点发送到协调节点。在所有的数据发送出去以后,无线传感器节点自动进入休眠状态,以减少能源损耗。无线传感器节点程序流程如图7所示。

4.2上位机监控软件设计监控软件采用Labview程序开发环境[14]。上位机监控软件通过RS232串口与协调节点相连,可以实现对pH值、溶解氧、温度、浊度等环境因子的监测,并以曲线和图表的方式表现,使监控人员对环境因子的变化有直观的掌握。当启动报警阈值时,在超出阈值后,系统会发出警报。

5系统测试

5.1无线网络测试两个节点间的距离从25米一直增加到150米。当节点间距离小于75米时,平均丢包率低于1.35%。实际运行中,节点之间距离不超过60米,因此设计的水产养殖环境监测系统达到了实际运用的目的。

5.2参数采集测试(1)在实验室内对各个传感器的测量值进行了误差分析;分别用标准溶液对pH值传感器、溶解氧传感器进行校准,以消除偏差。通过比较标准值和传感器采集到的数据来测试各个传感器的相对误差。结果表明,本系统pH值传感器、溶解氧传感器、温度传感器的测量值与标准值的相对误差分别在0.5%、1.85%、1.3%以内。测量的精度完全满足水产养殖环境监测的要求。(2)在水产养殖环境进行了现场测试。在海拔2100米的现场对pH值、温度、溶解氧等参数进行了测试。结果如表1所示。水源为冷泉水,流量为0.8m3/s,水温周年变化为6-17℃。在为期3个月的测试中,系统运行稳定,数据采集正常,精度也达到了预期目标,满足了实际测试的需要。

6结论

本文设计了一种基于无线传感网络的水产养殖环境监测系统。利用无线传感网络技术将pH值、溶解氧、温度等参数实时地传送到监控中心,实现水产养殖环境的本地监测;使用GPRS模块接入Internet网络,从而实现了远程监控。通过建立传感器的线性回归模型,使采集到的数据更加精确。试验结果表明,pH值、溶解氧、温度参数的相对测量误差在0.5%、1.85%、1.3%以内,测量的精度完全满足了水产养殖环境采集的要求。

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作者:卜世杰 杨旭辉 韩根亮 郑礴 张红霞 单位:兰州交通大学电子与信息工程学院 甘肃省科学院传感技术研究所甘肃省传感器与传感技术重点实验室

水产养殖环境监测系统设计

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