基于物联网技术的水质监测系统中不同溶解氧传感器应用效果初探

房景辉　邹健　刘毅　汪水吉　徐松华

摘要：将测量原理不同的电化学和光学溶解氧传感器分别集成在基于物联网的水质在线监测系统中，并应用于长时间监测海水养殖场的溶解氧，结果表明：两种传感器都能在一定时间内正常监测水体中的溶解氧，但基于传统原电池法的电化学溶解氧传感器在海水养殖水质监测中稳定性较差，维护复杂；而基于动态荧光淬灭的光学溶解氧传感器监测值相对比较稳定，且维护简单。本研究在实际应用层面上为两种类型溶解氧传感器的使用提供了技术参考。

关键词：海水养殖场；水质监测；电化学法；荧光法；溶解氧

中图分类号：S126 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2016）04-0134-05

我国的水产养殖产业正处于转型期，精细化管理越来越受到管理者的重视。水质环境是水产养殖的关键因素，在精细化养殖中，水质环境的重要性更加突出。小型太阳能浮标式水质监测系统是采用太阳能供电，运用现代传感器、自动测量、自动控制、计算机等高新技术以及相关的专用分析软件和通讯网络组成的一套综合性的水质在线自动监测体系。该系统体现了先进性、稳定性、可靠性、准确性、安全性以及运行的经济性。在其功能上，一方面，用户可以通过手机、电脑等终端实时查看养殖水质环境信息，及时获取异常报警信息及水质预警信息，并可以根据水质监测结果，实时调控设备；另一方面，通过采用水质信息智能感知、可靠传输、智能信息处理、智能控制等物联网技术，实现对水产品养殖全过程的自动监控与精细管理，有效增加水产品产量，提高水产品质量，减少养殖风险，降低生产成本，减轻劳动强度，扩大生产规模，实现科学养殖与管理，最终实现节能降耗、绿色环保、增产增收的目标。

水体溶解氧是水质评价、影响养殖生物健康状况的重要参数，因此，将先进的物联网技术与溶解氧监测结合起来而形成的监测系统对水产养殖产业发展具有较为重要的意义。在小型太阳能浮标式水质监测系统中，常用的溶解氧智能传感器有两种，一种是传统的基于电化学法的溶解氧传感器，另一种是基于光学法的溶解氧传感器，本研究重点对这两种不同测定原理的溶解氧传感器在海水养殖场中的实际应用效果进行探究。

1 材料与方法

1.1 溶解氧智能传感器描述

本试验所用的数字信号输出传感器，采用标准Modbus协议，可进行双向通讯，可集成到PLC或SCADA，并能够通过指令对传感器进行反控。其中，基于动态荧光淬灭法的第二代光学溶解氧传感器中内置盐度校准程序，可通过手动输入海水盐度值，对其进行盐度补偿；具有温度传感器，可自动实时进行温度补偿。电化学法溶解氧传感器采用的是原电池和极谱法测量技术，同样内置了温度传感器，也可自动实时进行温度补偿。

1.2 测定原理

1.2.1 电化学法 溶解氧电化学探头是一个用选择性薄膜封闭的小室，室内有两个金属电极并充有电解质，氧分子和一定数量的其他气体和亲液物质可透过这层薄膜，而水和其他可溶性物质的离子几乎不能透过这层膜。将探头浸没到水中测定溶解氧时，由于电池或其他外加电压作用在两个电极间产生电位差，使金属离子在阳极进入溶液，同时氧气通过薄膜扩散在阳极获得电子被还原，产生的电流与穿过薄膜和电解质层的氧的传递速度成正比，即在一定温度下该电流与水中氧的分压（或浓度）成正比（图1）。

1.2.2 荧光淬灭法 In-Situ RDO传感器利用动态荧光淬灭原理测量溶解氧。这种低维护传感器使用了有生命周期的光学技术，能提供非常稳定精确的结果。当被蓝光照射时，浸在能穿透气体传感金属箔中的剂量片发出红色的光子。RDO能测量反射信号的相位（延迟），再和发射信号相比较。剂量片中氧的存在能熄灭荧光，使反射信号的相位发生偏移，反射信号通过光电二极管探测到。测量到蓝色发射光和红色反射光的相位差，就能用来定量DO（图2）。

1.3 实地试验

采用携带不同溶解氧传感器的小型太阳能供电浮标式水质监测系统，对不同测定原理的溶解氧传感器的应用效果进行探究。该浮标投放于山东省海阳市，其中：海阳市千湖岛水产有限公司的浮标监测系统（A）采用了DO-680P型原电池法的溶解氧传感器；海阳港1号浮标监测系统（B）搭载了一套RDO-PRO-X型基于荧光淬灭法的光学溶解氧传感器。两者均监测水深50～60cm处的溶解氧数值。试验点及水质监测系统情况见表1。

2 结果与分析

本试验于2015年7月份开始进行，测试周期为半年，主要内容包括对监测数据的跟踪、日常比对和设备维护，最终选取具有代表性的9、10月份数据进行分析研究，比较两种溶解氧传感器在海水养殖环境中应用的实际效果。所有图表中引用的数据均可通过水产养殖数据平台中心网址链接进行追溯。

2.1 电化学溶解氧传感器的监测结果

整体来看（图3），9月1～17日养殖场海水中的溶解氧含量呈明显下滑趋势，9月1日溶解氧白天峰值为6.85mg/L，晚上低谷值为5.18mg/L，到9月17日，峰值为3.04mg/L，低谷值为1.94mg/L。经9月18日校正维护后，溶解氧数值又升到较高水平，由维护前的2.34mg/L（18：00前）升至6.09mg/L（19：00）。每次维护工作时间为2～3 h。9月18～28日，曲线仍呈整体向下漂移趋势，经9月28日零点校正后，溶解氧数值处于相对稳定水平，但10月11～15日，数值又呈现下降趋势，经10月15日校准后又处于相对稳定状态。

溶解氧峰值和低谷值变化具有昼夜规律性，9月1～3日期间，溶解氧的峰值均出现在下午15：00～16：00，而低谷值出现在凌晨4：00～5：00（图4）。

2.2 光学溶解氧传感器的监测结果

从整体上看，基于荧光淬灭的光学溶解氧传感器监测的溶解氧数值（图5）9月1～22日处于相对平稳状态，最低值出现在9月12日凌晨5：00，为4.72mg/L；9月23日凌晨至10月10日呈下降趋势，且峰值和低谷值问差值减小。但经10月11日下午简单清洗传感器后，溶解氧数值迅速上升。

光学溶解氧传感器测定的溶解氧数值也具有昼夜变化规律性，9月1～3日的检测结果（图6）显示，溶解氧的峰值出现在下午15：00～16：00，低谷值出现在凌晨4：00～5：00。

3 结论与讨论

3.1 电化学溶解氧传感器实际应用效果

本试验结果表明，传统原电池法溶解氧传感器在一定时间内测定的数值较稳定，但7～10天后，数据会逐渐漂移、降低，需要进行零点和饱和点校正，校准后，曲线会出现“突越”，测定数值恢复到正常水平。结合传统原电池传感器的测量原理与实际维护现状来看，随着使用时间的延长，原电池溶解氧传感器本身信号漂移及内部电解液消耗对测定结果的影响较大，需要定期进行校正，并定期更换填充液和膜片，维护相对较复杂，花费时间长，且维护频率高。

目前，由北京市物联网工程技术研究中心李道亮教授团队研制的新型极谱法溶解氧电极，由于采用了特殊的重金属防护电极结构，免维护周期是传统原电池电极的3倍多，且快速脉冲极谱法的应用使得传感器的漂移速度远小于传统原电池电极。在海水养殖环境下，该新型传感器一年内无需更换电解液和溶氧膜片，使用寿命和测量精度接近于荧光法溶解氧传感器。

3.2 光学溶解氧传感器的实际应用效果

本试验所用的In-Situ RDO光学溶解氧传感器测定的数值在20天内较为稳定，20天后数值开始慢慢漂移、下降。在实际维护过程中发现，将传感器上的附着物清洗干净后，所测定数值即可恢复到正常水平，无需重新校正。可见，光学溶解氧传感器维护简单，耗时短。

3.3 两种传感器的使用方法建议

本试验所用两种不同原理的溶解氧传感器均可在一定时间内正常监测水体中的溶解氧，监测结果符合池塘水体的溶解氧昼夜变化规律。但两者在使用上要区别对待，及时维护。

电化学溶解氧传感器在海水池塘养殖环境中，需要频繁更换隔膜与填充溶液，维护技术要求高。建议夏季1～2周进行校正维护一次，1～2个月更换一次填充液。在大规模养殖厂，可培养设备维护和养殖技术相结合的技术人员或建立第三方专业运营维护机构，以保证电化学溶解氧传感器能够正常发挥作用。

光学溶解氧传感器在海水池塘养殖环境中，具有稳定、维护量低、无需进行频繁校正和经常更换耗材的特点，监测值主要受附着物的影响，维护技术水平要求低。建议夏季水温25～30℃时，15～20天清洗一次附着物，冬季水温10℃以下时，可30～45天清洗一次。无需安排专业人员进行技术培训和维护。