面向鱼塘养殖的水质检测装置研究与性能试验

□ 汪 洋 吕石祥 肖茂华 朱 虹 汪小旵 耿国盛

（1.南京农业大学工学院，江苏 南京 210031；2.金湖金龙祥渔业设备有限公司，江苏 淮安 223000；3.江苏省农机具开发应用中心，江苏 南京 210017）

在过去的几十年间，水产养殖业已经成为世界食品领域增长最快的行业［1］。我国正处于渔业发展的关键转型期，渔业供给侧改革不断深化，水产养殖也从传统的盲目追求量的提升，逐渐转向精准、可持续发展的道路。我国水产养殖现状是较低的科技水平与较高经济规模上的不匹配，传统的养殖方式过于依赖养殖户的经验水平，容易造成主观性错误，对于资源浪费也是十分严重［2］，水产养殖业的产业转型是必然的，这需要真实准确的养殖数据来科学指导水产养殖工作［3］。因此，研究水质检测设备对于水产养殖的数字化升级具有重要意义［4］。

目前我国水质检测技术水平与国外发达国家相比仍有较大差距［5］，在高精度传感器方面仍处于被国外垄断的局面［6］，国内对水产养殖领域的水质检测设备进行了大量研究，但目前所开发的系统仍没有解决产品价格高、维护周期短、难以大规模推广使用等问题。针对上述问题，本文设计一套完整的检测装置来检测水域的溶解氧浓度、pH值、水温等重要指标，通过下位机屏幕实现水质数据的可视化。该系统功能比市场上单一的检测仪器更加完善，价格相较于国外产品有较大优势。

一、系统总体架构设计

本文检测系统主要由水质采集节点、数据传输节点组成［7-8］，其中水质采集节点由各种传感器组成，包括温度传感器、PH传感器以及溶解氧传感器，数据传输节点由STM32主控制单元以及电源所组成，传感器通过BNC接口接入调理模块，调理模块通过杜邦线连接单片机的对应引脚，多节点相互配合对水产养殖水域的水温、pH值和氧含量进行数据采集，同时系统能够在开发板的屏幕上实现采集数据可视化。

二、下位机硬件模块设计

（一）STM32主控芯片

STM32代表ARMCortex-M内核的32位微控制器，是由意法半导体公司研发出的嵌入式单片机，截至目前，该公司已向市场推出STM32基本型、增强型等多个系列产品，在世界单片机领域处于领先地位［9］。选用STM32为开发工具主要在于其优异的性能，如该处理器功耗低，支持两种低功耗模式；由于内部集成ARMCortex-M内核，与16位和8位处理器相比，代码处理效率大大提升；内存较大，支持程序存储等。

本文综合考虑产品价格、I/O口数量、处理器性能、功耗等因素，最终选择STM32F103ZET6芯片作为本系统的主控芯片，该芯片作为F103增强型系列拥有较高数量的I/O口以及数据通信接口，是一款性价比高、功耗低、程序处理速度快的高性能芯片，已被广泛应用于生活中的各种电子产品中。

（二）温度检测单元

温度传感器是指能够感知被测物体温度，输出对应信号的传感器。对于水产养殖领域的温度传感器选用，首先需要选用防水型传感器，考虑到成本的因素，不能过分地追求传感器的测量精度，同时需要保证传感器抗外界干扰能力强、能耗低、体积较小，能够在恶劣的环境下工作［10］。

常见的温度传感器主要有模拟信号接口和数字信号接口，在传统模拟信号输出的温度传感器应用中，需要解决引线误差补偿、放大电路零点漂移等问题，才能够达到较高的测量精度，而选用数字信号输出的传感器则可以避免这些技术问题，因此本文选择DS18B20数字型温度传感器，进行水产养殖领域的温度检测，其温度测量范围达到-55～+125℃，探头使用了不锈钢材质封装，防水防潮防生锈。该数字型DS18B20温度传感器体积小、精度较高、抗干扰能力强，在实际工程应用中应用十分广泛。温度传感器通过对应接口接入调理模块，该调理模块集成了PH传感器的调理电路，方便进行软件温度补偿设计。

（三）pH检测单元

pH值是水产养殖水质参数的一个重要指标，在自然生存环境中较为适合鱼类生长的pH值通常要求在7.0～8.5之间，而对于可检测酸碱度的传感器，类型较为丰富，从价格与检测精度多方面综合，本文选择了玻璃电极型传感器，在实际的水产养殖领域中也普遍采用该类型传感器，其原理是用电极测电位的方法来实现［11］，即电极在接触溶液时，表层的玻璃膜上会形成一个变化的电势，通过测量电势差来获取pH值。在此次试验过程中，设计的为E-201-C复合电极传感器，其测量灵敏度数值高，能够抵御水域中的复杂因素干扰，测量精度为±0.01pH，响应时间低于1min，温度适用范围0～60℃。

在本设计开发中，通过PH传感器调理模块扩展DS18B20型温度传感器接口，方便进行软件温度补偿设计，传感器通过模块的BNC接口与其连接进行采集信号输入，为了使传感器的信号输出与开发板的AD转换器的输入进行良好的匹配，需要进行信号调理电路的设计。本文PH模块的调理电路设计如图1所示，主要包括DS18B20调理电路、PH信号放大电路。

图1 PH传感器模块的调理电路设计

（四）溶解氧检测单元

溶解氧参数是水生生物健康生长的关键因素，对于水体溶解氧的测定，通常使用溶解氧在线检测传感器来完成。溶解氧检测传感器根据原理通常分为三种，分别为原电池型、极谱型和荧光法。其中，基于荧光法的传感器价格较为昂贵，而极谱型传感器在使用前需要预热。从产品的技术特点、价格以及使用复杂度综合考虑，本文选用原电池型溶解氧传感器进行水体溶解氧的检测，其检测范围达到了0～20mg/L，温度范围在0～40℃，响应时间低于1min，电极芯寿命约为1年。在使用该原电池型传感器时，需要加入0.5mol/L的氢氧化钠溶液作为电极的填充液，同时为了保证传感器精度，初次使用的传感器或使用较长时间的传感器需要进行校准。

完成传感器的设计选型后，需要进行传感器信号调理电路的设计。本系统设计的原电池型溶解氧传感器通过BNC接口接入调理模块，调理模块通过对应引脚与单片机连接完成信号的输入输出。该模块的信号调理电路设计如图2所示。

图2 原电池型传感器模块的信号调理电路设计

三、水质采集节点软件设计

在完成系统硬件的设计后，需要对各节点进行软件开发，完成程序植入才能使各个模块正常工作。本文采用标准的单片机开发环境Keil5软件进行系统软件设计，编程语言为C语言。对于水质采集节点的程序设计主要通过检测程序来采集水产养殖水环境的各参数，同时对采集的传感器信号进行A/D转换，获取到数字值存储，具体的程序步骤如下：

步骤1：在对下位机供电后，下位机系统首先进行初始化操作，包括开发板显示屏初始化、串口初始化、按键初始化、DS18B20初始化等。

步骤2：完成系统的初始化后，由数据采集子程序读取指令，判断是否进行水质参数的读取，逻辑判断通过后依次进行pH值、水温、溶解氧浓度的获取，否则发送命令错误，向用户发送警报。

步骤3：采集数据后再次校验数据是否读取完毕，如果读取完毕即通过，否则进行数据的循环读取。

步骤4：执行ADC转换器，对模拟信号转换为数字量，对于DS18B20传感器采集的水温不需要执行此程序，该传感器直接为数字信号输出。

步骤5：对传感器采集的数据进行数据封装，并将封装的数据包存储。读取获取单片机屏幕位置程序，将存储数据对应显示，执行结束。

通过以上全部的步骤，完成了对水质采集节点的软件设计。

四、系统性能试验

（一）试验系统组成

本文通过选用合理的处理器芯片、传感器组，将各调理模块连接形成了统一的整体，并通软件编程设计了完整的水质检测程序，为了验证本系统的测量效果，需要进行实地的水质检测试验。在进行水质采集试验前，将各硬件模块进行相应封装，传感器的BNC接口预留在外，试验时将外部传感器连接BNC接口即可。

（二）水质采集试验

利用本文设计的系统，2022年1月在南京农业大学博远楼水产养殖模拟池进行了相关的系统试验，试验主要通过比对本系统和市场成熟产品采集的水质参数，计算两者误差，验证该系统的测量精度。采集试验两小时进行一次，三类传感器共18组数据，测量结果与PH818型检测笔和AR8010溶解氧检测仪的检测值进行对比，实验数据如表1所示。实验结果表明，本文研制的系统与水产养殖标准仪器测量值相近，其中水温、pH值和溶解氧的测量平均相对误差分别为4.15%、2.18%、2.80%，测量精度能够满足实际水产养殖需求，检测效果良好。

表1 水温、pH值和溶解氧的测试结果

五、结语

（1）本文设计了一套水产养殖水质检测装置，系统通过传感器节点采集水温、pH值和溶解氧浓度，实现了数据可视化，完成养殖水域的智能化检测。整套系统使用方便性价比高，避免使用价格昂贵、难以维护的水质检测仪。

（2）本系统的相关试验表明系统运行稳定，数据检测效果良好，与市场上成熟的水质检测仪测量精度相近。本研究对于水产养殖嵌入式设备的研发和我国传统渔业的转型升级具有一定的参考价值。