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农业论文

鱼塘多节点水质评估系统设计

时间:2019年07月09日 所属分类:农业论文 点击?#38382;?script src="/plus/count.php?view=yes&aid=26020&mid=42" type='text/javascript' language="javascript">

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?#36816;?#30417;测水域进行空间与时间?#31995;?#20934;?#33539;?#20301;和时间同步,利用水质传感器获取鱼塘的酸碱?#21462;?#27700;温及浑浊度,利

  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?#36816;?#30417;测水域进行空间与时间?#31995;?#20934;?#33539;?#20301;和时间同步,利用水质传感器获取鱼塘的酸碱?#21462;?#27700;温及浑浊度,利用模糊分析法对鱼苗生存?#23460;?#24230;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?#23460;?#24230;的综合性评估。

  关键词:水质监测;鱼苗生存?#23460;?#24230;评估;北斗卫星导航系统;无线通信

中国矿业大学学报

  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?#38382;?#36827;行在线监测,这种方式监测点固定,数据准确?#24335;系停?#24403;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?#23460;?#24230;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?#27542;?#26465;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?#20013;?#24687;通讯;平衡舵机x、y与舵机转向板分别与控制器的PWM数?#36136;?#20986;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?#36136;?#20986;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?#33539;?#21462;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?#33539;?#21462;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?#33539;?#21462;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?#36136;?#20837;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,?#21830;?#32447;?#37038;?#30340;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?#38142;?#29702;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$GNRMC,hhmmss.ss,A,ddmm.mmmmmm,a,dddmm.mmmmmm,a,x.x,x.x,ddmmyy,x.x,a,a*hh[4],设计?#34892;?#35201;提取的有用信息包括经度和纬度,信息中的第3、4、5、6字段为需要提取的字段,这些字段分别代表纬度格式、南(北)?#22330;?#32463;度格式、东(西)经。以GNRMC信息为例对数据进行说明$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?#34892;В?#32428;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?#21462;?#37240;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?#21462;?#20809;?#37038;?#31471;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,?#36152;?#40060;塘该节点的浑浊?#21462;H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?#23478;?#20013;,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?#31579;?#36716;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?#27542;?#26465;机?#25346;?#21450;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?#27542;?#26465;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?#31995;?#20559;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?#20013;?#24687;通讯方式的交互模式,实?#20013;?#24687;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?#37038;?#27169;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?#37038;誌D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?#37038;?#22788;理、鱼苗生存?#23460;?#24230;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?#37038;?#20449;息等。

  3.1定位信息的获取

  GPS/北斗模块正常工作时能?#37038;?#21040;8?#26893;?#21516;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。?#37038;?#24182;处理导航信息的流程为:首先初始化串口,当GPS/北斗模块?#37038;?#21040;信号时,将变量flag_rec赋值为1,串口产生中断,并判断是否是?#34892;?#23450;位$GNRMC,若是?#34892;?#30340;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?#38382;?#20197;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?#23460;?#30340;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?#36152;?,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、?#37038;?#31561;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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  [2]李建柱,侯杰,张鹏飞,等.空心菜浮床对鱼塘水质和微生物多样性的影响[J].中国环境科学,2017,36(10):3071-3080.

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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.

  [5]王志丹,常建华,朱成刚,等.新型宽量程浊度传感器设计[J].传感器与微系统,2016,35(5):77-83.

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  相关刊物推荐:中国矿业大学学报是煤炭科学技术方面的综合性学术刊物,是全国中文核心期刊。

  

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