胡月明， 黃建清， 王衛(wèi)星， 姜 晟， 李亮斌

(1.華南農(nóng)業(yè)大學 信息學院，廣東 廣州 510642； 2. 海南大學 應用科技學院，海南 儋州 571737；3.華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院，廣東 廣州 510642； 4.國土資源部建設用地再開發(fā)重點實驗室，廣東 廣州 510642；5.廣東省土地利用與整治重點實驗室，廣東 廣州 510642)

0 引 言

pH值是養(yǎng)殖水體最重要的水質(zhì)指標之一[1～3]，我國漁業(yè)水質(zhì)標準GB 11607—89規(guī)定養(yǎng)殖水體魚類生長的pH值安全范圍為6.5～8.5[4]，pH值過高或過低，對魚類都有直接損害，甚至致死[5～8]。如黃鱔正常生活適宜的水體pH值為6.0～7.5，最適宜pH值范圍為6.5～7.5，pH值高于8.0和低于6.0時，黃鱔體表粘液減少，肛門充血腫脹，嚴重者甚至內(nèi)臟也充血，部分皮膚腐爛[9]。因此，在養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中要經(jīng)常測量水體的pH值，以便隨時了解水質(zhì)狀況，采取相應的調(diào)節(jié)措施改善水體環(huán)境，保證養(yǎng)殖魚類正常生長。

測量pH值的常用方法有化學分析法、試紙分析法和電位分析法?；瘜W分析法、試紙分析法不能實現(xiàn)pH值實時在線測量，而電位檢測法一般采用玻璃電極傳感器，這種儀器體積小巧，便于攜帶和使用，測量的數(shù)據(jù)準確、可靠，免去了取樣帶來的不便，但需要人工記錄數(shù)據(jù)、費力耗時、不能實現(xiàn)pH值動態(tài)變化的實時監(jiān)測[10]。

本文設計一個水產(chǎn)養(yǎng)殖pH值無線實時監(jiān)測系統(tǒng)，以便養(yǎng)殖人員實時觀測水體pH值狀況，從而采取及時有效的措施調(diào)控水質(zhì)，對于保證水產(chǎn)養(yǎng)殖的安全生產(chǎn)、減輕工人的勞動強度、提高養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)效率具有重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構

系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點、路由節(jié)點、匯聚節(jié)點、本地監(jiān)測中心和遠程監(jiān)測中心等組成，其結(jié)構如圖1所示。傳感器節(jié)點和路由節(jié)點部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，以自組織的方式構成網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點采集水體溫度、pH值數(shù)據(jù)，并以多跳網(wǎng)絡方式傳送到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點接收傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)，通過RS—232串口傳輸?shù)奖镜乇O(jiān)測中心，監(jiān)測中心軟件對數(shù)據(jù)進行分析、處理、存儲，圖形化顯示與報警。匯聚節(jié)點也可以通過GPRS模塊接入Internet網(wǎng)絡，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳回遠程監(jiān)測中心。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構

2 硬件設計

2.1 硬件組成

傳感器節(jié)點主要由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊組成，節(jié)點的硬件結(jié)構如圖2所示。處理器模塊采用低電壓、低功耗的單片機芯片MSP430F149[11]。無線通信模塊采用低功耗、發(fā)射功率可調(diào)的nRF905模塊[12]。電源模塊采用1 200 mAh，3.2 V的磷酸鐵鋰電池供電[13]。傳感器模塊包括傳感器和信號調(diào)理電路，傳感器采用上海力瓊公司PHG—96FS型pH復合電極，該電極測量范圍為0.00～14.00 pH，分辨率為0.01 pH，并且內(nèi)置熱敏電阻器，測量溫度范圍0～80 ℃，信號調(diào)理電路對pH電極輸出的微弱信號進行調(diào)理放大，以滿足單片機A/D轉(zhuǎn)換的要求。

圖2 傳感器節(jié)點硬件結(jié)構

2.2 pH值信號調(diào)理電路

pH復合電極輸出為mV級電壓信號，且內(nèi)阻很高[14]。在調(diào)理電路的設計中，采用±5 V供電的運算放大器構成三級電路，如圖3所示，第一級將pH電極輸出與電壓跟隨器相連，目的是提高測量電路的輸入阻抗和隔離前后級電路的影響；第二級將pH電極輸出信號濾波放大；第三級將放大后的信號調(diào)整為0～3.3 V，以滿足單片機A/D轉(zhuǎn)換器輸入范圍。

圖3 pH調(diào)理電路

3 pH值測量數(shù)學模型

雖然信號調(diào)理電路能夠?qū)鞲衅魑⑷跣盘枮V波放大，但它的輸出電壓還不能反映與被測對象物理量的數(shù)學關系，需要通過研究pH電極的測量原理和電極輸出與信號調(diào)理電路輸出的關系，建立相應的pH值測量數(shù)學模型。

pH復合電極由甘汞電極和玻璃電極組成，玻璃電極的頭部球泡由特殊的敏感薄膜制成，它僅對氫離子敏感，在測量中作為指示電極，甘汞電極作為參考電極，當溶液中氫離子濃度發(fā)生變化時，指示電極和參比電極之間的電動勢也隨著引起變化，依據(jù)Nernst方程，指示電極與參比電極之間的電動勢與被測溶液酸堿度關系為[15]

E=E0+ST(pH-7),

(1)

式中E為電極輸出電動勢，mV；E0為標準電極電勢mV；S為Nernst系數(shù)；T為絕對溫度，K。pH電極接外電路后電極端輸出電壓Vin為

(2)

式中RL為外電路等效電阻，Ω；RS為電極內(nèi)阻，Ω；B為系數(shù)。

由式(1)、式(2)可得pH值調(diào)理電路輸出電壓VpH為

VpH=KpH(T)(pH-7)+V0,

(3)

式中V0為pH=7時信號調(diào)理電路輸出電壓，V；KpH為隨溫度而變化的系數(shù)，需要建立與溫度關系的數(shù)學模型，實現(xiàn)對VpH溫度補償，方法如下：

1)將pH=4.01與pH=9.18的標準溶液降溫至0 ℃左右，然后用恒溫磁力攪拌器逐步加熱到50 ℃。

2)每隔1 ℃，記錄信號調(diào)理電路輸出電壓VpH1，測量3次取平均值。

3)根據(jù)下式計算出KpH值，獲得實驗數(shù)據(jù)

(4)

式中 pH1～pH2為pH=4.01和9.18在溫度T時pH值；VpH1～VpH2為pH=4.01和9.18時信號調(diào)理電路輸出電壓，V。

4) 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，擬合KpH曲線。

在擬合KpH曲線時，由于KpH的變化趨勢在不同的溫度范圍內(nèi)呈不同的非線性關系，難以用一條光滑的曲線去表達。本文采用最佳分段二次多項式方法擬合KpH曲線，分段區(qū)間通過擬合精度和擬合誤差控制的尋優(yōu)方法確定，二次多項式擬合采用最小二乘法，具體算法如下:

設KpH曲線上有若干個點(T1，KpH(T1))，(T2，KpH(T2))，…，(Ti，KpH(Ti))，…，(Tn，KpH(Tn))：

a.選取KpH曲線的初始區(qū)間T1～T1+h，h為步長，初始值為1。

b.采用最小二乘法對T1～T1+h區(qū)間數(shù)據(jù)進行二次多項式擬合。

c.計算T1～T1+h區(qū)間的擬合精度和各點的誤差

(5)

(6)

d.將擬合精度R2、最大絕對誤差ΔEmax與擬合精度閾值θ和允許誤差閾值ΔE比較，若ΔEmax≤ΔE，且R2≥θ，則令h=h+1，將區(qū)間T1～T1+h擴大，然后返回步驟b;否則,轉(zhuǎn)步驟e。

e.T1～T1+h為最佳分段區(qū)間，不能再擴大，令n=h+1，選擇下一區(qū)間Tn～Th+1，返回步驟b，重新對新區(qū)間進行二次多項式擬合，直到區(qū)間所有數(shù)據(jù)點都擬合完成。

根據(jù)以上方法，建立KpH曲線方程如下

KpH=

(7)

4 軟件設計

系統(tǒng)軟件分為節(jié)點嵌入式軟件和監(jiān)測中心軟件兩部分，節(jié)點嵌入式軟件是基于IAR Embedded Workbench集成開發(fā)環(huán)境，采用面向硬件操作的單片機C語言編程開發(fā)，程序設計采用模塊化編程方式，主要包括主程序、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送、串口通信等模塊。監(jiān)測中心軟件使用ViusalBasci 6.0進行開發(fā)，通過VB 6.0自帶的MSCOMM控件獲取匯聚節(jié)點的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4.1 節(jié)點軟件設計

1)主程序

在主程序中，節(jié)點周期性地采集數(shù)據(jù)，采集時間間隔設為30 min，每次采集完畢后立即關閉傳感器電源，以減少能耗，同時設置另一個定時器，作為發(fā)送本地采集數(shù)據(jù)的時間，在這段時間內(nèi)，節(jié)點可以接收和轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點的數(shù)據(jù)。當發(fā)送時間到，節(jié)點將本地采集數(shù)據(jù)發(fā)送出去。如果接收到匯聚節(jié)點發(fā)送的同步信息，傳感器節(jié)點調(diào)整本地系統(tǒng)時間，然后進入休眠狀態(tài)，直到下次采集時間到,再開始新一輪的采集工作，節(jié)點主程序流程如圖4所示。

圖4 節(jié)點軟件主程序流程圖

2)數(shù)據(jù)采集程序

設定定時器Timer_A的定時時間為15 s，通過一個全局變量TIMERROUND控制采集周期。每次定時中斷到來時，CPU被喚醒，從低功耗模式轉(zhuǎn)入工作模式，然后對TIMERROUND累加1并判斷，當TIMERROUND值加到118時，打開繼電器給傳感器模塊通電預熱，然后等待下一個定時中斷到來，當TIMERROUND值加到119時，系統(tǒng)啟動A/D轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)采集，pH值和溫度信號調(diào)理電路輸出電壓分別送入A/D轉(zhuǎn)換器A0,A1通道，每個通道采集3次，然后計算各通道采集數(shù)據(jù)的平均值并存儲。當TIMERROUND值加到120時，先打開無線通信接收模塊，使節(jié)點能夠及時接收其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后再將采集的數(shù)據(jù)打包并無線發(fā)送，最后將TIMERROUND值清零，這樣，每次數(shù)據(jù)采集的時間間隔為120×15 s=30 min，數(shù)據(jù)采集程序流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集流程圖

4.2 監(jiān)測中心軟件設計

監(jiān)測中心軟件能夠方便養(yǎng)殖戶查看水質(zhì)參數(shù)的實時數(shù)據(jù)，監(jiān)測中心軟件采用VB 6.0編程開發(fā)，主要實現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、實時曲線繪制、歷史曲線繪制、歷史數(shù)據(jù)查詢和匯總、越限報警和參數(shù)設置等功能。

5 結(jié)果與分析

5.1 擬合誤差

為比較擬合結(jié)果，將本文最佳分段二次多項式擬合方法與二次多項式擬合方法、指數(shù)函數(shù)擬合方法比較，計算對應的RMSE,MRE,Emax和R2值，并繪制KpH擬合誤差曲線，計算結(jié)果如表1所示，擬合誤差曲線如圖6所示。

從表1可以看出:三種方法的擬合精度都比較高，但最佳分段二次多項式擬合在3個分段區(qū)間的RMSE,MRE,Emax值都低于二次多項式擬合與指數(shù)函數(shù)擬合方法，并且從圖6可以看出:最佳分段二次多項式擬合程度最好，擬合誤差分布最均勻，表明最佳分段二次多項式具有較高的準確性。

表1 KpH擬合曲線的評價指標

圖6 KpH擬合誤差曲線

5.2 水質(zhì)參數(shù)采集測試

2012年9月，利用本文設計的系統(tǒng)，在廣東省珠海市斗門區(qū)白蕉鎮(zhèn)之山水產(chǎn)公司養(yǎng)殖現(xiàn)場進行實驗。實驗共采用11個節(jié)點，一個節(jié)點作為匯聚節(jié)點與PC連接，用于收集傳感器節(jié)點的采集數(shù)據(jù)，并發(fā)送給PC機進行后臺數(shù)據(jù)管理；5個節(jié)點作為傳感器節(jié)點，配置PHG—96FS型pH復合電極，用于采集魚塘pH值和水溫數(shù)據(jù)；另外5個節(jié)點作為路由器節(jié)點，用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。實驗連續(xù)監(jiān)測25 d，以驗證系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)恼_性。

圖7為各節(jié)點在10月20日的pH值實時監(jiān)測曲線。從圖中可以看出：各節(jié)點的pH值實時監(jiān)測曲線變化范圍較小，數(shù)據(jù)在7～9之間變化，符合水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中對pH值的要求。

圖7 pH值實時監(jiān)測曲線

6 結(jié) 論

1)本文設計了一種水產(chǎn)養(yǎng)殖pH值無線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)對于保證水產(chǎn)養(yǎng)殖的安全生產(chǎn)、減輕工人的勞動強度、提高養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)效率具有重要的現(xiàn)實意義。

2)針對pH值測量易受溫度影響的特點，采用最佳分段的二次多項式方法擬合溫度系數(shù)KpH曲線，實現(xiàn)了pH值

測量軟件溫度補償，提高了測量的準確性。與二次多項式和指數(shù)函數(shù)擬合方法相比，采用最佳分段的二次多項式方法擬合KpH曲線，擬合程度最好，擬合誤差分布最均勻。

3)測試結(jié)果表明：系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸正常，滿足實際運行的需要。

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