張澤彤，徐 喆，佟石磊，盧鴻任，楊藝昕，陳興文，劉 燕

(大連民族大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

0 引言

在水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中，要求對(duì)池塘、水庫、工廠化養(yǎng)魚池等多種水體的水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如養(yǎng)殖場(chǎng)、育苗場(chǎng)水源必須檢測(cè)確定無化學(xué)污染源。養(yǎng)殖過程中，為了預(yù)測(cè)水質(zhì)變化趨勢(shì)，及時(shí)調(diào)整水質(zhì)，每天要多次測(cè)定溫度、pH值，溶解氧、氨氮、亞硝酸鹽，硫化物等水質(zhì)指標(biāo)[1]。國內(nèi)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)檢測(cè)儀器一般都是離線式的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方式，需要取樣，檢測(cè)結(jié)果反饋周期長，難以保證水產(chǎn)養(yǎng)殖的安全。

本裝置具有成本低、體積小、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程的智能化控制以及水質(zhì)的檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。潛在市場(chǎng)需求很大，可以在國內(nèi)迅速推廣，有較好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

水質(zhì)檢測(cè)機(jī)器人主要由電氣控制和機(jī)械執(zhí)行兩部分組成。電控部分主要由STM32單片機(jī)控制模塊、濁度傳感器模塊、pH傳感器模塊、溶氧度傳感器模塊、WiFi無線通訊通信模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊組成，如圖1所示。機(jī)械部分包括機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)總體功能框圖

2 硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 pH值測(cè)量調(diào)理電路

池水的酸堿度(pH值)既影響魚類的生長生活，又影響到池水中的營養(yǎng)素。而且水環(huán)境中出現(xiàn)的任何自然現(xiàn)象、化學(xué)變化以及人們漁業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)都會(huì)帶來養(yǎng)殖水域的pH值變化。因此pH測(cè)量值是水質(zhì)檢測(cè)的重要指標(biāo)。目前在水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用較廣的是玻璃電極傳感器，其具有測(cè)量范圍寬、重復(fù)性好、穩(wěn)定性高、精度高、環(huán)境適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)。本系統(tǒng)中選用上海雷磁E-201-C可充式pH電極傳感器，采用玻璃電極和參比電極組合在一起的復(fù)合結(jié)構(gòu)，電壓毫伏級(jí)輸出，具有輸入阻抗高的特點(diǎn)及溫度與電壓自動(dòng)補(bǔ)償功能[2]。其測(cè)量是利用玻璃電極與參比電極的電位差的輸出數(shù)值和被測(cè)液體的pH值呈線性關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)復(fù)合電極形成的電位差等于零時(shí)，表明被測(cè)溶液的pH值為7(即為中性)；當(dāng)復(fù)合電極形成的電位差小于零時(shí)，表明被測(cè)溶液的pH值大于7(即為堿性)；當(dāng)復(fù)合電極形成的電位差大于零時(shí)，表明被測(cè)溶液的pH值小于7(即為酸性)。為了滿足STM32單片機(jī)的A/D接口的電平大小和極性以及傳感器的高輸入阻抗特性的需求，pH值信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理接口電路如2圖所示。

圖2 pH值信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理接口電路

2.2 濁度測(cè)量調(diào)理電路

水的渾濁度主要由水中的無機(jī)物和有機(jī)物引起，渾濁度過高可影響水味和顏色，其中顆粒物可以吸附或包藏病毒和細(xì)菌等有毒有害物質(zhì)。濁度測(cè)量原理是利用傳感器模組內(nèi)部集成紅外對(duì)管的發(fā)射與接收，利用接收管光強(qiáng)與輸出的模擬電壓之間線性來測(cè)量的，實(shí)際就是采用散射率和透光率來綜合判斷濁度值。當(dāng)水質(zhì)清澈時(shí)，光線的穿透量就越大，對(duì)應(yīng)的輸出電壓信號(hào)就大；反之則表示水質(zhì)越渾濁。其調(diào)理接口電路如圖3所示，傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過C1的濾波處理，再經(jīng)運(yùn)放進(jìn)行放大處理，最后將信號(hào)輸出到STM32的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的值可直接用STM32進(jìn)行處理。

圖3 濁度傳感器調(diào)理電路

2.3 溶氧度調(diào)理電路

系統(tǒng)應(yīng)用極譜式原理的DO溶氧電極來測(cè)量,以鉑金(Pt)作陰極，Ag/AgCl作陽極,電解液為0.1M氯化鉀(KCl)。測(cè)量時(shí)，在陽極和陰極間加上極化電壓，氧通過滲透膜在陰極消耗，透過膜的氧量與水中溶解氧濃度成正比，因而電極間的極限擴(kuò)散電流與水中溶解氧濃度成正比，通過檢測(cè)此電流并經(jīng)運(yùn)算變換成氧濃度。同時(shí)熱敏電阻檢測(cè)溶液的溫度，并對(duì)溶氧濃度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。其調(diào)理電路接口如圖4所示。

圖4 溶氧度調(diào)理電路

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由STM32主控板、機(jī)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、A/D采集以及水陸圖像傳輸?shù)冉M成。由STM32主控制板發(fā)出對(duì)水上機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及水樣數(shù)據(jù)采集等命令。當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，通過遙控器發(fā)出WiFi串口控制指令，STM32接收到指令后，啟動(dòng)巡游水質(zhì)采樣工作[3]。

為保障能夠避開水面上障礙順利開展采集工作，系統(tǒng)采用利用WiFi數(shù)據(jù)通信對(duì)水面作業(yè)情況進(jìn)行圖像采集。其具體過程是手機(jī)端與機(jī)器人端的路由器之間無線通信，STM32單片機(jī)串口與路由器相連，這樣實(shí)現(xiàn)了水陸之間無線通信。圖像采集使用數(shù)字?jǐn)z像頭，通過手機(jī)端啟動(dòng)就可以實(shí)時(shí)顯示水面作業(yè)的情況。

3 系統(tǒng)程序流程設(shè)計(jì)

使用C語言對(duì)機(jī)器軟件控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由運(yùn)動(dòng)控制、傳感器采集、無線通信模塊三部分功能程序組成。首先初始化系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定系統(tǒng)的初始信息設(shè)置，機(jī)器人通過接收地面端控制信號(hào)來控制機(jī)器人。當(dāng)接收到運(yùn)動(dòng)信號(hào)時(shí)，通過指定引腳輸出不同占空比的PWM波信號(hào)來控制舵機(jī)的擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。當(dāng)接收到傳感器采集信號(hào)時(shí)STM32將啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，通過傳感器采集水質(zhì)的情況，并通過無線通信模塊將采集到的水質(zhì)信息傳送到地面工作人員。系統(tǒng)的程序流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

4 結(jié)束語

水上機(jī)器人在當(dāng)今的各個(gè)領(lǐng)域中被廣泛使用，本裝置通過各個(gè)傳感器的配合，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，是多學(xué)科應(yīng)用的新探索，也是對(duì)水質(zhì)多參數(shù)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、連續(xù)監(jiān)測(cè)測(cè)量前期工作的新嘗試。水質(zhì)檢測(cè)機(jī)器人在其他科學(xué)領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景，它的應(yīng)用使水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)向智能化、自主化又邁進(jìn)了一步。