李鑫 李少雄 李欣蓓

摘 要：我國是世界上的水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，為保證養(yǎng)殖水域水質(zhì)，對其進行不斷監(jiān)測是十分必要的。目前國內(nèi)外水質(zhì)監(jiān)測方法由于使用范圍受限或者對操作人員的專業(yè)性等有較高的要求，無法適用于小型水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的實際應用。本文主要針對水質(zhì)監(jiān)測智能小船進行設(shè)計和分析，利用船體的太陽能板為小船提供所需的電能，而小船的智能體現(xiàn)能夠?qū)δ繕唆~塘的水質(zhì)進行實時監(jiān)測，并將通過5G通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳給用戶。

關(guān)鍵詞：智能小船 ;水質(zhì)監(jiān)測

引言

良好的水質(zhì)能夠提高水產(chǎn)生物品質(zhì)，減少水產(chǎn)生物的死亡率，是水產(chǎn)養(yǎng)殖中的決定性因素同時也降低水質(zhì)的富營養(yǎng)化，提升水質(zhì)品質(zhì)。為保證養(yǎng)殖水域水質(zhì)，對其進行不斷監(jiān)測是十分必要的。我國是世界上的水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，水產(chǎn)養(yǎng)殖為我國人民提供了不少就業(yè)崗位，因此本文面向養(yǎng)殖實際需求設(shè)計了一種小型移動式水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)測因子的重要性，本文選擇對水產(chǎn)養(yǎng)殖最為重要的溶解氧、pH、濁度、水溫、電導率、銨離子等水質(zhì)參數(shù)作為監(jiān)測對象。

1智能水質(zhì)檢測小船主體結(jié)構(gòu)

1.1水質(zhì)監(jiān)測無人船總體結(jié)構(gòu)

監(jiān)測終端主要由嵌入式主控板、動力電機、轉(zhuǎn)向舵機、GPS模塊、SD卡和無線模塊等組成。通過手持終端發(fā)送控制指令，再通過無線模塊接收指令進而控制監(jiān)測終端，水質(zhì)監(jiān)測傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送到控制中心。監(jiān)測終端根據(jù)接收到的指令執(zhí)行相應的操作，發(fā)送相應的控制指令。控制指令是由嵌入式主板提供的多種接口以及各個模塊提供的。動力電機也受主板的控制，主要控制無人機基礎(chǔ)的前進、后退、轉(zhuǎn)向，換擋等功能。GPRS模塊用于實現(xiàn)對移動平臺的定位。SD卡用于存儲移動平臺的位置信息、方向信息和采集到的水質(zhì)信息。

1.2無人船船體結(jié)構(gòu)設(shè)計

一、船體模型設(shè)計

本文設(shè)計無人船船型采用單船體流線型，該船型具有重心低、航行穩(wěn)的特點，其模型尺寸大小為120cm*32cm*45cm，吃水線為6cm，重量為6kg。此次無人船水質(zhì)監(jiān)測平臺的船體及內(nèi)部構(gòu)造均按照要求進行設(shè)計規(guī)劃。其中船型采用單船體流線型，該船型具有重心低、航行穩(wěn)的特點。整艘無人船可以抵抗4級以下大風，可以承載大于10公斤的重量，在設(shè)計上注重了防沉、防顛覆、防水的特性。在材質(zhì)上選用防水木材，其質(zhì)量較輕便于開模，且在其表面涂上具有防腐、防磨損等特性的油漆。此次無人船水質(zhì)監(jiān)測平臺的船體及內(nèi)部 構(gòu)造均按照要求進行設(shè)計規(guī)劃。

二、動力模塊與轉(zhuǎn)向控制模塊

無人船的動力系統(tǒng)設(shè)計主要包括發(fā)動機、轉(zhuǎn)換器、尾軸以及螺旋槳四個部分組成。汽油發(fā)動機采用的是168F單缸四沖程風冷汽油發(fā)動機，拉力啟動，排量為211CC，輸出功率為2.5KV，額定轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)，可帶動水下推進器正反轉(zhuǎn)，另外還可以利用PWM 調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。

船體轉(zhuǎn)向是由控制舵機來完成無人船的航行角度，本系統(tǒng)采用HS-425BB型舵機，支持PWM控制，根據(jù)需要變換角度并保持角度。舵機是一種位置伺服的輸出執(zhí)行機構(gòu)，其內(nèi)部的基準電路能產(chǎn)生20ms周期、1.5ms脈寬的基準信號，脈沖寬度因轉(zhuǎn)動角度不同而不同，0.5ms對應О度，2.5ms對應180度，呈線性變化。外部的控制信號輸入到舵機中，首先經(jīng)過信號調(diào)制獲取偏置電壓，然后與電位器的電壓相比較，輸出電壓差，電壓差的正負決定內(nèi)部電極的正反轉(zhuǎn)。

2智能水質(zhì)檢測小船模塊分析

一、傳感器模塊

本系統(tǒng)中傳感器模塊包含六個水質(zhì)檢測傳感器件，它們分別是：溶解氧傳感器、pH傳感器、濁度傳感器、溫度傳感器、電導率傳感器以及銨離子傳感器。傳感器模塊將對應現(xiàn)實世界中的水質(zhì)因子通過一系列裝置轉(zhuǎn)變成電流信號，使系統(tǒng)能夠識別讀取。傳感器模塊的精度和分辨率決定了所述系統(tǒng)性能的優(yōu)良與否，因此傳感器的選型就很重要。

二、電源模塊

硬件系統(tǒng)運行時，嵌入式處理器STM32需要3.3V的電壓供電，傳感器、485 集線器以及5G通信模塊則都是12V的供電電壓，按鍵及顯示模塊和報警模塊需要5V的電源供電，485通信接口模塊和232通信接口模塊的供電電壓也是3.3V。硬件系統(tǒng)總輸入為12V的電源，通過船體上大太陽板并輔以可充電式鋰電池組合實現(xiàn)對太陽能的儲能，通過電源轉(zhuǎn)化模塊為系統(tǒng)供電，提供滿足各個模塊需要的供電電壓，保障系統(tǒng)的安全供電。

3 數(shù)據(jù)分析

一、系統(tǒng)精度測試

取一盆魚塘中的水，將監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器探頭放入水中。對比的監(jiān)測儀器采用多參數(shù)水質(zhì)分析儀，本儀器能夠測量這六個水質(zhì)參數(shù)中的電導率、溶解氧、pH及銨離子等四個參數(shù)。溫度的對比儀器采用溫度計，濁度參數(shù)由于沒有相應的對比儀器，因此暫時不做精度實驗。將HQ30D 的四個電極和溫度計同時放入水中。每分鐘讀取一次數(shù)據(jù)，總共測量十次。

三、測試結(jié)果

4 結(jié)語

智能水質(zhì)檢測小船采用環(huán)保能源，利用太陽能板吸收光能通過芯片轉(zhuǎn)換，將電能存儲在鋰電池里，環(huán)保健康，可持續(xù)使用，符合現(xiàn)代能源要求。智能水質(zhì)檢測小船應用于魚塘的水質(zhì)檢測，解決現(xiàn)有魚塘作業(yè)監(jiān)測的痛點，能夠減少人工檢測的成本，讓水質(zhì)情況更加清楚地呈現(xiàn)出來，從而改善水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)數(shù)量規(guī)模和質(zhì)量效益的不平衡。

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