胡 圍 ， 劉木華 ， 趙進(jìn)輝

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江西 南昌 330045；2.江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330045）

0 引言

近年來，隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的發(fā)展和養(yǎng)殖區(qū)域的合理規(guī)劃，水產(chǎn)養(yǎng)殖的集約化程度不斷提高[1]。高集約化的養(yǎng)殖模式為養(yǎng)殖戶帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)收益，但養(yǎng)殖密度與投餌頻率的提高，容易導(dǎo)致魚體糞便和殘餌中的氮元素發(fā)酵生成氨氮等有毒物質(zhì)，對(duì)養(yǎng)殖魚體生長和水體環(huán)境造成危害[2,3]。當(dāng)水體氨氮含量大于2 mg/L時(shí)，養(yǎng)殖魚體會(huì)出現(xiàn)大量的中毒死亡[4]。目前水產(chǎn)養(yǎng)殖氨氮的檢測方式普遍是人工使用氨氮測量試劑盒或便攜式水質(zhì)測量儀進(jìn)行檢測，但人工操作誤差較大，便攜式儀器依賴于操作人員的技術(shù)水平，檢測重復(fù)性不高，并且人體長期接觸化學(xué)試劑容易對(duì)健康造成損害。因此，設(shè)計(jì)一款水產(chǎn)養(yǎng)殖氨氮在線監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)于提高養(yǎng)殖水體氨氮檢測效率，保證養(yǎng)殖魚體的健康生長和降低養(yǎng)殖戶經(jīng)濟(jì)損失有著極其重要的意義。

該設(shè)計(jì)的氨氮在線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖水體氨氮的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測，管理人員可以通過手機(jī)或電腦等終端設(shè)備查看當(dāng)前養(yǎng)殖水體氨氮濃度。當(dāng)氨氮濃度超出系統(tǒng)設(shè)置范圍時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)向管理人員手機(jī)發(fā)送預(yù)警信息，提示管理人員及時(shí)處理異常情況，避免魚體中毒死亡造成經(jīng)濟(jì)損失。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用氨氣敏電極法作為養(yǎng)殖水體氨氮檢測方法。檢測原理基于化學(xué)反應(yīng)： 產(chǎn)生氨氣，數(shù)據(jù)采集模塊通過氨氣敏電極采集氨氣參數(shù)，再通過標(biāo)定公式計(jì)算得出待測液的氨氮濃度。根據(jù)氨氣敏電極法的氨氮檢測反應(yīng)條件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。氨氮在線監(jiān)測系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化，初始化完成后檢測電極是否處于初始電位，若電極處于初始電位，執(zhí)行檢測流程。檢測流程如下：首先，潛水泵將養(yǎng)殖池塘內(nèi)泥沙過濾器中的水抽取到計(jì)量桶，抽取完成后潛水泵關(guān)閉，打開排液閥將計(jì)量桶中固定體積的待測水樣排入氨氮反應(yīng)測量池中，溫度傳感器和pH傳感器將采樣數(shù)值傳輸至硬件電路的主控模塊；然后，左側(cè)的試劑儲(chǔ)存添加單元打開蠕動(dòng)泵向氨氮反應(yīng)測量池中添加堿化屏蔽劑，主控模塊通過定時(shí)器獲取采樣時(shí)間，采樣完成后得到氨氣敏電極輸出電位；最后，主控模塊通過4G通信模塊將水體溫度、pH值和氨氣敏電極輸出電位等數(shù)據(jù)無線傳輸至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)，打開廢液排出電磁閥，將氨氮反應(yīng)測量池中的反應(yīng)廢液收集到廢液缸內(nèi)；試劑儲(chǔ)存添加單元打開右側(cè)蠕動(dòng)泵向氨氮反應(yīng)測量池中添加檸檬酸清洗液，將電極電位清洗至初始電位值，清洗完成后廢液排出，完成氨氮檢測流程。

圖1 水產(chǎn)養(yǎng)殖氨氮在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig1 Structure diagram of aquaculture ammonia nitrogen online monitoring system

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)上述水產(chǎn)養(yǎng)殖氨氮在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求，采用Altium Designer 18電路設(shè)計(jì)軟件，對(duì)系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。硬件電路主要由主控芯片模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、RS-485通信模塊、電源降壓模塊、4G無線通信模塊、蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)控制模塊和繼電器控制模塊等部分組成。其中，主控芯片模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)控制模塊是硬件電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件原理框圖Fig2 System hardware principle block diagram

2.1 主控芯片模塊電路

主控芯片模塊負(fù)責(zé)模塊之間的數(shù)據(jù)交換和指令傳輸，是各個(gè)模塊的操作管理中心。該模塊選用STM32F407ZGT6芯片為主控芯片，該芯片主頻高達(dá)168 MHz，擁有豐富的功能寄存器資源，能夠滿足本系統(tǒng)的功能需求。主控芯片模塊的電路主要是圍繞STM32F407ZGT6最小系統(tǒng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，最小系統(tǒng)電路主要由以下幾部分組成：按鍵復(fù)位電路、SWD串口調(diào)試電路、時(shí)鐘電路和CJA1117穩(wěn)壓電路。主控芯片模塊最小系統(tǒng)電路[5]如圖3所示。

圖3 主控芯片模塊最小系統(tǒng)電路Fig3 Minimal system circuit of main control chip module

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊電路

數(shù)據(jù)采集模塊電路主要負(fù)責(zé)水體氨氮和水體溫度的數(shù)據(jù)采集[6]。數(shù)據(jù)采集模塊選用亞諾德半導(dǎo)體公司的CN0326模塊，該模塊主要由AD8603、AD7793和ADuM5401這3個(gè)芯片組成。數(shù)據(jù)采集模塊電路如圖4所示?？紤]到氨氣敏電極內(nèi)pH玻璃電極的內(nèi)阻等同于1 MΩ的超大電阻，當(dāng)該1 MΩ的內(nèi)阻與玻璃電極電壓源串聯(lián)時(shí)，若流過該內(nèi)阻的電流過大，其內(nèi)阻分壓會(huì)給電極輸出電位帶來巨大的電壓衰減。為了避免上一級(jí)輸出阻抗遠(yuǎn)大于下一級(jí)輸入阻抗所帶來的信號(hào)衰減，因此選用高輸入阻抗的電壓跟隨器AD8603[7]。氨氣敏電極和溫度電極的信號(hào)通過24位分辨率ADC芯片AD7793進(jìn)行采集，采樣頻率可通過自定義配置，最高可達(dá)470 Hz。由于電極的采集信號(hào)都是以mV為單位的微弱信號(hào)，容易受到養(yǎng)殖池塘現(xiàn)場檢測環(huán)境中噪聲和電源瞬變電壓的影響。為抑制這些常見噪聲和電源對(duì)電極采集信號(hào)的干擾，該模塊選用ADuM5401芯片用于隔離主控芯片模塊和AD7793數(shù)字電路之間的電源對(duì)數(shù)字信號(hào)的干擾。

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊電路Fig4 Data acquisition module circuit

2.3 蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)控制模塊電路

蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)控制模塊主要是用于試劑儲(chǔ)存添加單元為氨氮測量池添加試劑時(shí)完成蠕動(dòng)泵的試劑抽取添加操作。蠕動(dòng)泵的工作原理是通過內(nèi)部步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)泵頭轉(zhuǎn)動(dòng)，從而擠壓泵管內(nèi)液體流動(dòng)將試劑準(zhǔn)確抽取添加。蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)控制模塊電路如圖5所示。A4988是一款功能實(shí)用且價(jià)格實(shí)惠的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，其廣泛適用于3D打印和數(shù)控機(jī)床等精密操作領(lǐng)域[8,9]。在主控芯片模塊通過A4988控制蠕動(dòng)泵時(shí)，還需要有1個(gè)470 μF的電解電容對(duì)A4988模塊進(jìn)行電源保護(hù)。該模塊主要通過3個(gè)引腳控制蠕動(dòng)泵運(yùn)轉(zhuǎn)，EN為使能引腳，由于該引腳為低電平有效，即EN使能低電平時(shí)，A4988才能驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。若該引腳懸空，則A4988默認(rèn)為使能狀態(tài)，即該引腳沒有連接任何電平時(shí)，A4988可以正常工作；STEP引腳為步進(jìn)引腳，該引腳用于通過主控芯片模塊向A4988發(fā)送PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，A4988接收到此信號(hào)后，會(huì)根據(jù)MS1、MS2和MS3引腳控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，這里將3個(gè)引腳全部接上3.3 V，以全步進(jìn)方式驅(qū)動(dòng)；DIR為方向引腳，收到高電平時(shí)，A4988將控制電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；低電平則相反。

圖5 蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)控制模塊電路Fig5 Peristaltic pump drive control module circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)上位機(jī)軟件和水產(chǎn)養(yǎng)殖氨氮在線監(jiān)測下位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件是基于SpringMVC框架搭建的JavaWeb網(wǎng)頁平臺(tái)[10]，下位機(jī)軟件采用C語言進(jìn)行編寫。上位機(jī)和下位機(jī)通過4G-DTU無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成數(shù)據(jù)的采集、現(xiàn)場檢測部件的控制和氨氮反應(yīng)測量池的自動(dòng)清洗。

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件主要由初始化程序、中斷程序和主程序組成。初始化程序在系統(tǒng)上電時(shí)對(duì)主控芯片的各功能寄存器進(jìn)行初始化。中斷程序包括定時(shí)器中斷和串口中斷，主控芯片在接收到上位機(jī)指令時(shí)進(jìn)入串口中斷服務(wù)程序，操作硬件模塊完成相應(yīng)的功能。主程序包括水樣的自動(dòng)采集、水體數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的無線傳輸?shù)?。氨氮自?dòng)測量流程圖如圖6所示。

圖6 氨氮自動(dòng)測量流程圖Fig6 Ammonia nitrogen automatic measurement flow chart

系統(tǒng)上電初始化完成后，管理人員通過遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行查看。若運(yùn)行正常，管理人員通過上位機(jī)發(fā)送自動(dòng)采集指令，主控芯片模塊控制水樣采集計(jì)量單元打開潛水泵，將養(yǎng)殖池塘中經(jīng)過泥沙過濾后的養(yǎng)殖水抽入計(jì)量桶中，抽取完成計(jì)量結(jié)束后打開出樣口電磁閥，使得待測水樣流入氨氮測量池中。主控芯片模塊控制數(shù)據(jù)采集單元測量水體溫度和pH值，水體數(shù)據(jù)測量結(jié)束后，試劑儲(chǔ)存添加單元打開蠕動(dòng)泵抽取10 mL堿化屏蔽劑注入氨氮測量池。氨氮檢測反應(yīng)結(jié)束后，將采集到的氨氣敏電極輸出電位值和水體數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)，通過標(biāo)定公式計(jì)算得出氨氮濃度，將氨氮濃度和水體數(shù)據(jù)顯示在上位機(jī)數(shù)據(jù)可視化界面，便于管理人員查看。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

為了便于管理人員遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看養(yǎng)殖水體數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)在遠(yuǎn)程服務(wù)器上搭建了數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)。管理人員可通過手機(jī)或電腦訪問遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)，查看對(duì)應(yīng)設(shè)備的數(shù)據(jù)詳情，即可看到氨氮現(xiàn)場檢測裝置最新采集的養(yǎng)殖水體數(shù)據(jù)。顯示的數(shù)據(jù)包括水體溫度、水體氨氮濃度和水體pH值等參數(shù)和各個(gè)數(shù)據(jù)的走勢圖。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面如圖7所示。

圖7 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面Fig7 Real-time data display interface

4 系統(tǒng)測試

氨氣敏電極是電化學(xué)傳感器，根據(jù)能斯特方程可知，電極輸出電位與待測液氨氮濃度的自然對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系[11,12]。使用恒溫水浴鍋控制標(biāo)準(zhǔn)溶液溫度處于25℃，系統(tǒng)控制蠕動(dòng)泵向待測液中定量添加反應(yīng)試劑，氨氣敏電極對(duì)濃度0.05 ～ 3.00 mg/L的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行檢測，檢測時(shí)間為15 min。以氨氮濃度的自然對(duì)數(shù)為橫坐標(biāo)，以電極輸出電位為縱坐標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 氨氣敏電極標(biāo)準(zhǔn)曲線(25℃)Fig8 Standard curve of ammonia gas sensor(25℃)

標(biāo)準(zhǔn)曲線的公式為：y = - 26.92x - 122.53，其中，x為氨氮濃度以e為底的自然對(duì)數(shù)，y為電極輸出電位值，決定系數(shù)(R2) = 0.9862。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[13]要求，水產(chǎn)養(yǎng)殖水體氨氮濃度最高不得超過2.00 mg/L。由標(biāo)準(zhǔn)曲線可知：當(dāng)待測液溫度為25℃時(shí)，氨氮濃度在0.05 ～ 3.00 mg/L范圍內(nèi)，氨氮濃度的自然對(duì)數(shù)和電極的輸出電位線性關(guān)系良好，R2為0.9862，說明該系統(tǒng)氨氮檢測效果良好，滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖氨氮在線監(jiān)測的要求。

5 結(jié)論

本研究以水產(chǎn)養(yǎng)殖水體氨氮為研究對(duì)象，基于氨氣敏電極法設(shè)計(jì)了水產(chǎn)養(yǎng)殖氨氮在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖水體氨氮濃度的自動(dòng)檢測，養(yǎng)殖人員可通過手機(jī)和電腦等終端設(shè)備訪問遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)查看養(yǎng)殖池塘中氨氮的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，解決了人工檢測效率較低和化學(xué)試劑影響檢測人員身體健康等問題。該設(shè)計(jì)基于氨氣敏電極法的水產(chǎn)養(yǎng)殖氨氮在線監(jiān)測系統(tǒng)可用于水產(chǎn)養(yǎng)殖氨氮含量的遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測，養(yǎng)殖人員能夠通過該系統(tǒng)及時(shí)獲取養(yǎng)殖水體氨氮濃度，減少勞動(dòng)力成本，降低養(yǎng)殖魚體死亡的損失，提高經(jīng)濟(jì)收益。