孫天佑 喬宏哲

（常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

0 引言

魚類等水產(chǎn)品的生長和溶解氧有著密切的關(guān)系，水中溶氧量含量低，魚食欲差或者厭食，進(jìn)食后消化吸收率低，生長速度慢。而水中溶氧量偏高對魚卵孵化和魚苗不利。同樣以金魚這種相對名貴的觀賞性的魚類為例，溶解氧過低可能導(dǎo)致金魚的死亡，溶解氧過高時金魚會興奮，不停地環(huán)游，小魚苗會累死。

目前溶解氧含量的主要檢測方法是碘量法和溶解氧儀法等。碘量法是一種化學(xué)試劑檢測法，它的操作步驟相對復(fù)雜普通人很難掌握要領(lǐng)進(jìn)行檢測。溶解氧儀檢測法就是將專用的傳感器和顯示儀表兩個部分結(jié)合在一起進(jìn)行測量溶解氧的含量，但是專用的傳感器的電極一般需要采用金和銀等貴金屬作為材料，所以溶解氧儀的價格較為昂貴無法應(yīng)用到一些低成本領(lǐng)域的溶解氧含量檢測中，比如對魚缸水的溶解氧含量的檢測。

本設(shè)計(jì)通過使用樣本數(shù)據(jù)在共享的云服務(wù)器上設(shè)計(jì)出的溶解氧含量的軟測量模型，可通過在可連入無線網(wǎng)絡(luò)的移動檢測端檢測并上傳與溶解氧密切相關(guān)的空氣氧的分壓、大氣壓、水溫和水質(zhì)這四個參數(shù)值至云服務(wù)器，可從云服務(wù)器上獲得溶解氧含量值。從而實(shí)現(xiàn)溶解氧含量實(shí)時在線檢測，簡化了檢測溶解氧含量的操作方法，同時降低了檢測所需的人力和成本，可滿足一些低成本領(lǐng)域?qū)θ芙庋鹾康臋z測需求。

1 總體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)溶解氧含量的一種低成本在線檢方案，整個系統(tǒng)可以分成兩個部分來工作，第一部分將與溶解氧相關(guān)的特征參數(shù)的采集和上傳，為了完成相應(yīng)的功能采用了以ARM處理器為核心的測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)外接相應(yīng)的傳感器、人機(jī)接口模塊以及無線模塊，負(fù)責(zé)相關(guān)特征參數(shù)的采集并上傳云服務(wù)器以及接收云服務(wù)器返回的結(jié)果。第二部分為溶解氧軟測量模型的訓(xùn)練與預(yù)測功能，該功能在共享的云服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)，通過向云服務(wù)器上傳大量的樣本數(shù)據(jù)并經(jīng)過訓(xùn)練后可以構(gòu)成溶解氧軟測量模型，當(dāng)有新的實(shí)時特征參數(shù)上傳后可以通過軟測量模型計(jì)算并返回實(shí)時的溶解氧含量值。具體的工作原理如圖1所示。

圖1 溶解氧含量在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由相關(guān)理論得知與溶解氧密切相關(guān)的特征參數(shù)是空氣里氧氣的分壓、大氣壓、水溫和水質(zhì)，其中對于同一地點(diǎn)空氣里氧的分壓是相對穩(wěn)定的。我國幅員遼闊，不同地方海拔高度可能有比較大差異導(dǎo)致空氣里氧的分壓會有所不同，此外即使是同一地點(diǎn)由于季節(jié)變化導(dǎo)致的濕度變化也會對氧的分壓產(chǎn)生一定的影響，所以空氣中的氧氣的分壓可以通過以下公式間接求得，測點(diǎn)的海拔高度可通過人機(jī)接口模塊進(jìn)行預(yù)先設(shè)定。

P=P0（1-h/8435）（1-k（hd-hd0）） （1）

式中：h為實(shí)測點(diǎn)海拔高度；hd為實(shí)測點(diǎn)實(shí)時大氣相對濕度值；hd0為大氣相對濕度參照值，可固定為70%；P0為海拔高度h為0和大氣相對濕度為hd0時的空氣中氧的分壓值，可固定為21 228pa；k為修正系數(shù)，可在0.1～0.2之間取值；P為實(shí)測點(diǎn)推算后的空氣中氧的分壓值。

2 溶解氧檢測硬件電路實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)所述大氣壓傳感器、水溫度傳感器和空氣濕度傳感器都有比較成熟的模塊可以很方便地和ARM處理器形成接口并實(shí)時測得測點(diǎn)處的大氣壓和水溫度值以及空氣中的濕度值。由于水中存在微生物不斷代謝后水質(zhì)變差即水中某些鹽含量上升會導(dǎo)致溶解氧含量的下降，但同時水的導(dǎo)電性能會上升。水質(zhì)傳感器就是通過對被測水的導(dǎo)電性測量來檢測水質(zhì)的變化。以上四種參數(shù)經(jīng)過預(yù)處理和電路變換后輸入ARM處理器中，通過ARM處理器上傳共享云服務(wù)器后就可以進(jìn)行溶解氧含量的預(yù)測，并且將預(yù)測結(jié)果在人機(jī)接口模塊上顯示出來。

3 溶解氧含量的軟測量模型的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)中所使用的溶解氧含量的軟測量模型實(shí)際上是一種BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種可多層前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在基于正向傳播出現(xiàn)誤差時可以通過反向傳播過程中調(diào)整各個神經(jīng)元之間的連接權(quán)值來消除正向傳播誤差。該軟測量模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入層和隱藏層以及輸出層。模型中每個神經(jīng)元連接上一層所有神經(jīng)元。上一層每個神經(jīng)元的輸出即為下一層神經(jīng)元的輸入，原始輸入數(shù)據(jù)通過各層計(jì)算后最終在輸出層輸出數(shù)據(jù)。

對于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟測量BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來說，輸入層的節(jié)點(diǎn)數(shù)是4個（對應(yīng)于輸入的空氣氧的分壓、大氣壓、水溫和水質(zhì)這4個特征參數(shù)），輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)是1個（對應(yīng)于溶解氧含量的預(yù)測值），一般的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型只需要一個隱藏層就可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測，本專利采用四層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即中間包括兩個隱藏層，這樣做的目的是使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更為合理，在確保學(xué)習(xí)和推理效率較好的前提下，預(yù)測精度更高。綜合少量典型樣本數(shù)據(jù)初步訓(xùn)練和反復(fù)測試后，采用第一隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為5個，第二隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為3個這樣的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為合理，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟測量模型的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

（1）根據(jù)之前上傳云服務(wù)器的樣本數(shù)據(jù)并通過對四層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，可得出空氣氧的分壓、大氣壓、水溫和水質(zhì)這4個輸入量與輸出量溶解氧含量的對應(yīng)關(guān)系。

第一，建立數(shù)據(jù)向量

式中：x（1）為測點(diǎn)空氣氧的分壓；x（2）為測點(diǎn)大氣壓；x（3）為測點(diǎn)的水溫；x（4）為測點(diǎn)的水質(zhì)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后變成數(shù)據(jù)向量。

第二，如圖3所示的軟測量模型結(jié)構(gòu)中，是一種

全連接方式BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即前層每個神經(jīng)元都要連接到后層的每個神經(jīng)元上構(gòu)成前層對后層的輸入，圖中所示神經(jīng)元i的輸出是神經(jīng)元j的一個輸入，并且神經(jīng)元i到神經(jīng)元j是按照一個權(quán)值wij的倍數(shù)關(guān)系連接的，θj是節(jié)點(diǎn)j的閾值，Oj是神經(jīng)元j的輸出。

第三，xi為第i個訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)向量，yi為xi的目標(biāo)值。N為訓(xùn)練數(shù)據(jù)數(shù)目。

（2）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的前向迭代計(jì)算公式如下，對于

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的任意一個節(jié)點(diǎn)（含輸出節(jié)點(diǎn)）的輸出值Oj表示如下。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)通過使用樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練設(shè)計(jì)出的溶解氧含量的軟測量模型，可通過溶解氧特征參數(shù)采集電路獲得相關(guān)特征參數(shù)，將實(shí)時采集的特征上傳至共享的云服務(wù)器中通過其上的已訓(xùn)練完成的軟測量模型進(jìn)行預(yù)測，然后將預(yù)測值通過無線信號返回至現(xiàn)場采樣電路端進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)了一種可滿足低成本領(lǐng)域的共享型溶解氧含量在線檢測系統(tǒng)。