摘要:為解決魚塘管理系統(tǒng)測量誤差大、評估失準(zhǔn)等問題，設(shè)計了魚塘多節(jié)點水質(zhì)評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用遙控手柄控制氣動船體運動，利用GPS/BDS雙模定位模塊對所監(jiān)測水域進(jìn)行空間與時間上的準(zhǔn)確定位和時間同步，利用水質(zhì)傳感器獲取魚塘的酸堿度、水溫及渾濁度，利用模糊分析法對魚苗生存適宜度進(jìn)行綜合評估，利用WIFI、GPRS、GSM3種可切換的通訊方式將獲取的信息發(fā)送至App。測試結(jié)果表明，測量相對誤差在3%以內(nèi)，可實現(xiàn)對魚苗的生存適宜度的綜合性評估。

　　關(guān)鍵詞:水質(zhì)監(jiān)測;魚苗生存適宜度評估;北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);無線通信

　　魚塘養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，養(yǎng)殖模式由傳統(tǒng)的粗放型向現(xiàn)代精養(yǎng)型養(yǎng)殖轉(zhuǎn)變[1]。現(xiàn)代魚塘管理系統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法是通過RS232串口通訊對水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測，這種方式監(jiān)測點固定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率較低，當(dāng)監(jiān)測點較多時，需要多個監(jiān)測終端，大大提高了水質(zhì)監(jiān)測的成本;大多數(shù)魚塘管理系統(tǒng)僅僅是實現(xiàn)了水質(zhì)信息的獲取，并沒有對整體的魚塘水質(zhì)情況進(jìn)行綜合評估[2]。因此，本文提出了魚塘多節(jié)點水質(zhì)評估系統(tǒng)，以更準(zhǔn)確、更靈活的方式獲取相關(guān)信息，并將處理后的信息反饋至App，以便于相關(guān)監(jiān)管部門的管理。

　　1系統(tǒng)總體設(shè)計

　　影響魚苗生存的因素主要有水溫、酸堿度以及渾濁度，為了改善傳統(tǒng)系統(tǒng)的缺點，設(shè)計了魚塘多節(jié)點水質(zhì)評估系統(tǒng)，以氣動測量船為載體，在2.4G遙控手柄的控制下，完成對魚塘內(nèi)的水質(zhì)信息的動態(tài)實時監(jiān)測，建立綜合評價模型對魚苗的生存適宜度進(jìn)行綜合評估，并將處理后的信息通過WIFI/GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)傳送至App。該系統(tǒng)由水質(zhì)測量終端、手柄控制終端以及手機監(jiān)測終端3部分組成。

　　水質(zhì)測量終端的信息測量部分中DS18B20水溫傳感器、pH酸堿度傳感器、TS濁度傳感器可獲取魚塘某個節(jié)點的水溫值、酸堿度以及水的渾濁度，UM220模塊可獲取該節(jié)點的位置、時間信息，WIFI/GPRS模塊可將處理后的信息傳遞至遠(yuǎn)程的App。運動控制部分中40A電調(diào)、1400kV無刷電機配合12V電源可為測量船提供充足的動力，舵機轉(zhuǎn)向板可為實現(xiàn)船體的轉(zhuǎn)向，MPU6050姿態(tài)傳感器可獲取船體的3軸傾斜角度，平衡舵機可根據(jù)船體的傾斜程度利用齒輪齒條機構(gòu)調(diào)節(jié)船體的重心位置，以保持船體的平衡，提高水質(zhì)信息測量的準(zhǔn)確性。

　　手柄控制終端中的搖桿模塊可分別輸出x、y、z3個方向的模擬量，ArduinoUNO微處理器分別讀取搖桿模塊兩個方向的模擬量值，規(guī)定x方向的模擬量值控制船體的行進(jìn)速度，y方向的模擬量值控制船體的轉(zhuǎn)向程度，分別將獲取到的x、y方向的模擬量值轉(zhuǎn)換成水質(zhì)測量終端電機的PWM值以及舵機轉(zhuǎn)向板的角度值，并通過2.4G無線通訊模塊將PWM值以及角度值發(fā)送至水質(zhì)監(jiān)測終端，以此控制船體的運動。啟動按鍵按下時，測量船進(jìn)行動平衡并開始測量水質(zhì)信息。

　　2系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計

　　水質(zhì)監(jiān)測終端由水質(zhì)測量部分與運動控制部分組成，手柄控制終端由處理器、搖桿模塊以及無線通訊模塊構(gòu)成，兩部分相互配合實現(xiàn)了水質(zhì)信息的實時動態(tài)監(jiān)測。UM220模塊、2.4G無線通訊模塊、WIFI模塊分別與控制器的硬件串口0(RXD)、1(TXD)，虛擬串口4(TXD)、7(RXD)，虛擬串口2(TXD)、3(RXD)連接，通過串口間AT指令實現(xiàn)信息通訊;平衡舵機x、y與舵機轉(zhuǎn)向板分別與控制器的PWM數(shù)字輸出端口9、10、5連接，控制器可實現(xiàn)對船體平衡與轉(zhuǎn)向的控制;電調(diào)與控制器的PWM數(shù)字輸出端口6連接，控制器可實現(xiàn)對船體動力輸出的控制。

　　水溫傳感器與控制器的數(shù)字量輸入端口11相連，控制器可精確讀取傳感器測得的水溫值;姿態(tài)傳感器MPU6050與控制器的IIC總線A4、A5連接，控制器可精確讀取船體的傾斜角度;濁度傳感器、酸堿度傳感器分別與控制器的模擬量輸入端口A0、A1連接，控制器可精確讀取傳感器測得的濁度值與pH值。水質(zhì)測量部分與運動控制部分相結(jié)合，實現(xiàn)對魚塘各個節(jié)點水質(zhì)信息的動態(tài)觀測。

　　2.4G模塊與控制器的串口端0(RXD)、1(TXD)連接，通過AT指令實現(xiàn)控制信息的發(fā)送;啟動按鍵與控制器的數(shù)字輸入端口3連接，搖桿模塊與控制器的模擬量輸入端口A4、A5連接，控制器讀取啟動按鍵與搖桿模塊的信號，將控制信號傳送至水質(zhì)測量終端，實現(xiàn)了對水質(zhì)測量終端的控制。

　　2.1UM220模塊設(shè)計

　　UM220模塊通過硬件串口0(RXD)、1(TXD)與處理模塊進(jìn)行通信，由天線接收的射頻信號輸入至UM220的射頻輸入引腳，經(jīng)處理后由UM220的串口將數(shù)據(jù)送至處理模塊做進(jìn)一步處理[3]。為了得到需要的時間與空間信息，采用北斗/GPS雙模輸出的GNRMC、GNGGA以及GNZDA消息，其中GNRMC的消息格式為$GNRMC，hhmmss.ss，A，ddmm.mmmmmm，a，dddmm.mmmmmm，a，x.x，x.x，ddmmyy，x.x，a，a*hh[4]，設(shè)計中需要提取的有用信息包括經(jīng)度和緯度，信息中的第3、4、5、6字段為需要提取的字段，這些字段分別代表緯度格式、南(北)緯、經(jīng)度格式、東(西)經(jīng)。以GNRMC信息為例對數(shù)據(jù)進(jìn)行說明$GNRMC，025615.000，A，4155.271667，N，12324.141653，E，0.000，353.670，201215，，E，A*3F，由該條數(shù)據(jù)可知時間為2點56分15秒，定位狀態(tài)有效，緯度為北緯41.55271667°，經(jīng)度為東經(jīng)123.24141653°。

　　2.2水質(zhì)信息測量模塊設(shè)計

　　水質(zhì)信息測量方面涉及對水體的渾濁度、酸堿度以及水溫的測量，分別應(yīng)用了TS濁度傳感器、pH酸堿度傳感器以及DS18B20水溫傳感器。TS濁度傳感器利用光學(xué)二極管和晶體管對特定波長的折射作用，來測量臟水的透光度或其他物質(zhì)的濃度。光接收端把透過的光強度值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)電流的大小，透過的光越多，電流越大，反之越小[5]。

　　TS濁度傳感器連接在外接AD模塊上，信息通過AD轉(zhuǎn)換后，傳送至Arduino的模擬量輸入管腳“A0”，處理器通過讀取“A0”引腳的模擬量值，并利用該模擬量值與水渾濁度呈線性關(guān)系這一特征，得出魚塘該節(jié)點的渾濁度。pH傳感器可用來測量水溶液中的氫離子的活度[6]。pH傳感器通過外接的AD轉(zhuǎn)換模塊連接在Arduino的模擬量輸入端口“A1”上。

　　使用前，需要先對該傳感器進(jìn)行校驗，將pH電極插入到pH=7.00的標(biāo)準(zhǔn)溶液中，記錄測量值與7.00之間的差值，將該差值作為程序中的修正系數(shù)寫入;由于所監(jiān)測水域呈弱酸性，在使用前需要對pH計進(jìn)行酸性校驗，將pH電極插入到pH=4.00的校準(zhǔn)液中，調(diào)整增益電位器，使測量的pH值穩(wěn)定在4.00左右[7]，完成檢驗后，便可使用pH傳感器進(jìn)行測量。水溫傳感器DS18B20集成了溫度傳感器、配置寄存器、64位的ROM等構(gòu)件[8]。Arduino的數(shù)字引腳“D11”與該傳感器的“DATA”引腳相連，讀取數(shù)字引腳上輸入的16位帶符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補碼，通過進(jìn)一步處理，進(jìn)而得到相應(yīng)的溫度值。

　　2.3運動控制部分設(shè)計

　　運動控制部分可分為船體動力結(jié)構(gòu)設(shè)計與船體動平衡控制。通過氣動力力學(xué)理論設(shè)計了合理的船體機構(gòu)。該船的動力驅(qū)動部分由高轉(zhuǎn)速電機以及轉(zhuǎn)向板組成;在動力驅(qū)動部分，高速轉(zhuǎn)動的電機旋轉(zhuǎn)使氣流高速通過后面的風(fēng)道，當(dāng)轉(zhuǎn)向板位于中間位置時，將推動船直線行進(jìn)，當(dāng)轉(zhuǎn)向板轉(zhuǎn)動時，會導(dǎo)致兩邊風(fēng)道的風(fēng)速不一致，從而迫使船體轉(zhuǎn)向[9]。

　　這樣便可以通過控制舵機轉(zhuǎn)向板的轉(zhuǎn)動角度來控制船體的航向。船體的動平衡控制部分由x、y、z3個方向的平衡舵機、平衡齒輪齒條機構(gòu)以及MPU6050姿態(tài)傳感器組成。當(dāng)手柄控制終端的啟動按鍵按下時，船體啟動平衡程序，平衡齒輪齒條機構(gòu)安裝在系統(tǒng)的重心處，每個齒條的兩端都分別附有重量為1kg的重物，通過控制平衡舵機旋轉(zhuǎn)的角度，控制齒條上重物的位置，進(jìn)而調(diào)整船體在x、y方向的重心位置。MPU6050傳感器可實時監(jiān)測船體在x、y方向上的偏轉(zhuǎn)角度，通過兩個方向的角度值的大小，控制平衡舵機的旋轉(zhuǎn)角度，并最終達(dá)到船體的平衡。

　　2.4無線通訊模塊設(shè)計

　　采用SIM900A模塊作為GPRS/GSM模塊，該模塊有GSM與GPRS兩種通訊方式[10]。選用ESP8266模塊作為WIFI通訊模塊，選用AP模式作為本系統(tǒng)的控制的模式。利用AT指令對WIFI模塊進(jìn)行配置，發(fā)送“AT+CWMODE=2”設(shè)置通訊模式為AP模式;發(fā)送“AT+CWSAP=“monitoring”，“12345678”，1，3”，設(shè)置WIFI名稱為monitoring，密碼為12345678;發(fā)送“AT+CIPMUX=1”設(shè)置模塊為多路連接模式，發(fā)送“AT+CIPSERVER=1，8080”開啟SERVER模式，端口號為8080。App即可通過輸入相應(yīng)的IP地址與端口號與WIFI熱點進(jìn)行連接。采用GSM、GPRS與WIFI3種信息通訊方式的交互模式，實現(xiàn)信息的遠(yuǎn)程傳輸。

　　2.52.4G模塊設(shè)計

　　2.4G無線傳輸為水質(zhì)測量終端的控制建立了良好的信息傳遞渠道[11]。設(shè)計中選用兩個2.4G無線通訊模塊分別作為信息的發(fā)射模塊1與信息的接收模塊2。分別對兩個2.4G無線通訊模塊輸入“AT+RESET”使模塊初始化，對模塊1輸入“AT+TID=1234567890”，設(shè)置模塊發(fā)送ID為:1234567890，模塊2輸入“AT+RID=1234567890”，設(shè)置模塊的接收ID為:1234567890。通過兩個模塊的串口交互便可實現(xiàn)對水質(zhì)測量終端的控制。

　　3系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括以下幾個任務(wù):GPS/北斗模塊輸出數(shù)據(jù)接收處理、魚苗生存適宜度評估模型的建立、WIFI/GPRS/GSM傳輸方式的交互、手柄控制終端對船體的運動控制、手機App接收信息等。

　　3.1定位信息的獲取

　　GPS/北斗模塊正常工作時能接收到8種不同類型的導(dǎo)航電文，而設(shè)計中只用雙模最簡導(dǎo)航數(shù)據(jù)，因此，事先配置GPS/北斗模塊，令其只輸出雙模最簡導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息。接收并處理導(dǎo)航信息的流程為:首先初始化串口，當(dāng)GPS/北斗模塊接收到信號時，將變量flag_rec賦值為1，串口產(chǎn)生中斷，并判斷是否是有效定位$GNRMC，若是有效的定位，將以“，”為數(shù)據(jù)節(jié)點，將數(shù)據(jù)存入變量flag_data，并對變量flag_data中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中變量byte_count用來存儲數(shù)據(jù)中檢測到“，”的次數(shù)，以此決定該條數(shù)據(jù)是否已經(jīng)解析完畢[12]。

　　3.2多節(jié)點水質(zhì)綜合評估模型

　　魚塘中魚苗適宜的生存溫度為16℃～25℃，pH值為7.5～8.5，渾濁度為5JTU～9JTU，利用水溫、pH值、渾濁度3個指標(biāo)來對水質(zhì)進(jìn)行綜合性評估。為了使選取的測量節(jié)點更具有代表性，測量時隨機選取4個相距距離大于20m的節(jié)點作為測量節(jié)點(測量節(jié)點間的距離可根據(jù)UM220模塊獲取的經(jīng)緯度計算得出)，并將這4個節(jié)點獲取指標(biāo)的平均值作為最終的測量結(jié)果。

　　4結(jié)論

　　文中研究了水質(zhì)信息的測量、北斗模塊位置時間信息的獲取、多節(jié)點水質(zhì)評估模型的建立、無線傳輸方式的切換、手機App設(shè)計等方面的內(nèi)容，對系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，并對系統(tǒng)進(jìn)行了實驗測試。結(jié)果顯示:該系統(tǒng)實現(xiàn)了水質(zhì)信息、時間空間信息的獲取以及遠(yuǎn)程傳輸、接收等功能。該系統(tǒng)功能完備，通過硬件與軟件的結(jié)合實現(xiàn)了對魚塘水質(zhì)信息的獲取與評估。通過該系統(tǒng)的建立能夠減輕相關(guān)監(jiān)管人員的工作量，大大提高了魚塘監(jiān)管工作的高效性、科學(xué)性及掌控能力。

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