水产养殖水质pH值无线监测系统设计*

胡月明， 黄建清， 王卫星， 姜 晟， 李亮斌

(1.华南农业大学 信息学院，广东 广州 510642； 2. 海南大学 应用科技学院，海南 儋州 571737；3.华南农业大学 工程学院，广东 广州 510642； 4.国土资源部建设用地再开发重点实验室，广东 广州 510642；5.广东省土地利用与整治重点实验室，广东 广州 510642)

0 引 言

pH值是养殖水体最重要的水质指标之一[1～3]，我国渔业水质标准GB 11607—89规定养殖水体鱼类生长的pH值安全范围为6.5～8.5[4]，pH值过高或过低，对鱼类都有直接损害，甚至致死[5～8]。如黄鳝正常生活适宜的水体pH值为6.0～7.5，最适宜pH值范围为6.5～7.5，pH值高于8.0和低于6.0时，黄鳝体表粘液减少，肛门充血肿胀，严重者甚至内脏也充血，部分皮肤腐烂[9]。因此，在养殖生产过程中要经常测量水体的pH值，以便随时了解水质状况，采取相应的调节措施改善水体环境，保证养殖鱼类正常生长。

测量pH值的常用方法有化学分析法、试纸分析法和电位分析法。化学分析法、试纸分析法不能实现pH值实时在线测量，而电位检测法一般采用玻璃电极传感器，这种仪器体积小巧，便于携带和使用，测量的数据准确、可靠，免去了取样带来的不便，但需要人工记录数据、费力耗时、不能实现pH值动态变化的实时监测[10]。

本文设计一个水产养殖pH值无线实时监测系统，以便养殖人员实时观测水体pH值状况，从而采取及时有效的措施调控水质，对于保证水产养殖的安全生产、减轻工人的劳动强度、提高养殖业生产效率具有重要的现实意义。

1 系统总体结构

系统主要由传感器节点、路由节点、汇聚节点、本地监测中心和远程监测中心等组成，其结构如图1所示。传感器节点和路由节点部署在监测区域内，以自组织的方式构成网络。传感器节点采集水体温度、pH值数据，并以多跳网络方式传送到汇聚节点，汇聚节点接收传感器节点数据，通过RS—232串口传输到本地监测中心，监测中心软件对数据进行分析、处理、存储，图形化显示与报警。汇聚节点也可以通过GPRS模块接入Internet网络，将监测数据传回远程监测中心。

图1 监测系统网络结构

2 硬件设计

2.1 硬件组成

传感器节点主要由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块组成，节点的硬件结构如图2所示。处理器模块采用低电压、低功耗的单片机芯片MSP430F149[11]。无线通信模块采用低功耗、发射功率可调的nRF905模块[12]。电源模块采用1 200 mAh，3.2 V的磷酸铁锂电池供电[13]。传感器模块包括传感器和信号调理电路，传感器采用上海力琼公司PHG—96FS型pH复合电极，该电极测量范围为0.00～14.00 pH，分辨率为0.01 pH，并且内置热敏电阻器，测量温度范围0～80 ℃，信号调理电路对pH电极输出的微弱信号进行调理放大，以满足单片机A/D转换的要求。

图2 传感器节点硬件结构

2.2 pH值信号调理电路

pH复合电极输出为mV级电压信号，且内阻很高[14]。在调理电路的设计中，采用±5 V供电的运算放大器构成三级电路，如图3所示，第一级将pH电极输出与电压跟随器相连，目的是提高测量电路的输入阻抗和隔离前后级电路的影响；第二级将pH电极输出信号滤波放大；第三级将放大后的信号调整为0～3.3 V，以满足单片机A/D转换器输入范围。

图3 pH调理电路

3 pH值测量数学模型

虽然信号调理电路能够将传感器微弱信号滤波放大，但它的输出电压还不能反映与被测对象物理量的数学关系，需要通过研究pH电极的测量原理和电极输出与信号调理电路输出的关系，建立相应的pH值测量数学模型。

pH复合电极由甘汞电极和玻璃电极组成，玻璃电极的头部球泡由特殊的敏感薄膜制成，它仅对氢离子敏感，在测量中作为指示电极，甘汞电极作为参考电极，当溶液中氢离子浓度发生变化时，指示电极和参比电极之间的电动势也随着引起变化，依据Nernst方程，指示电极与参比电极之间的电动势与被测溶液酸碱度关系为[15]

E=E0+ST(pH-7),

(1)

式中E为电极输出电动势，mV；E0为标准电极电势mV；S为Nernst系数；T为绝对温度，K。pH电极接外电路后电极端输出电压Vin为

(2)

式中RL为外电路等效电阻，Ω；RS为电极内阻，Ω；B为系数。

由式(1)、式(2)可得pH值调理电路输出电压VpH为

VpH=KpH(T)(pH-7)+V0,

(3)

式中V0为pH=7时信号调理电路输出电压，V；KpH为随温度而变化的系数，需要建立与温度关系的数学模型，实现对VpH温度补偿，方法如下：

1)将pH=4.01与pH=9.18的标准溶液降温至0 ℃左右，然后用恒温磁力搅拌器逐步加热到50 ℃。

2)每隔1 ℃，记录信号调理电路输出电压VpH1，测量3次取平均值。

3)根据下式计算出KpH值，获得实验数据

(4)

式中 pH1～pH2为pH=4.01和9.18在温度T时pH值；VpH1～VpH2为pH=4.01和9.18时信号调理电路输出电压，V。

4) 根据实验数据，拟合KpH曲线。

在拟合KpH曲线时，由于KpH的变化趋势在不同的温度范围内呈不同的非线性关系，难以用一条光滑的曲线去表达。本文采用最佳分段二次多项式方法拟合KpH曲线，分段区间通过拟合精度和拟合误差控制的寻优方法确定，二次多项式拟合采用最小二乘法，具体算法如下:

设KpH曲线上有若干个点(T1，KpH(T1))，(T2，KpH(T2))，…，(Ti，KpH(Ti))，…，(Tn，KpH(Tn))：

a.选取KpH曲线的初始区间T1～T1+h，h为步长，初始值为1。

b.采用最小二乘法对T1～T1+h区间数据进行二次多项式拟合。

c.计算T1～T1+h区间的拟合精度和各点的误差

(5)

(6)

d.将拟合精度R2、最大绝对误差ΔEmax与拟合精度阈值θ和允许误差阈值ΔE比较，若ΔEmax≤ΔE，且R2≥θ，则令h=h+1，将区间T1～T1+h扩大，然后返回步骤b;否则,转步骤e。

e.T1～T1+h为最佳分段区间，不能再扩大，令n=h+1，选择下一区间Tn～Th+1，返回步骤b，重新对新区间进行二次多项式拟合，直到区间所有数据点都拟合完成。

根据以上方法，建立KpH曲线方程如下

KpH=

(7)

4 软件设计

系统软件分为节点嵌入式软件和监测中心软件两部分，节点嵌入式软件是基于IAR Embedded Workbench集成开发环境，采用面向硬件操作的单片机C语言编程开发，程序设计采用模块化编程方式，主要包括主程序、数据采集、数据处理、数据接收与发送、串口通信等模块。监测中心软件使用ViusalBasci 6.0进行开发，通过VB 6.0自带的MSCOMM控件获取汇聚节点的实时监测数据。

4.1 节点软件设计

1)主程序

在主程序中，节点周期性地采集数据，采集时间间隔设为30 min，每次采集完毕后立即关闭传感器电源，以减少能耗，同时设置另一个定时器，作为发送本地采集数据的时间，在这段时间内，节点可以接收和转发其他节点的数据。当发送时间到，节点将本地采集数据发送出去。如果接收到汇聚节点发送的同步信息，传感器节点调整本地系统时间，然后进入休眠状态，直到下次采集时间到,再开始新一轮的采集工作，节点主程序流程如图4所示。

图4 节点软件主程序流程图

2)数据采集程序

设定定时器Timer_A的定时时间为15 s，通过一个全局变量TIMERROUND控制采集周期。每次定时中断到来时，CPU被唤醒，从低功耗模式转入工作模式，然后对TIMERROUND累加1并判断，当TIMERROUND值加到118时，打开继电器给传感器模块通电预热，然后等待下一个定时中断到来，当TIMERROUND值加到119时，系统启动A/D转换器进行数据采集，pH值和温度信号调理电路输出电压分别送入A/D转换器A0,A1通道，每个通道采集3次，然后计算各通道采集数据的平均值并存储。当TIMERROUND值加到120时，先打开无线通信接收模块，使节点能够及时接收其他节点发送的数据，然后再将采集的数据打包并无线发送，最后将TIMERROUND值清零，这样，每次数据采集的时间间隔为120×15 s=30 min，数据采集程序流程如图5所示。

图5 数据采集流程图

4.2 监测中心软件设计

监测中心软件能够方便养殖户查看水质参数的实时数据，监测中心软件采用VB 6.0编程开发，主要实现水质数据实时监测、实时曲线绘制、历史曲线绘制、历史数据查询和汇总、越限报警和参数设置等功能。

5 结果与分析

5.1 拟合误差

为比较拟合结果，将本文最佳分段二次多项式拟合方法与二次多项式拟合方法、指数函数拟合方法比较，计算对应的RMSE,MRE,Emax和R2值，并绘制KpH拟合误差曲线，计算结果如表1所示，拟合误差曲线如图6所示。

从表1可以看出:三种方法的拟合精度都比较高，但最佳分段二次多项式拟合在3个分段区间的RMSE,MRE,Emax值都低于二次多项式拟合与指数函数拟合方法，并且从图6可以看出:最佳分段二次多项式拟合程度最好，拟合误差分布最均匀，表明最佳分段二次多项式具有较高的准确性。

表1 KpH拟合曲线的评价指标

图6 KpH拟合误差曲线

5.2 水质参数采集测试

2012年9月，利用本文设计的系统，在广东省珠海市斗门区白蕉镇之山水产公司养殖现场进行实验。实验共采用11个节点，一个节点作为汇聚节点与PC连接，用于收集传感器节点的采集数据，并发送给PC机进行后台数据管理；5个节点作为传感器节点，配置PHG—96FS型pH复合电极，用于采集鱼塘pH值和水温数据；另外5个节点作为路由器节点，用于数据转发。实验连续监测25 d，以验证系统数据采集和传输的正确性。

图7为各节点在10月20日的pH值实时监测曲线。从图中可以看出：各节点的pH值实时监测曲线变化范围较小，数据在7～9之间变化，符合水产养殖过程中对pH值的要求。

图7 pH值实时监测曲线

6 结 论

1)本文设计了一种水产养殖pH值无线监测系统。该系统对于保证水产养殖的安全生产、减轻工人的劳动强度、提高养殖业生产效率具有重要的现实意义。

2)针对pH值测量易受温度影响的特点，采用最佳分段的二次多项式方法拟合温度系数KpH曲线，实现了pH值

测量软件温度补偿，提高了测量的准确性。与二次多项式和指数函数拟合方法相比，采用最佳分段的二次多项式方法拟合KpH曲线，拟合程度最好，拟合误差分布最均匀。

3)测试结果表明：系统运行稳定，数据传输正常，满足实际运行的需要。

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