基于物联网的水质传感器监控及自清洗装置设计

刘雨青，陈泽华，曹守启

(上海海洋大学工程学院，上海 201306)

在水产养殖过程中采用水质传感器长期实时监测水质环境具有重要意义[1]。然而，传统水质监测方法主要是通过人员采样测定，频次低、实时性差且易造成二次污染[2]。随着物联网和自动控制技术的应用和发展，水质参数的自动监控技术得到了广泛发展和应用[3]。钟兴等[4]通过ZigBee无线传感网络设计了水产养殖智能监控系统；刘熙明等[5]将分布式无线网络技术应用到养殖水体水质参数监控系统中；刘星桥等[6]提出了一种基于WiFi和GIS的测量与信息管理系统设计方案。但在水产养殖过程中投放的饲料、药物以及养殖物产生的粪便等极易使传感器表面附着污渍，影响数据长期监测精度，并降低传感器的使用寿命，因此，水质传感器的清洗问题逐渐引起人们重视。近年来，出现了人工水喷射清洁、射流清洁、超声波清洁等多种技术方法[7-8]，由于各种原因，这些技术方法都未在生产实践中推广应用。本文利用物联网和ZigBee无线通信技术设计了一种水质传感器监控系统及自清洗装置，其支架可灵活变形，安装方便，提高空间利用率，降低使用成本，并有效清除探头表面污渍，保持传感器测量精度，延长传感器使用寿命。

1 系统总体方案设计

1.1 机械结构设计

设计了传感器可变形支架及自清洗结构，其机械结构如图1所示，主要包括水质传感器可变形支架、清洗刷、上下滑动支架、运动传递机构、微型水泵等。导杆作为上下滑动支架移动的轨道，其具体长度可根据实际水产养殖水域的深度进行调节；导杆底部同步轮和轴承均采用防水、防腐材质，以应对复杂的水质环境；上下滑动支架载有可变形传感器支架，可根据传感器数量自由变形；主控箱内置步进电机、主控芯片等，步进电机的转动将运动通过同步带同步轮传递给上下滑动支架，从而控制水质传感器在水下和水上进行升降；可转动支杆上载有清洗刷，通过电机控制其旋转到指定位置后进行清洗；主控箱下部有精准安装的微型水泵，可提供清洗探头时比较合适的水冲作用。在主控箱侧面置有LCD触摸屏，系统硬件控制按钮用于系统硬件开关通断及初始化控制。本装置设计的可变形传感器支架可同时放置6个水质传感器，其结构可根据实际情况增减。底板固定装置可将其固定在岸边或者小船等各种监测场所，安全稳定。

图1 机械结构模型

1.2 控制方案设计

系统总体控制方案如图2所示，水质传感器智能监控系统根据物联网中的感知层、网络层和应用层体系架构[9-11]而设计，由监测传输层、综合控制层以及远程管理层组成。

图2 系统控制结构

监测传输层是由水质传感器和传感器节点构成。许多水质参数都能够在一定程度上反映水体是否被污染，同时监测多种参数的变化能全面反映当前监测水体的污染情况[12]，故需要采用较多的水质传感器。精准的检测水质环境参数数据需要大量的传感器节点，系统在传感器节点上配置了温度、盐度、pH、溶氧、氨氮、浊度等多种传感器[13]。传感器节点分为4个部分：电源模块、ZigBee无线通信芯片CC2530、晶振电路和射频天线RF，用来采集水产养殖过程中的环境参数信息。综合控制层包括数据分析与处理，自动清洗装置的控制与调节，并将各种参数的数据通过GPRS无线网络传输到远程管理层。远程管理层设有上位机监控装置，对本系统进行远程实时智能控制。

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件结构总体设计

系统硬件结构分为水产养殖环境参数检测节点、无线通信模块、水质传感器探头清洗装置以及监控管理中心(图3)。监控管理中心由STM32芯片作为处理器来实现数据运算处理以及命令决策功能，引出STM32的TTL串口，经转换芯片转换为RS232接口，连接1块7英寸的TFTLCD触摸屏[14]，同时与GPRS模块相连，用于现场端实时参数显示和控制。

水产养殖环境参数监控采用带CC2530的传感器节点模块，采集到的数据通过ZigBee通信网络传送给STM32主控芯片，该芯片对采集的数据进行分析判断，并将数据存储记忆下来，在现场端LCD触摸屏上实时显示各种参数的变化情况，并且可以调取之前存储的数据，绘制出详尽的分析报告，方便养殖人员分析某一时期不同阶段的参数变化。清洗状态也可在LCD触摸屏上显示和切换。远程PC端可以通过无线通信模块接收水质传感器各种环境参数，并对参数变化趋势和传感器探头清洗状态进行实时监控。

图3 系统硬件结构

2.2 水产养殖环境参数传感器检测节点

本系统的水产养殖环境参数传感器检测节点由水质传感器和数据处理模块构成。水质传感器和相应的信号调节电路用于实时监测水产养殖环境参数的变化；数据处理模块用来处理传感器检测到的数据，并进行相应的模数转换。传感器型号采用WZ/PZ温度传感器、RDO-206型溶氧传感器、SKA/PG-300型盐度传感器、PHG-202型水质pH传感器和ZS-206浊度传感器等。数据处理模块采用CC2530芯片，是TI公司专门为ZigBee网络的推广与普及而量身设计的专用芯片，用来处理传感器检测到的数据[15]，利用ZigBee无线传感网络进行发送。

2.3 无线通信模块

无线通信模块采用网蜂科技的ZigBee模块建立星型传感网络，实现短距离数据传输，具有低功耗、低成本、传输数据可靠的优点[16-17]。无线通信模块基于IEEE 802.15.4无线标准研究开发，系统采用ZigBee技术，设计和实现基于CC2530芯片搭建的无线传感网络[18]。

2.4 传感器探头清洗装置

本系统实现对传感器探头的定期清洗，分为自动清洗和手动清洗两种方式。自动清洗设计为每5 d清洗1次，对每个放置在传感器可变形支架上的传感器进行轮流清洗，采用自制的海绵清洗刷结合微型水泵进行混搭清洗。手动清洗可供现场养殖人员自由选择清洗时间以及所要清洗的传感器，控制芯片则针对所有传感器支架变形组合，执行相应的指令，每种指令选项均在现场端LCD触摸屏和远程PC机上进行显示，供养殖人员手动控制。

2.5 监控管理中心

监控管理中心是整个系统的核心，通过主控制器STM32控制整个系统工作过程中的各个步骤。该中心的协调器仍采用CC2530芯片，整合全集成的高效射频收发机及业界标准的增强型8051微控制器，8 kB的RAM及其他强大的支持功能和外设，支持ZigBee及其他所有基于802.15.4标准的解决方案[19]，负责在主控制器STM32和ZigBee网络间进行传感器参数的数据中转，同时负责整个ZigBee无线网络的组建。主控制器采用STM32F103ZET6芯片，是32位基于ARM cortex-M3内核带512K字节闪存的微控制器，其功耗低、性能高、成本低[20]，最高工作频率为72 MHz，丰富的增强GPIO端口，每个GPIO端口可自由编程[21]，可用于本系统与外部设备的信息通信，能有效保证数据处理的实时性和命令运算的高效性。现场端触摸屏采用广州大彩光电科技公司的7英寸工业级串口屏DC10600RS070_05WK，用于参数监测。主控芯片STM32F103ZET6的串口与GPRS模块进行通讯连接，可使远程用户终端通过GPRS网络进行数据接收，进而构成可远程监控与管理的系统。

3 系统软件设计

3.1 ZigBee无线网络通信设计

以嵌入式系统作为基本设计框架，以ZigBee无线网络通信技术连接构成。该技术的设计是基于其无线通信协议，采用模块式编程技术来建立无线网络。在本系统中，应用此技术完成了水产养殖环境参数传感器检测节点控制程序的设计以及协调器控制程序的设计。水产养殖环境参数传感器检测节点控制流程如图4所示，当判断已成功加入网络后，方可进行传感器数据的检测读取，并将数据定时发送给协调器进行分析处理。协调器节点控制流程如图5所示，当协调器查找到网络并接收到传感器检测节点发来的数据后，会对数据进行处理分析，然后将数据传送给STM32主控芯片，再显示在现场端LCD触摸屏以及远程PC上位机；与此同时，主控芯片会记录所有监测数据，并将每一时期的数据进行分析对比并显示在现场端和远程PC上位机，供养殖人员参考。

图4 水产养殖环境参数传感器检测节点控制流程

图5 协调器节点控制流程

3.2 传感器清洗系统程序设计

传感器清洗系统程序如图6所示，设备首次上电后进行硬件初始化，主控芯片STM32开始定时器定时，并在现场端LCD触摸屏以及远程PC上位机端的清洗界面显示剩余时间。设计的传感器支架变形状态共有6种，分别可放置6、5、4、3、2、1个传感器，且每种状态下各个传感器的摆放角度都有设置，并对每个传感器的位置进行相应的编号。在自动清洗状态下，当定时到第5天，主控芯片会根据传感器支架所处的变形状态以及传感器所处位置的编号启动相应的清洗程序指令。清洗过程：首先将浸在水中的传感器通过电机、同步带、同步轮的传动机构上升到指定高度，载有清洗刷的支架在电机转动下旋转至指定位置，对位于其正上方的水质传感器进行清洗，清洗过程中微型水泵对探头进行泵水，结合清洗刷进行混合清洗操作，当清洗到指定次数后，传感器支架旋转一定的角度进行第2个传感器的清洗，直至所有传感器清洗完毕，将其下放至水中。此时，比对监测水质传感器与校准传感器的示数差值，如果在设定的偏差值范围内，则结束清洗，如果不在范围内则报警提醒，并再一次进行清洗工作，直至达标为止。在手动清洗状态下，养殖人员可不受定时时间限制，根据需要随时清洗，并且可以选择性地清洗指定的传感器，只需按下现场端触摸屏，或者远程PC上位机的指定按钮即可，清洗过程与自动状态下的一致。

图6 传感器探头清洗流程

4 系统上位机

电脑PC端上位机软件采用LabVIEW开发，所设计的客户端能够清晰直观地观察各项数据指标，操作界面简单，能够实现与主控芯片STM32之间的数据共享、联机交互功能[22]，方便用户操作。上位机智能监控系统的设置界面包括水质传感器示数监控平台和水质传感器探头清洗平台，前者可以实时显示溶氧、温度、pH等数据和曲线，并可进行历史数据和曲线的查询；自清洗装置监测平台可以实时监控传感器支架、微型水泵、清洗刷等状态信息，并可进行自动或手动调节。数据的传输由串口通信来实现，上位机通过无线串口软件与监控管理中心的GPRS模块进行通信，实现数据互传。

5 试验分析

2018年10月26日至27日在上海海洋大学实验基地进行了自清洗装置在水产养殖环境下的试验，选取水质温度传感器、pH传感器以及溶氧传感器进行数据监测。试验分为3组，第1组(组1)在自然条件下进行，第2组(组2)在本自清洗装置下进行，第3组(组3)采用标准仪器通过人工现场采集的方式进行。组1和组2采用相同型号的传感器，组3采用标准仪器，温度标准仪器为TP04，pH标准仪器为pH-580，溶氧标准仪器为DO8500。在试验开始前10 d，将组1和组2试验仪器安置在相同水域进行正常监测作业，第10天，启动组2水质传感器的自动清洗，待清洗完毕后，3组每隔1.5 h同时开始测量数据，共选取5次试验数据，试验数据见表1。

表1自清洗装置效果测试数据

Tab. 1 Test data of self-cleaning device effect

由表1可知，在同一块测试水域中，经过10 d的前期投放使用，由于水产养殖水域环境等各方面的变化，使得传感器探头表面附着有一定的污渍，这为试验作了前期准备。试验开始后，利用自清洗装置对组2传感器进行自动清洗，清洗完毕后启用组3标准仪器，连续2 d对3组传感器进行试验测试。结果表明，组2测量数据与标定数据误差在1%以内，而组1测量数据与标定数据误差在0.6%～3%，显然，经过自清洗装置的定期自动清洗，水质传感器的监测准确度得到明显提高，且自清洗装置运行稳定可靠，可满足系统设计要求。该系统与王祖刚[23]发明的太阳能水产养殖水质监测自动清洗装置、孙毅等[24]发明的具有电极自动清洗和标定的水质在线监测系统及单慧勇等[25]设计的传感器射流清洁系统相比，具有体积小、成本低、安装方便等特点，可用于多传感器监测系统。

6 结论

设计并实现了一种基于物联网的水质传感器监控及自清洗装置。该装置采用传感器支架可变形结构设计，合理布设各种水质传感器，自清洗装置可将位于水下的传感器升至水上，方便养殖人员进行维护或更换，并利用精巧的机械结构进行传感器探头清洗。整个控制系统通过3层物联网架构，利用ZigBee无线通信技术对水产养殖环境参数进行实时监控；设计的现场端触摸屏以及便于用户进行远程访问与管理的LabVIEW上位机监控界面，可实现水质传感器数据监控与自清洗。试验结果表明，配置自清洗装置的系统能准确监测水产养殖各种水质参数，且现场端触摸屏和远程上位机可实时显示参数的变化以及相应的波形图，可调取某一时期详尽的参数分析报告供养殖人员参考，自清洗装置可提高水质传感器的检测精度。该系统具有良好的推广和应用价值。