鱼塘的水质检测智能小船系统设计

李鑫 李少雄 李欣蓓

摘 要：我国是世界上的水产养殖大国，为保证养殖水域水质，对其进行不断监测是十分必要的。目前国内外水质监测方法由于使用范围受限或者对操作人员的专业性等有较高的要求，无法适用于小型水产养殖环境的实际应用。本文主要针对水质监测智能小船进行设计和分析，利用船体的太阳能板为小船提供所需的电能，而小船的智能体现能够对目标鱼塘的水质进行实时监测，并将通过5G通信网络将数据传给用户。

关键词：智能小船 ;水质监测

引言

良好的水质能够提高水产生物品质，减少水产生物的死亡率，是水产养殖中的决定性因素同时也降低水质的富营养化，提升水质品质。为保证养殖水域水质，对其进行不断监测是十分必要的。我国是世界上的水产养殖大国，水产养殖为我国人民提供了不少就业岗位，因此本文面向养殖实际需求设计了一种小型移动式水质监测系统。根据监测因子的重要性，本文选择对水产养殖最为重要的溶解氧、pH、浊度、水温、电导率、铵离子等水质参数作为监测对象。

1智能水质检测小船主体结构

1.1水质监测无人船总体结构

监测终端主要由嵌入式主控板、动力电机、转向舵机、GPS模块、SD卡和无线模块等组成。通过手持终端发送控制指令，再通过无线模块接收指令进而控制监测终端，水质监测传感器监测到的数据通过GPRS网络模块发送到控制中心。监测终端根据接收到的指令执行相应的操作，发送相应的控制指令。控制指令是由嵌入式主板提供的多种接口以及各个模块提供的。动力电机也受主板的控制，主要控制无人机基础的前进、后退、转向，换挡等功能。GPRS模块用于实现对移动平台的定位。SD卡用于存储移动平台的位置信息、方向信息和采集到的水质信息。

1.2无人船船体结构设计

一、船体模型设计

本文设计无人船船型采用单船体流线型，该船型具有重心低、航行稳的特点，其模型尺寸大小为120cm*32cm*45cm，吃水线为6cm，重量为6kg。此次无人船水质监测平台的船体及内部构造均按照要求进行设计规划。其中船型采用单船体流线型，该船型具有重心低、航行稳的特点。整艘无人船可以抵抗4级以下大风，可以承载大于10公斤的重量，在设计上注重了防沉、防颠覆、防水的特性。在材质上选用防水木材，其质量较轻便于开模，且在其表面涂上具有防腐、防磨损等特性的油漆。此次无人船水质监测平台的船体及内部 构造均按照要求进行设计规划。

二、动力模块与转向控制模块

无人船的动力系统设计主要包括发动机、转换器、尾轴以及螺旋桨四个部分组成。汽油发动机采用的是168F单缸四冲程风冷汽油发动机，拉力启动，排量为211CC，输出功率为2.5KV，额定转速3000转，可带动水下推进器正反转，另外还可以利用PWM 调节其转速。

船体转向是由控制舵机来完成无人船的航行角度，本系统采用HS-425BB型舵机，支持PWM控制，根据需要变换角度并保持角度。舵机是一种位置伺服的输出执行机构，其内部的基准电路能产生20ms周期、1.5ms脉宽的基准信号，脉冲宽度因转动角度不同而不同，0.5ms对应О度，2.5ms对应180度，呈线性变化。外部的控制信号输入到舵机中，首先经过信号调制获取偏置电压，然后与电位器的电压相比较，输出电压差，电压差的正负决定内部电极的正反转。

2智能水质检测小船模块分析

一、传感器模块

本系统中传感器模块包含六个水质检测传感器件，它们分别是：溶解氧传感器、pH传感器、浊度传感器、温度传感器、电导率传感器以及铵离子传感器。传感器模块将对应现实世界中的水质因子通过一系列装置转变成电流信号，使系统能够识别读取。传感器模块的精度和分辨率决定了所述系统性能的优良与否，因此传感器的选型就很重要。

二、电源模块

硬件系统运行时，嵌入式处理器STM32需要3.3V的电压供电，传感器、485 集线器以及5G通信模块则都是12V的供电电压，按键及显示模块和报警模块需要5V的电源供电，485通信接口模块和232通信接口模块的供电电压也是3.3V。硬件系统总输入为12V的电源，通过船体上大太阳板并辅以可充电式锂电池组合实现对太阳能的储能，通过电源转化模块为系统供电，提供满足各个模块需要的供电电压，保障系统的安全供电。

3 数据分析

一、系统精度测试

取一盆鱼塘中的水，将监测系统的传感器探头放入水中。对比的监测仪器采用多参数水质分析仪，本仪器能够测量这六个水质参数中的电导率、溶解氧、pH及铵离子等四个参数。温度的对比仪器采用温度计，浊度参数由于没有相应的对比仪器，因此暂时不做精度实验。将HQ30D 的四个电极和温度计同时放入水中。每分钟读取一次数据，总共测量十次。

三、测试结果

4 结语

智能水质检测小船采用环保能源，利用太阳能板吸收光能通过芯片转换，将电能存储在锂电池里，环保健康，可持续使用，符合现代能源要求。智能水质检测小船应用于鱼塘的水质检测，解决现有鱼塘作业监测的痛点，能够减少人工检测的成本，讓水质情况更加清楚地呈现出来，从而改善水产养殖业数量规模和质量效益的不平衡。

参考文献：

[1]涂锦柱，小规模淡水养殖现状及发展方向[J].农业与技术，2013（11）：162-163

[2]李献华，我国小规模淡水养殖现状及其发展方向探讨[J].中国农业2013（13）：244-244

[3]刘欢.我国水产养殖业生态化研究[D]南京林业大学，2014

[4]夏军，翟金良，占车生，我国水资源研究与发展的若干思考[].地球科学进展，2011，26（9）：905-915