基于氨气敏电极法的水产养殖氨氮在线监测系统设计＊

胡 围 ， 刘木华 ， 赵进辉

（1.江西农业大学工学院，江西 南昌 330045；2.江西省现代农业装备重点实验室，江西 南昌 330045）

0 引言

近年来，随着水产养殖行业的发展和养殖区域的合理规划，水产养殖的集约化程度不断提高[1]。高集约化的养殖模式为养殖户带来了可观的经济收益，但养殖密度与投饵频率的提高，容易导致鱼体粪便和残饵中的氮元素发酵生成氨氮等有毒物质，对养殖鱼体生长和水体环境造成危害[2,3]。当水体氨氮含量大于2 mg/L时，养殖鱼体会出现大量的中毒死亡[4]。目前水产养殖氨氮的检测方式普遍是人工使用氨氮测量试剂盒或便携式水质测量仪进行检测，但人工操作误差较大，便携式仪器依赖于操作人员的技术水平，检测重复性不高，并且人体长期接触化学试剂容易对健康造成损害。因此，设计一款水产养殖氨氮在线监测系统，对于提高养殖水体氨氮检测效率，保证养殖鱼体的健康生长和降低养殖户经济损失有着极其重要的意义。

该设计的氨氮在线监测系统实现了水产养殖水体氨氮的远程在线监测，管理人员可以通过手机或电脑等终端设备查看当前养殖水体氨氮浓度。当氨氮浓度超出系统设置范围时，系统能够自动向管理人员手机发送预警信息，提示管理人员及时处理异常情况，避免鱼体中毒死亡造成经济损失。

1 系统结构设计

采用氨气敏电极法作为养殖水体氨氮检测方法。检测原理基于化学反应： 产生氨气，数据采集模块通过氨气敏电极采集氨气参数，再通过标定公式计算得出待测液的氨氮浓度。根据氨气敏电极法的氨氮检测反应条件对系统进行结构设计，如图1所示。氨氮在线监测系统上电后进行初始化，初始化完成后检测电极是否处于初始电位，若电极处于初始电位，执行检测流程。检测流程如下：首先，潜水泵将养殖池塘内泥沙过滤器中的水抽取到计量桶，抽取完成后潜水泵关闭，打开排液阀将计量桶中固定体积的待测水样排入氨氮反应测量池中，温度传感器和pH传感器将采样数值传输至硬件电路的主控模块；然后，左侧的试剂储存添加单元打开蠕动泵向氨氮反应测量池中添加碱化屏蔽剂，主控模块通过定时器获取采样时间，采样完成后得到氨气敏电极输出电位；最后，主控模块通过4G通信模块将水体温度、pH值和氨气敏电极输出电位等数据无线传输至远程数据监控平台，打开废液排出电磁阀，将氨氮反应测量池中的反应废液收集到废液缸内；试剂储存添加单元打开右侧蠕动泵向氨氮反应测量池中添加柠檬酸清洗液，将电极电位清洗至初始电位值，清洗完成后废液排出，完成氨氮检测流程。

图1 水产养殖氨氮在线监测系统结构示意图Fig1 Structure diagram of aquaculture ammonia nitrogen online monitoring system

2 系统硬件电路设计

根据上述水产养殖氨氮在线监测系统的功能需求，采用Altium Designer 18电路设计软件，对系统的硬件电路进行设计。硬件电路主要由主控芯片模块、数据采集模块、RS-485通信模块、电源降压模块、4G无线通信模块、蠕动泵驱动控制模块和继电器控制模块等部分组成。其中，主控芯片模块、数据采集模块和蠕动泵驱动控制模块是硬件电路设计的关键。系统硬件原理框图如图2所示。

图2 系统硬件原理框图Fig2 System hardware principle block diagram

2.1 主控芯片模块电路

主控芯片模块负责模块之间的数据交换和指令传输，是各个模块的操作管理中心。该模块选用STM32F407ZGT6芯片为主控芯片，该芯片主频高达168 MHz，拥有丰富的功能寄存器资源，能够满足本系统的功能需求。主控芯片模块的电路主要是围绕STM32F407ZGT6最小系统电路进行设计，最小系统电路主要由以下几部分组成：按键复位电路、SWD串口调试电路、时钟电路和CJA1117稳压电路。主控芯片模块最小系统电路[5]如图3所示。

图3 主控芯片模块最小系统电路Fig3 Minimal system circuit of main control chip module

2.2 数据采集模块电路

数据采集模块电路主要负责水体氨氮和水体温度的数据采集[6]。数据采集模块选用亚诺德半导体公司的CN0326模块，该模块主要由AD8603、AD7793和ADuM5401这3个芯片组成。数据采集模块电路如图4所示。考虑到氨气敏电极内pH玻璃电极的内阻等同于1 MΩ的超大电阻，当该1 MΩ的内阻与玻璃电极电压源串联时，若流过该内阻的电流过大，其内阻分压会给电极输出电位带来巨大的电压衰减。为了避免上一级输出阻抗远大于下一级输入阻抗所带来的信号衰减，因此选用高输入阻抗的电压跟随器AD8603[7]。氨气敏电极和温度电极的信号通过24位分辨率ADC芯片AD7793进行采集，采样频率可通过自定义配置，最高可达470 Hz。由于电极的采集信号都是以mV为单位的微弱信号，容易受到养殖池塘现场检测环境中噪声和电源瞬变电压的影响。为抑制这些常见噪声和电源对电极采集信号的干扰，该模块选用ADuM5401芯片用于隔离主控芯片模块和AD7793数字电路之间的电源对数字信号的干扰。

图4 数据采集模块电路Fig4 Data acquisition module circuit

2.3 蠕动泵驱动控制模块电路

蠕动泵驱动控制模块主要是用于试剂储存添加单元为氨氮测量池添加试剂时完成蠕动泵的试剂抽取添加操作。蠕动泵的工作原理是通过内部步进电机旋转带动泵头转动，从而挤压泵管内液体流动将试剂准确抽取添加。蠕动泵驱动控制模块电路如图5所示。A4988是一款功能实用且价格实惠的步进电机驱动板，其广泛适用于3D打印和数控机床等精密操作领域[8,9]。在主控芯片模块通过A4988控制蠕动泵时，还需要有1个470 μF的电解电容对A4988模块进行电源保护。该模块主要通过3个引脚控制蠕动泵运转，EN为使能引脚，由于该引脚为低电平有效，即EN使能低电平时，A4988才能驱动电机运转。若该引脚悬空，则A4988默认为使能状态，即该引脚没有连接任何电平时，A4988可以正常工作；STEP引脚为步进引脚，该引脚用于通过主控芯片模块向A4988发送PWM脉宽调制信号，A4988接收到此信号后，会根据MS1、MS2和MS3引脚控制电机运转，这里将3个引脚全部接上3.3 V，以全步进方式驱动；DIR为方向引脚，收到高电平时，A4988将控制电机逆时针旋转；低电平则相反。

图5 蠕动泵驱动控制模块电路Fig5 Peristaltic pump drive control module circuit

3 系统软件设计

系统软件分为远程数据监控平台上位机软件和水产养殖氨氮在线监测下位机软件。上位机软件是基于SpringMVC框架搭建的JavaWeb网页平台[10]，下位机软件采用C语言进行编写。上位机和下位机通过4G-DTU无线通信模块进行数据传输，完成数据的采集、现场检测部件的控制和氨氮反应测量池的自动清洗。

3.1 下位机软件设计

下位机软件主要由初始化程序、中断程序和主程序组成。初始化程序在系统上电时对主控芯片的各功能寄存器进行初始化。中断程序包括定时器中断和串口中断，主控芯片在接收到上位机指令时进入串口中断服务程序，操作硬件模块完成相应的功能。主程序包括水样的自动采集、水体数据的采集和数据的无线传输等。氨氮自动测量流程图如图6所示。

图6 氨氮自动测量流程图Fig6 Ammonia nitrogen automatic measurement flow chart

系统上电初始化完成后，管理人员通过远程监控平台对系统的运行情况进行查看。若运行正常，管理人员通过上位机发送自动采集指令，主控芯片模块控制水样采集计量单元打开潜水泵，将养殖池塘中经过泥沙过滤后的养殖水抽入计量桶中，抽取完成计量结束后打开出样口电磁阀，使得待测水样流入氨氮测量池中。主控芯片模块控制数据采集单元测量水体温度和pH值，水体数据测量结束后，试剂储存添加单元打开蠕动泵抽取10 mL碱化屏蔽剂注入氨氮测量池。氨氮检测反应结束后，将采集到的氨气敏电极输出电位值和水体数据通过无线传输模块发送至远程数据监控平台，通过标定公式计算得出氨氮浓度，将氨氮浓度和水体数据显示在上位机数据可视化界面，便于管理人员查看。

3.2 上位机软件设计

为了便于管理人员远程实时查看养殖水体数据，该系统在远程服务器上搭建了数据监控平台。管理人员可通过手机或电脑访问远程数据监控平台，查看对应设备的数据详情，即可看到氨氮现场检测装置最新采集的养殖水体数据。显示的数据包括水体温度、水体氨氮浓度和水体pH值等参数和各个数据的走势图。实时数据显示界面如图7所示。

图7 实时数据显示界面Fig7 Real-time data display interface

4 系统测试

氨气敏电极是电化学传感器，根据能斯特方程可知，电极输出电位与待测液氨氮浓度的自然对数呈线性关系[11,12]。使用恒温水浴锅控制标准溶液温度处于25℃，系统控制蠕动泵向待测液中定量添加反应试剂，氨气敏电极对浓度0.05 ～ 3.00 mg/L的氨氮标准溶液进行检测，检测时间为15 min。以氨氮浓度的自然对数为横坐标，以电极输出电位为纵坐标，试验结果如图8所示。

图8 氨气敏电极标准曲线(25℃)Fig8 Standard curve of ammonia gas sensor(25℃)

标准曲线的公式为：y = - 26.92x - 122.53，其中，x为氨氮浓度以e为底的自然对数，y为电极输出电位值，决定系数(R2) = 0.9862。根据《地表水环境质量标准》[13]要求，水产养殖水体氨氮浓度最高不得超过2.00 mg/L。由标准曲线可知：当待测液温度为25℃时，氨氮浓度在0.05 ～ 3.00 mg/L范围内，氨氮浓度的自然对数和电极的输出电位线性关系良好，R2为0.9862，说明该系统氨氮检测效果良好，满足水产养殖氨氮在线监测的要求。

5 结论

本研究以水产养殖水体氨氮为研究对象，基于氨气敏电极法设计了水产养殖氨氮在线监测系统。该系统实现了水产养殖水体氨氮浓度的自动检测，养殖人员可通过手机和电脑等终端设备访问远程数据监控平台查看养殖池塘中氨氮的实时数据，解决了人工检测效率较低和化学试剂影响检测人员身体健康等问题。该设计基于氨气敏电极法的水产养殖氨氮在线监测系统可用于水产养殖氨氮含量的远程自动监测，养殖人员能够通过该系统及时获取养殖水体氨氮浓度，减少劳动力成本，降低养殖鱼体死亡的损失，提高经济收益。