基于光伏供电的水产养殖水质检测平台设计

摘要：针对传统水产养殖水质监测装置存在的水质监测传感器工作寿命短、水质信息采集频率不固定等问题，设计出一种基于光伏供电的水产水质检测平台。通过检测模式创新设计、供电模式创新设计，在完成水质检测后，由螺杆传动机构带动固定在其底部的水质传感器脱离水体。实现非检测时期水质传感器和被检测水体的非直接接触，延长水质传感器使用寿命。在监测中心预先设定水质信息采集的频率，到达检测时间就控制螺杆传动机构下降，使水质监测传感器深入被检测水体中，实现定时检测。光伏阵列给平台各单元供电，使平台结构更加简洁。利用单片机（STM32F4、MAX813看门狗芯片）控制螺杆传动机构的升降，ZigBee网络进行数据的传送。结果表明，该设计方案能满足水产养殖的需求，使水质监测传感器寿命延长80%，检测精度提高35%，为水产养殖领域提供了一种可靠的方案。

关键词：水产养殖；检测平台；光伏供电

中图分类号：S237 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2018）20-0128-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.20.030 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： Aiming at the problems of water quality monitoring sensor in traditional aquaculture water quality monitoring device，such as short working life and not fixed water quality information collection frequency，a new type of aquatic water quality testing platform based on PV is designed. Through the detection mode innovation design，innovative design of power supply mode，after the completion of water quality testing，driven by screw drive mechanism fixed at the bottom of the water quality sensor from the water，to achieve the non-detection of water quality sensors and detected water in the indirect contact，prolong the service life of water quality sensor，in the monitoring center preset water quality information collection When the detection time is reached，the screw transmission mechanism is lowered，so that the water quality monitoring sensor is deeply detected in the water body and the timing detection is realized. The PV array is used to power the units of the platform to make the platform structure more concise. Through Single-chip microcomputer（STM32F4，MAX813 watchdog chip） to control the Take-off and landing of screw transmission mechanism，ZigBee network data transmission. The experimental results show that the proposed scheme can meet the needs of aquaculture，prolong the life of water sensor by 80% and improve the detection accuracy by 35%，which provides a reliable scheme for the aquaculture field.

Key words： aquaculture；testing platform；photovoltaic power supply

随着人们生活水平的提高，人们对水产品的需求量越来越大。农业农村部在《全国渔业发展第十三个五年规划（2016-2020）》中明确提出到2020年渔业产值达到14 000亿元，增值8 000億元，渔业产值占农业总产值的10%左右。市场的需求和政府强有力的支持推动了水产养殖行业的快速发展。良好的养殖水质对水产养殖来说是必须的，否则会带来巨大的健康问题以及经济损失[1]。水温和pH是衡量水质的重要指标。水温的变化直接影响鱼体内活性氧含量及抗氧化酶的活性，使机体产生应激反应以适应外界环境的改变，若长期处于应激状态，会导致鱼体免疫防御能力和抗病力下降，影响鱼类的生长[2]。pH则影响鱼类的生长繁殖，pH过高，会使鱼的鳃组织因受腐蚀而患烂鳃病；过低，会降低载氧能力，造成缺氧症[3]。因此，水产养殖行业健康稳定的发展离不开对养殖水体水温和pH等水体参数的监测。养殖水体水质监测方法经历了3个阶段：传统经验法、化学法和仪器法[4-6]。目前，市场上的各类水产养殖水质监测装置主要存在以下不足：①水质传感器固定浸埋水中，传感器损耗大、工作寿命短；②水质信息采集频率不固定。

针对以上存在的水质监测传感器工作寿命短、采集频率不固定的问题，本研究设计出一种结构简单、操作方便的基于光伏供电的水产养殖水质检测平台，以期解决以上问题为水产养殖户提供便利。

1 系统总体设计

1.1 结构设计

该平台主要包括光伏供电单元、数据检测传送单元和监测中心。利用光伏电池块将太阳能传换为电能，为水质检测平台的各个单元提供能量。螺杆传动机构和水质传感器互相配合完成水质检测。通过ZigBee网络完成数据传送，监测中心实现水质数据的分析和储存。系统结构如图1所示。

1.2 功能设计

利用光伏电池块的串并联为水质检测平台的各单元提供能量。通过单片机发送指令控制螺杆传动机构和水质传感器产生相应的动作以完成水质检测，并对数据信息进行处理。ZigBee网络将水质信息传递给PC移动端口的监控中心，在监控中心实现数据的统计、储存，方便后期查询。图2为基于光伏供电的水产水质检测平台功能设计。

2 单元设计

2.1 光伏发电单元

太阳能光伏发电是利用太阳能电池的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换成电能的一种新型发电系统[7]。本研究通过铺设在平台上的11块深色矩形单晶硅光伏电池块的串并联供电来满足螺杆传动机构以及水质传感器的电压电流要求，提供能量。光伏组件设计尺寸为1 275 mm×1 380 mm，光伏电池块的设计尺寸为340 mm×420 mm，光伏电池块间隔5 mm，输出电压为12 V，输出功率为20 W，转换效率在17.5%以上。光伏发电系统主要由光伏组件、光伏控制器、充电控制器、蓄电池组和逆变器等组成。光伏阵列可以将太阳能转换为直流电能，在太阳光照的情况下输出电能。光伏阵列的输出端接入汇流箱进行汇流。光伏控制器主要对光伏阵列的输出进行控制，包括最大功率点跟踪控制（MPPT控制）等，使光伏阵列达到最大输出功率。充电控制器采用智能控制的方式，能够高效地将光伏阵列输出的电能存储到蓄电池组中，以备阳光不足或者无光的情况下使用。根据负载需要，该水质检测平台选用铅酸蓄电池作为储能环节。当发电量大于负载所需用电量时，光伏阵列通过充电器对蓄电池充电；当发电量不足时，太阳能和蓄电池同时对负载供电。光伏逆变器是光伏发电系统中将直流电变换成交流电的设备[8]。当光伏阵列发电不足或蓄电池能量储存不足时，可以启动备用发电机组，发电机组既可以直接给交流负载供电，又可以经整流器进行整流后给蓄电池充电。控制器、逆变器、蓄电池组和备用发电机等装置均安装在平台上的电气箱中。

2.2 数据收集传送单元

2.2.1 水质监测传感器选型 影响水产养殖的关键参数包括水温（T）、酸碱度（pH）、溶解氧（DO）、电导率、浊度、光照度等[9，10]。本研究主要以水温和pH作为监测养殖水质的指标，利用温度传感器和pH传感器分别对其进行检测。

pH传感器：目前主要用于测量pH的电极是玻璃pH电极。测量pH的电池组成为SCE||试液|玻璃膜|内参比溶液|AgCl。玻璃pH电极是一种离子选择性电极，具有灵敏、快速、选择性高等特点[11]。因此，玻璃pH电极是本装置的最佳选择，选用上海陆基机电科技有限公司研发的ZA-PH-A101。该pH传感器自带温度补偿器件，且可以通过传感器直接读取温度值，故不再单独选用温度传感器。

2.2.2 无线传感网络的选择 WLAN技术、蓝牙技术、UWB技术和ZigBee技术是主要的无线通讯技术。①无线区域网（WLAN）是一种借助无线技术取代以往有线信道方式构成计算机局域网的手段，以解决有线方式不易实现的计算机的可移动性[12]，但其设备昂贵且不适合小型设备。②蓝牙技术是一种数据与语音通信开放性全球规范，协议版本为802.15.1，工作于2.4G ISM波段，可通过增大发射功率增大传输距离[13]，但蓝牙技术的价格昂贵且抗干扰能力较弱。③UWB技术。美国联邦通信委员会将绝对带宽大于500 MHz或者相对带宽>20%的信号定义为超宽带信号（UWB）[14]。UWB可以提供100 Mbps以上的运输速率，适合近距离内高速传送大量数据。④ZigBee技术是一种新兴的近距离无线通信技术，是无线传感器网络（Wireless sensor network，WSN）的核心技术之一。使用该技术的节点设备能耗特别低，自组网无需人工干涉，成本低廉，设备复杂度低且网络容量大[15]。由于水质检测平台工作在露天环境，所以其数据传送的主要要求是能耗低、通信成本小。相对于其他的无线通信技术，ZigBee网络的功耗和成本都比较低，且网络容量大，可以實现大规模的数据采集以及传输，所以该装置采用ZigBee无线技术实现水质数据的传输。

2.2.3 水质检测平台工作流程 以螺杆传动机构为载体，将水质传感器固定在螺杆传动机构的底部，并且采用嵌入式处理器STM32为控制器，结合串口电路建立与水质传感器之间的联系。与之连接的基本电路都铺设于平台下表面，控制器安装于电气盒中，利用光伏供电系统对水质传感器和螺杆传动机构等提供动力。当水质监测装置开始工作时，先判断是否已经到了检测时间，没有到达则继续等待。到达预先设定的检测时间后，STM32向水质传感器发送检测命令。根据预先设定螺杆传动机构的下降距离将水质传感器深入到被监测水体之中。到达预定位置后进行温度和pH的检测。延时5 ms后STM32接收传感器返回的数据，数据接收完整后进行校验。若校验结果不正确则重新发送数据采集指令，重新接收传感器数据。校验成功则继续进行下一步，将接收到的数据进行滤波处理以消除外界环境及系统所带来的不确定干扰。STM32控制器将计算得到的水质数据打包发送给ZigBee网络，使数据接入ZigBee网络。监测中心接收传送的水质信息，并将其保存在本地数据库中，以便随时查看。

2.3 监测中心

监测中心由参数设置、实时监测、数据处理、数据管理和用户管理5个模块组成。参数设置用来设置水体检测间隔时间的长短以及螺杆传动机构下降的距离和通信参数。实时监测模块根据反馈回来的水质参数，以图表的形式反映水质的变化，做到实时、准确。数据处理模块对反馈回来的数据进行分析处理，并产生水质预警模型。数据管理模块对历史数据进行进行查询、统计和图表显示；用户管理模块可以进行用户信息的修改和调整权限，使不同身份的用户访问特定的数据资源，监测中心结构如图5所示。

3 精度测试试验

3.1 测试内容

检测试验装置相关数据的准确性，在安徽农业大学机电工程院进行水产养殖水质检测平台的模拟试验。通過该检测平台和其他标准水质监测装置对同一水样进行水温和pH的检测，来判断该装置数据监测的准确程度。

3.2 测试方法

启动装置，设置好相关参数，开始检测。待螺杆传动底端到达预定位置时，利用水质传感器对水样进行检测。对比的水质检测设备采用的是美国HACH公司的HQD台式水质分析仪，该分析仪可以同时对11个参数进行测量，取其中的pH作为该装置的对比。温度的对比仪器采用温度计。将HQD的pH电极和温度计也同时放到被检测水样的相同深度，每分钟读数一次，共测量5次。

3.3 测试结果

从表1中可以看出，该装置的水质数据检测相对误差较小。水温的相对误差小于0.39%，pH的相对误差小于0.84%。与市场先进仪器的测量值较接近。该水产养殖水质检测平台的检测精度较好，可以很好地应用于水产养殖水质监测。

4 结语

本研究开发一种基于光伏发电的水产检测平台，利用检测工作模式创新设计，在水质检测时期，螺杆传动机构带动水质传感器向下深入被检测水体中，检测完成后带动水质传感器脱离被检测水体，保护水质传感器、延长传感器使用寿命。预先设定采集频率，数据收集更加全面。利用供电模式创新设计，采用光伏电池块串并联供电来满足检测平台的用电需求。将数据传输回PC移动端进行分析和储存，方便后期对水质信息的统计和查询，实现水质信息检测、传送和储存一体化。通过对比试验发现采集数据精度较高，能较好满足设计要求，为水产养殖户监测养殖水质提供了一种可靠方案。

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