基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)傳感器監(jiān)控及自清洗裝置設(shè)計(jì)

劉雨青，陳澤華，曹守啟

(上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306)

在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中采用水質(zhì)傳感器長期實(shí)時(shí)監(jiān)測水質(zhì)環(huán)境具有重要意義[1]。然而，傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測方法主要是通過人員采樣測定，頻次低、實(shí)時(shí)性差且易造成二次污染[2]。隨著物聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，水質(zhì)參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)得到了廣泛發(fā)展和應(yīng)用[3]。鐘興等[4]通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了水產(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)控系統(tǒng)；劉熙明等[5]將分布式無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到養(yǎng)殖水體水質(zhì)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)中；劉星橋等[6]提出了一種基于WiFi和GIS的測量與信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。但在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中投放的飼料、藥物以及養(yǎng)殖物產(chǎn)生的糞便等極易使傳感器表面附著污漬，影響數(shù)據(jù)長期監(jiān)測精度，并降低傳感器的使用壽命，因此，水質(zhì)傳感器的清洗問題逐漸引起人們重視。近年來，出現(xiàn)了人工水噴射清潔、射流清潔、超聲波清潔等多種技術(shù)方法[7-8]，由于各種原因，這些技術(shù)方法都未在生產(chǎn)實(shí)踐中推廣應(yīng)用。本文利用物聯(lián)網(wǎng)和ZigBee無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一種水質(zhì)傳感器監(jiān)控系統(tǒng)及自清洗裝置，其支架可靈活變形，安裝方便，提高空間利用率，降低使用成本，并有效清除探頭表面污漬，保持傳感器測量精度，延長傳感器使用壽命。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了傳感器可變形支架及自清洗結(jié)構(gòu)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括水質(zhì)傳感器可變形支架、清洗刷、上下滑動(dòng)支架、運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)、微型水泵等。導(dǎo)桿作為上下滑動(dòng)支架移動(dòng)的軌道，其具體長度可根據(jù)實(shí)際水產(chǎn)養(yǎng)殖水域的深度進(jìn)行調(diào)節(jié)；導(dǎo)桿底部同步輪和軸承均采用防水、防腐材質(zhì)，以應(yīng)對復(fù)雜的水質(zhì)環(huán)境；上下滑動(dòng)支架載有可變形傳感器支架，可根據(jù)傳感器數(shù)量自由變形；主控箱內(nèi)置步進(jìn)電機(jī)、主控芯片等，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)將運(yùn)動(dòng)通過同步帶同步輪傳遞給上下滑動(dòng)支架，從而控制水質(zhì)傳感器在水下和水上進(jìn)行升降；可轉(zhuǎn)動(dòng)支桿上載有清洗刷，通過電機(jī)控制其旋轉(zhuǎn)到指定位置后進(jìn)行清洗；主控箱下部有精準(zhǔn)安裝的微型水泵，可提供清洗探頭時(shí)比較合適的水沖作用。在主控箱側(cè)面置有LCD觸摸屏，系統(tǒng)硬件控制按鈕用于系統(tǒng)硬件開關(guān)通斷及初始化控制。本裝置設(shè)計(jì)的可變形傳感器支架可同時(shí)放置6個(gè)水質(zhì)傳感器，其結(jié)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際情況增減。底板固定裝置可將其固定在岸邊或者小船等各種監(jiān)測場所，安全穩(wěn)定。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)模型

1.2 控制方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體控制方案如圖2所示，水質(zhì)傳感器智能監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)中的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層體系架構(gòu)[9-11]而設(shè)計(jì)，由監(jiān)測傳輸層、綜合控制層以及遠(yuǎn)程管理層組成。

圖2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

監(jiān)測傳輸層是由水質(zhì)傳感器和傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。許多水質(zhì)參數(shù)都能夠在一定程度上反映水體是否被污染，同時(shí)監(jiān)測多種參數(shù)的變化能全面反映當(dāng)前監(jiān)測水體的污染情況[12]，故需要采用較多的水質(zhì)傳感器。精準(zhǔn)的檢測水質(zhì)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)需要大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)在傳感器節(jié)點(diǎn)上配置了溫度、鹽度、pH、溶氧、氨氮、濁度等多種傳感器[13]。傳感器節(jié)點(diǎn)分為4個(gè)部分：電源模塊、ZigBee無線通信芯片CC2530、晶振電路和射頻天線RF，用來采集水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中的環(huán)境參數(shù)信息。綜合控制層包括數(shù)據(jù)分析與處理，自動(dòng)清洗裝置的控制與調(diào)節(jié)，并將各種參數(shù)的數(shù)據(jù)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程管理層。遠(yuǎn)程管理層設(shè)有上位機(jī)監(jiān)控裝置，對本系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)智能控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分為水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)檢測節(jié)點(diǎn)、無線通信模塊、水質(zhì)傳感器探頭清洗裝置以及監(jiān)控管理中心(圖3)。監(jiān)控管理中心由STM32芯片作為處理器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算處理以及命令決策功能，引出STM32的TTL串口，經(jīng)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為RS232接口，連接1塊7英寸的TFTLCD觸摸屏[14]，同時(shí)與GPRS模塊相連，用于現(xiàn)場端實(shí)時(shí)參數(shù)顯示和控制。

水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)監(jiān)控采用帶CC2530的傳感器節(jié)點(diǎn)模塊，采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)傳送給STM32主控芯片，該芯片對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記憶下來，在現(xiàn)場端LCD觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示各種參數(shù)的變化情況，并且可以調(diào)取之前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，繪制出詳盡的分析報(bào)告，方便養(yǎng)殖人員分析某一時(shí)期不同階段的參數(shù)變化。清洗狀態(tài)也可在LCD觸摸屏上顯示和切換。遠(yuǎn)程PC端可以通過無線通信模塊接收水質(zhì)傳感器各種環(huán)境參數(shù)，并對參數(shù)變化趨勢和傳感器探頭清洗狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.2 水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)傳感器檢測節(jié)點(diǎn)

本系統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)傳感器檢測節(jié)點(diǎn)由水質(zhì)傳感器和數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成。水質(zhì)傳感器和相應(yīng)的信號(hào)調(diào)節(jié)電路用于實(shí)時(shí)監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)的變化；數(shù)據(jù)處理模塊用來處理傳感器檢測到的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。傳感器型號(hào)采用WZ/PZ溫度傳感器、RDO-206型溶氧傳感器、SKA/PG-300型鹽度傳感器、PHG-202型水質(zhì)pH傳感器和ZS-206濁度傳感器等。數(shù)據(jù)處理模塊采用CC2530芯片，是TI公司專門為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的推廣與普及而量身設(shè)計(jì)的專用芯片，用來處理傳感器檢測到的數(shù)據(jù)[15]，利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)送。

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊采用網(wǎng)蜂科技的ZigBee模塊建立星型傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)短距離數(shù)據(jù)傳輸，具有低功耗、低成本、傳輸數(shù)據(jù)可靠的優(yōu)點(diǎn)[16-17]。無線通信模塊基于IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研究開發(fā)，系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)基于CC2530芯片搭建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)[18]。

2.4 傳感器探頭清洗裝置

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對傳感器探頭的定期清洗，分為自動(dòng)清洗和手動(dòng)清洗兩種方式。自動(dòng)清洗設(shè)計(jì)為每5 d清洗1次，對每個(gè)放置在傳感器可變形支架上的傳感器進(jìn)行輪流清洗，采用自制的海綿清洗刷結(jié)合微型水泵進(jìn)行混搭清洗。手動(dòng)清洗可供現(xiàn)場養(yǎng)殖人員自由選擇清洗時(shí)間以及所要清洗的傳感器，控制芯片則針對所有傳感器支架變形組合，執(zhí)行相應(yīng)的指令，每種指令選項(xiàng)均在現(xiàn)場端LCD觸摸屏和遠(yuǎn)程PC機(jī)上進(jìn)行顯示，供養(yǎng)殖人員手動(dòng)控制。

2.5 監(jiān)控管理中心

監(jiān)控管理中心是整個(gè)系統(tǒng)的核心，通過主控制器STM32控制整個(gè)系統(tǒng)工作過程中的各個(gè)步驟。該中心的協(xié)調(diào)器仍采用CC2530芯片，整合全集成的高效射頻收發(fā)機(jī)及業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051微控制器，8 kB的RAM及其他強(qiáng)大的支持功能和外設(shè)，支持ZigBee及其他所有基于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的解決方案[19]，負(fù)責(zé)在主控制器STM32和ZigBee網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行傳感器參數(shù)的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，同時(shí)負(fù)責(zé)整個(gè)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的組建。主控制器采用STM32F103ZET6芯片，是32位基于ARM cortex-M3內(nèi)核帶512K字節(jié)閃存的微控制器，其功耗低、性能高、成本低[20]，最高工作頻率為72 MHz，豐富的增強(qiáng)GPIO端口，每個(gè)GPIO端口可自由編程[21]，可用于本系統(tǒng)與外部設(shè)備的信息通信，能有效保證數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性和命令運(yùn)算的高效性?，F(xiàn)場端觸摸屏采用廣州大彩光電科技公司的7英寸工業(yè)級(jí)串口屏DC10600RS070_05WK，用于參數(shù)監(jiān)測。主控芯片STM32F103ZET6的串口與GPRS模塊進(jìn)行通訊連接，可使遠(yuǎn)程用戶終端通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，進(jìn)而構(gòu)成可遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理的系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

以嵌入式系統(tǒng)作為基本設(shè)計(jì)框架，以ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)連接構(gòu)成。該技術(shù)的設(shè)計(jì)是基于其無線通信協(xié)議，采用模塊式編程技術(shù)來建立無線網(wǎng)絡(luò)。在本系統(tǒng)中，應(yīng)用此技術(shù)完成了水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)傳感器檢測節(jié)點(diǎn)控制程序的設(shè)計(jì)以及協(xié)調(diào)器控制程序的設(shè)計(jì)。水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)傳感器檢測節(jié)點(diǎn)控制流程如圖4所示，當(dāng)判斷已成功加入網(wǎng)絡(luò)后，方可進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的檢測讀取，并將數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)送給協(xié)調(diào)器進(jìn)行分析處理。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)控制流程如圖5所示，當(dāng)協(xié)調(diào)器查找到網(wǎng)絡(luò)并接收到傳感器檢測節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)后，會(huì)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，然后將數(shù)據(jù)傳送給STM32主控芯片，再顯示在現(xiàn)場端LCD觸摸屏以及遠(yuǎn)程PC上位機(jī)；與此同時(shí)，主控芯片會(huì)記錄所有監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將每一時(shí)期的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比并顯示在現(xiàn)場端和遠(yuǎn)程PC上位機(jī)，供養(yǎng)殖人員參考。

圖4 水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)傳感器檢測節(jié)點(diǎn)控制流程

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)控制流程

3.2 傳感器清洗系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

傳感器清洗系統(tǒng)程序如圖6所示，設(shè)備首次上電后進(jìn)行硬件初始化，主控芯片STM32開始定時(shí)器定時(shí)，并在現(xiàn)場端LCD觸摸屏以及遠(yuǎn)程PC上位機(jī)端的清洗界面顯示剩余時(shí)間。設(shè)計(jì)的傳感器支架變形狀態(tài)共有6種，分別可放置6、5、4、3、2、1個(gè)傳感器，且每種狀態(tài)下各個(gè)傳感器的擺放角度都有設(shè)置，并對每個(gè)傳感器的位置進(jìn)行相應(yīng)的編號(hào)。在自動(dòng)清洗狀態(tài)下，當(dāng)定時(shí)到第5天，主控芯片會(huì)根據(jù)傳感器支架所處的變形狀態(tài)以及傳感器所處位置的編號(hào)啟動(dòng)相應(yīng)的清洗程序指令。清洗過程：首先將浸在水中的傳感器通過電機(jī)、同步帶、同步輪的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上升到指定高度，載有清洗刷的支架在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)至指定位置，對位于其正上方的水質(zhì)傳感器進(jìn)行清洗，清洗過程中微型水泵對探頭進(jìn)行泵水，結(jié)合清洗刷進(jìn)行混合清洗操作，當(dāng)清洗到指定次數(shù)后，傳感器支架旋轉(zhuǎn)一定的角度進(jìn)行第2個(gè)傳感器的清洗，直至所有傳感器清洗完畢，將其下放至水中。此時(shí)，比對監(jiān)測水質(zhì)傳感器與校準(zhǔn)傳感器的示數(shù)差值，如果在設(shè)定的偏差值范圍內(nèi)，則結(jié)束清洗，如果不在范圍內(nèi)則報(bào)警提醒，并再一次進(jìn)行清洗工作，直至達(dá)標(biāo)為止。在手動(dòng)清洗狀態(tài)下，養(yǎng)殖人員可不受定時(shí)時(shí)間限制，根據(jù)需要隨時(shí)清洗，并且可以選擇性地清洗指定的傳感器，只需按下現(xiàn)場端觸摸屏，或者遠(yuǎn)程PC上位機(jī)的指定按鈕即可，清洗過程與自動(dòng)狀態(tài)下的一致。

圖6 傳感器探頭清洗流程

4 系統(tǒng)上位機(jī)

電腦PC端上位機(jī)軟件采用LabVIEW開發(fā)，所設(shè)計(jì)的客戶端能夠清晰直觀地觀察各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)，操作界面簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)與主控芯片STM32之間的數(shù)據(jù)共享、聯(lián)機(jī)交互功能[22]，方便用戶操作。上位機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置界面包括水質(zhì)傳感器示數(shù)監(jiān)控平臺(tái)和水質(zhì)傳感器探頭清洗平臺(tái)，前者可以實(shí)時(shí)顯示溶氧、溫度、pH等數(shù)據(jù)和曲線，并可進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)和曲線的查詢；自清洗裝置監(jiān)測平臺(tái)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控傳感器支架、微型水泵、清洗刷等狀態(tài)信息，并可進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)節(jié)。數(shù)據(jù)的傳輸由串口通信來實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)通過無線串口軟件與監(jiān)控管理中心的GPRS模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳。

5 試驗(yàn)分析

2018年10月26日至27日在上海海洋大學(xué)實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行了自清洗裝置在水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境下的試驗(yàn)，選取水質(zhì)溫度傳感器、pH傳感器以及溶氧傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測。試驗(yàn)分為3組，第1組(組1)在自然條件下進(jìn)行，第2組(組2)在本自清洗裝置下進(jìn)行，第3組(組3)采用標(biāo)準(zhǔn)儀器通過人工現(xiàn)場采集的方式進(jìn)行。組1和組2采用相同型號(hào)的傳感器，組3采用標(biāo)準(zhǔn)儀器，溫度標(biāo)準(zhǔn)儀器為TP04，pH標(biāo)準(zhǔn)儀器為pH-580，溶氧標(biāo)準(zhǔn)儀器為DO8500。在試驗(yàn)開始前10 d，將組1和組2試驗(yàn)儀器安置在相同水域進(jìn)行正常監(jiān)測作業(yè)，第10天，啟動(dòng)組2水質(zhì)傳感器的自動(dòng)清洗，待清洗完畢后，3組每隔1.5 h同時(shí)開始測量數(shù)據(jù)，共選取5次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1自清洗裝置效果測試數(shù)據(jù)

Tab. 1 Test data of self-cleaning device effect

由表1可知，在同一塊測試水域中，經(jīng)過10 d的前期投放使用，由于水產(chǎn)養(yǎng)殖水域環(huán)境等各方面的變化，使得傳感器探頭表面附著有一定的污漬，這為試驗(yàn)作了前期準(zhǔn)備。試驗(yàn)開始后，利用自清洗裝置對組2傳感器進(jìn)行自動(dòng)清洗，清洗完畢后啟用組3標(biāo)準(zhǔn)儀器，連續(xù)2 d對3組傳感器進(jìn)行試驗(yàn)測試。結(jié)果表明，組2測量數(shù)據(jù)與標(biāo)定數(shù)據(jù)誤差在1%以內(nèi)，而組1測量數(shù)據(jù)與標(biāo)定數(shù)據(jù)誤差在0.6%～3%，顯然，經(jīng)過自清洗裝置的定期自動(dòng)清洗，水質(zhì)傳感器的監(jiān)測準(zhǔn)確度得到明顯提高，且自清洗裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)與王祖剛[23]發(fā)明的太陽能水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測自動(dòng)清洗裝置、孫毅等[24]發(fā)明的具有電極自動(dòng)清洗和標(biāo)定的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)及單慧勇等[25]設(shè)計(jì)的傳感器射流清潔系統(tǒng)相比，具有體積小、成本低、安裝方便等特點(diǎn)，可用于多傳感器監(jiān)測系統(tǒng)。

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)傳感器監(jiān)控及自清洗裝置。該裝置采用傳感器支架可變形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理布設(shè)各種水質(zhì)傳感器，自清洗裝置可將位于水下的傳感器升至水上，方便養(yǎng)殖人員進(jìn)行維護(hù)或更換，并利用精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳感器探頭清洗。整個(gè)控制系統(tǒng)通過3層物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，利用ZigBee無線通信技術(shù)對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；設(shè)計(jì)的現(xiàn)場端觸摸屏以及便于用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問與管理的LabVIEW上位機(jī)監(jiān)控界面，可實(shí)現(xiàn)水質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)控與自清洗。試驗(yàn)結(jié)果表明，配置自清洗裝置的系統(tǒng)能準(zhǔn)確監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖各種水質(zhì)參數(shù)，且現(xiàn)場端觸摸屏和遠(yuǎn)程上位機(jī)可實(shí)時(shí)顯示參數(shù)的變化以及相應(yīng)的波形圖，可調(diào)取某一時(shí)期詳盡的參數(shù)分析報(bào)告供養(yǎng)殖人員參考，自清洗裝置可提高水質(zhì)傳感器的檢測精度。該系統(tǒng)具有良好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。