摘要:為解決魚塘管理系統測量誤差大、評估失準等問題，設計了魚塘多節點水質評估系統，該系統利用遙控手柄控制氣動船體運動，利用GPS/BDS雙模定位模塊對所監測水域進行空間與時間上的準確定位和時間同步，利用水質傳感器獲取魚塘的酸堿度、水溫及渾濁度，利用模糊分析法對魚苗生存適宜度進行綜合評估，利用WIFI、GPRS、GSM3種可切換的通訊方式將獲取的信息發送至App。測試結果表明，測量相對誤差在3%以內，可實現對魚苗的生存適宜度的綜合性評估。

　　關鍵詞:水質監測;魚苗生存適宜度評估;北斗衛星導航系統;無線通信

　　魚塘養殖產業發展迅速，養殖模式由傳統的粗放型向現代精養型養殖轉變[1]。現代魚塘管理系統的水質監測方法是通過RS232串口通訊對水質參數進行在線監測，這種方式監測點固定，數據準確率較低，當監測點較多時，需要多個監測終端，大大提高了水質監測的成本;大多數魚塘管理系統僅僅是實現了水質信息的獲取，并沒有對整體的魚塘水質情況進行綜合評估[2]。因此，本文提出了魚塘多節點水質評估系統，以更準確、更靈活的方式獲取相關信息，并將處理后的信息反饋至App，以便于相關監管部門的管理。

　　1系統總體設計

　　影響魚苗生存的因素主要有水溫、酸堿度以及渾濁度，為了改善傳統系統的缺點，設計了魚塘多節點水質評估系統，以氣動測量船為載體，在2.4G遙控手柄的控制下，完成對魚塘內的水質信息的動態實時監測，建立綜合評價模型對魚苗的生存適宜度進行綜合評估，并將處理后的信息通過WIFI/GPRS通訊網絡傳送至App。該系統由水質測量終端、手柄控制終端以及手機監測終端3部分組成。

　　水質測量終端的信息測量部分中DS18B20水溫傳感器、pH酸堿度傳感器、TS濁度傳感器可獲取魚塘某個節點的水溫值、酸堿度以及水的渾濁度，UM220模塊可獲取該節點的位置、時間信息，WIFI/GPRS模塊可將處理后的信息傳遞至遠程的App。運動控制部分中40A電調、1400kV無刷電機配合12V電源可為測量船提供充足的動力，舵機轉向板可為實現船體的轉向，MPU6050姿態傳感器可獲取船體的3軸傾斜角度，平衡舵機可根據船體的傾斜程度利用齒輪齒條機構調節船體的重心位置，以保持船體的平衡，提高水質信息測量的準確性。

　　手柄控制終端中的搖桿模塊可分別輸出x、y、z3個方向的模擬量，ArduinoUNO微處理器分別讀取搖桿模塊兩個方向的模擬量值，規定x方向的模擬量值控制船體的行進速度，y方向的模擬量值控制船體的轉向程度，分別將獲取到的x、y方向的模擬量值轉換成水質測量終端電機的PWM值以及舵機轉向板的角度值，并通過2.4G無線通訊模塊將PWM值以及角度值發送至水質監測終端，以此控制船體的運動。啟動按鍵按下時，測量船進行動平衡并開始測量水質信息。

　　2系統的詳細設計

　　水質監測終端由水質測量部分與運動控制部分組成，手柄控制終端由處理器、搖桿模塊以及無線通訊模塊構成，兩部分相互配合實現了水質信息的實時動態監測。UM220模塊、2.4G無線通訊模塊、WIFI模塊分別與控制器的硬件串口0(RXD)、1(TXD)，虛擬串口4(TXD)、7(RXD)，虛擬串口2(TXD)、3(RXD)連接，通過串口間AT指令實現信息通訊;平衡舵機x、y與舵機轉向板分別與控制器的PWM數字輸出端口9、10、5連接，控制器可實現對船體平衡與轉向的控制;電調與控制器的PWM數字輸出端口6連接，控制器可實現對船體動力輸出的控制。

　　水溫傳感器與控制器的數字量輸入端口11相連，控制器可精確讀取傳感器測得的水溫值;姿態傳感器MPU6050與控制器的IIC總線A4、A5連接，控制器可精確讀取船體的傾斜角度;濁度傳感器、酸堿度傳感器分別與控制器的模擬量輸入端口A0、A1連接，控制器可精確讀取傳感器測得的濁度值與pH值。水質測量部分與運動控制部分相結合，實現對魚塘各個節點水質信息的動態觀測。

　　2.4G模塊與控制器的串口端0(RXD)、1(TXD)連接，通過AT指令實現控制信息的發送;啟動按鍵與控制器的數字輸入端口3連接，搖桿模塊與控制器的模擬量輸入端口A4、A5連接，控制器讀取啟動按鍵與搖桿模塊的信號，將控制信號傳送至水質測量終端，實現了對水質測量終端的控制。

　　2.1UM220模塊設計

　　UM220模塊通過硬件串口0(RXD)、1(TXD)與處理模塊進行通信，由天線接收的射頻信號輸入至UM220的射頻輸入引腳，經處理后由UM220的串口將數據送至處理模塊做進一步處理[3]。為了得到需要的時間與空間信息，采用北斗/GPS雙模輸出的GNRMC、GNGGA以及GNZDA消息，其中GNRMC的消息格式為$GNRMC，hhmmss.ss，A，ddmm.mmmmmm，a，dddmm.mmmmmm，a，x.x，x.x，ddmmyy，x.x，a，a*hh[4]，設計中需要提取的有用信息包括經度和緯度，信息中的第3、4、5、6字段為需要提取的字段，這些字段分別代表緯度格式、南(北)緯、經度格式、東(西)經。以GNRMC信息為例對數據進行說明$GNRMC，025615.000，A，4155.271667，N，12324.141653，E，0.000，353.670，201215，，E，A*3F，由該條數據可知時間為2點56分15秒，定位狀態有效，緯度為北緯41.55271667°，經度為東經123.24141653°。

　　2.2水質信息測量模塊設計

　　水質信息測量方面涉及對水體的渾濁度、酸堿度以及水溫的測量，分別應用了TS濁度傳感器、pH酸堿度傳感器以及DS18B20水溫傳感器。TS濁度傳感器利用光學二極管和晶體管對特定波長的折射作用，來測量臟水的透光度或其他物質的濃度。光接收端把透過的光強度值轉換成對應電流的大小，透過的光越多，電流越大，反之越小[5]。

　　TS濁度傳感器連接在外接AD模塊上，信息通過AD轉換后，傳送至Arduino的模擬量輸入管腳“A0”，處理器通過讀取“A0”引腳的模擬量值，并利用該模擬量值與水渾濁度呈線性關系這一特征，得出魚塘該節點的渾濁度。pH傳感器可用來測量水溶液中的氫離子的活度[6]。pH傳感器通過外接的AD轉換模塊連接在Arduino的模擬量輸入端口“A1”上。

　　使用前，需要先對該傳感器進行校驗，將pH電極插入到pH=7.00的標準溶液中，記錄測量值與7.00之間的差值，將該差值作為程序中的修正系數寫入;由于所監測水域呈弱酸性，在使用前需要對pH計進行酸性校驗，將pH電極插入到pH=4.00的校準液中，調整增益電位器，使測量的pH值穩定在4.00左右[7]，完成檢驗后，便可使用pH傳感器進行測量。水溫傳感器DS18B20集成了溫度傳感器、配置寄存器、64位的ROM等構件[8]。Arduino的數字引腳“D11”與該傳感器的“DATA”引腳相連，讀取數字引腳上輸入的16位帶符號擴展的二進制補碼，通過進一步處理，進而得到相應的溫度值。

　　2.3運動控制部分設計

　　運動控制部分可分為船體動力結構設計與船體動平衡控制。通過氣動力力學理論設計了合理的船體機構。該船的動力驅動部分由高轉速電機以及轉向板組成;在動力驅動部分，高速轉動的電機旋轉使氣流高速通過后面的風道，當轉向板位于中間位置時，將推動船直線行進，當轉向板轉動時，會導致兩邊風道的風速不一致，從而迫使船體轉向[9]。

　　這樣便可以通過控制舵機轉向板的轉動角度來控制船體的航向。船體的動平衡控制部分由x、y、z3個方向的平衡舵機、平衡齒輪齒條機構以及MPU6050姿態傳感器組成。當手柄控制終端的啟動按鍵按下時，船體啟動平衡程序，平衡齒輪齒條機構安裝在系統的重心處，每個齒條的兩端都分別附有重量為1kg的重物，通過控制平衡舵機旋轉的角度，控制齒條上重物的位置，進而調整船體在x、y方向的重心位置。MPU6050傳感器可實時監測船體在x、y方向上的偏轉角度，通過兩個方向的角度值的大小，控制平衡舵機的旋轉角度，并最終達到船體的平衡。

　　2.4無線通訊模塊設計

　　采用SIM900A模塊作為GPRS/GSM模塊，該模塊有GSM與GPRS兩種通訊方式[10]。選用ESP8266模塊作為WIFI通訊模塊，選用AP模式作為本系統的控制的模式。利用AT指令對WIFI模塊進行配置，發送“AT+CWMODE=2”設置通訊模式為AP模式;發送“AT+CWSAP=“monitoring”，“12345678”，1，3”，設置WIFI名稱為monitoring，密碼為12345678;發送“AT+CIPMUX=1”設置模塊為多路連接模式，發送“AT+CIPSERVER=1，8080”開啟SERVER模式，端口號為8080。App即可通過輸入相應的IP地址與端口號與WIFI熱點進行連接。采用GSM、GPRS與WIFI3種信息通訊方式的交互模式，實現信息的遠程傳輸。

　　2.52.4G模塊設計

　　2.4G無線傳輸為水質測量終端的控制建立了良好的信息傳遞渠道[11]。設計中選用兩個2.4G無線通訊模塊分別作為信息的發射模塊1與信息的接收模塊2。分別對兩個2.4G無線通訊模塊輸入“AT+RESET”使模塊初始化，對模塊1輸入“AT+TID=1234567890”，設置模塊發送ID為:1234567890，模塊2輸入“AT+RID=1234567890”，設置模塊的接收ID為:1234567890。通過兩個模塊的串口交互便可實現對水質測量終端的控制。

　　3系統軟件設計

　　系統軟件設計主要包括以下幾個任務:GPS/北斗模塊輸出數據接收處理、魚苗生存適宜度評估模型的建立、WIFI/GPRS/GSM傳輸方式的交互、手柄控制終端對船體的運動控制、手機App接收信息等。

　　3.1定位信息的獲取

　　GPS/北斗模塊正常工作時能接收到8種不同類型的導航電文，而設計中只用雙模最簡導航數據，因此，事先配置GPS/北斗模塊，令其只輸出雙模最簡導航數據信息。接收并處理導航信息的流程為:首先初始化串口，當GPS/北斗模塊接收到信號時，將變量flag_rec賦值為1，串口產生中斷，并判斷是否是有效定位$GNRMC，若是有效的定位，將以“，”為數據節點，將數據存入變量flag_data，并對變量flag_data中的數據進行處理，其中變量byte_count用來存儲數據中檢測到“，”的次數，以此決定該條數據是否已經解析完畢[12]。

　　3.2多節點水質綜合評估模型

　　魚塘中魚苗適宜的生存溫度為16℃～25℃，pH值為7.5～8.5，渾濁度為5JTU～9JTU，利用水溫、pH值、渾濁度3個指標來對水質進行綜合性評估。為了使選取的測量節點更具有代表性，測量時隨機選取4個相距距離大于20m的節點作為測量節點(測量節點間的距離可根據UM220模塊獲取的經緯度計算得出)，并將這4個節點獲取指標的平均值作為最終的測量結果。

　　4結論

　　文中研究了水質信息的測量、北斗模塊位置時間信息的獲取、多節點水質評估模型的建立、無線傳輸方式的切換、手機App設計等方面的內容，對系統的硬件和軟件進行了詳細設計，并對系統進行了實驗測試。結果顯示:該系統實現了水質信息、時間空間信息的獲取以及遠程傳輸、接收等功能。該系統功能完備，通過硬件與軟件的結合實現了對魚塘水質信息的獲取與評估。通過該系統的建立能夠減輕相關監管人員的工作量，大大提高了魚塘監管工作的高效性、科學性及掌控能力。

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