面向漁業水域的水質檢測機器人設計*

張澤彤，徐 喆，佟石磊，盧鴻任，楊藝昕，陳興文，劉 燕

(大連民族大學信息與通信工程學院，遼寧 大連 116605)

0 引言

在水產養殖生產中，要求對池塘、水庫、工廠化養魚池等多種水體的水質進行實時監控，如養殖場、育苗場水源必須檢測確定無化學污染源。養殖過程中，為了預測水質變化趨勢，及時調整水質，每天要多次測定溫度、pH值，溶解氧、氨氮、亞硝酸鹽，硫化物等水質指標[1]。國內用于水產養殖的水質檢測儀器一般都是離線式的實驗室檢測方式，需要取樣，檢測結果反饋周期長，難以保證水產養殖的安全。

本裝置具有成本低、體積小、操作靈活等優點，實現了遠程的智能化控制以及水質的檢測數據的實時傳輸。潛在市場需求很大，可以在國內迅速推廣，有較好的應用前景和推廣價值。

1 系統的整體設計

水質檢測機器人主要由電氣控制和機械執行兩部分組成。電控部分主要由STM32單片機控制模塊、濁度傳感器模塊、pH傳感器模塊、溶氧度傳感器模塊、WiFi無線通訊通信模塊、驅動模塊、電源模塊組成，如圖1所示。機械部分包括機器人整體結構。

圖1 系統總體功能框圖

2 硬件部分設計

2.1 pH值測量調理電路

池水的酸堿度(pH值)既影響魚類的生長生活，又影響到池水中的營養素。而且水環境中出現的任何自然現象、化學變化以及人們漁業生產活動都會帶來養殖水域的pH值變化。因此pH測量值是水質檢測的重要指標。目前在水質環境監測中應用較廣的是玻璃電極傳感器，其具有測量范圍寬、重復性好、穩定性高、精度高、環境適應范圍廣等特點。本系統中選用上海雷磁E-201-C可充式pH電極傳感器，采用玻璃電極和參比電極組合在一起的復合結構，電壓毫伏級輸出，具有輸入阻抗高的特點及溫度與電壓自動補償功能[2]。其測量是利用玻璃電極與參比電極的電位差的輸出數值和被測液體的pH值呈線性關系實現的。

當復合電極形成的電位差等于零時，表明被測溶液的pH值為7(即為中性)；當復合電極形成的電位差小于零時，表明被測溶液的pH值大于7(即為堿性)；當復合電極形成的電位差大于零時，表明被測溶液的pH值小于7(即為酸性)。為了滿足STM32單片機的A/D接口的電平大小和極性以及傳感器的高輸入阻抗特性的需求，pH值信號檢測與調理接口電路如2圖所示。

圖2 pH值信號檢測與調理接口電路

2.2 濁度測量調理電路

水的渾濁度主要由水中的無機物和有機物引起，渾濁度過高可影響水味和顏色，其中顆粒物可以吸附或包藏病毒和細菌等有毒有害物質。濁度測量原理是利用傳感器模組內部集成紅外對管的發射與接收，利用接收管光強與輸出的模擬電壓之間線性來測量的，實際就是采用散射率和透光率來綜合判斷濁度值。當水質清澈時，光線的穿透量就越大，對應的輸出電壓信號就大；反之則表示水質越渾濁。其調理接口電路如圖3所示，傳感器輸出的信號經過C1的濾波處理，再經運放進行放大處理，最后將信號輸出到STM32的A/D轉換器，轉換后的值可直接用STM32進行處理。

圖3 濁度傳感器調理電路

2.3 溶氧度調理電路

系統應用極譜式原理的DO溶氧電極來測量,以鉑金(Pt)作陰極，Ag/AgCl作陽極,電解液為0.1M氯化鉀(KCl)。測量時，在陽極和陰極間加上極化電壓，氧通過滲透膜在陰極消耗，透過膜的氧量與水中溶解氧濃度成正比，因而電極間的極限擴散電流與水中溶解氧濃度成正比，通過檢測此電流并經運算變換成氧濃度。同時熱敏電阻檢測溶液的溫度，并對溶氧濃度進行溫度補償。其調理電路接口如圖4所示。

圖4 溶氧度調理電路

2.4 控制系統設計

機器人控制系統主要由STM32主控板、機舵機驅動、A/D采集以及水陸圖像傳輸等組成。由STM32主控制板發出對水上機器人的運動及水樣數據采集等命令。當系統開始工作時，通過遙控器發出WiFi串口控制指令，STM32接收到指令后，啟動巡游水質采樣工作[3]。

為保障能夠避開水面上障礙順利開展采集工作，系統采用利用WiFi數據通信對水面作業情況進行圖像采集。其具體過程是手機端與機器人端的路由器之間無線通信，STM32單片機串口與路由器相連，這樣實現了水陸之間無線通信。圖像采集使用數字攝像頭，通過手機端啟動就可以實時顯示水面作業的情況。

3 系統程序流程設計

使用C語言對機器軟件控制系統進行設計，由運動控制、傳感器采集、無線通信模塊三部分功能程序組成。首先初始化系統進行設定系統的初始信息設置，機器人通過接收地面端控制信號來控制機器人。當接收到運動信號時，通過指定引腳輸出不同占空比的PWM波信號來控制舵機的擺動，從而實現機器人的前進、轉彎動作。當接收到傳感器采集信號時STM32將啟動A/D轉換，通過傳感器采集水質的情況，并通過無線通信模塊將采集到的水質信息傳送到地面工作人員。系統的程序流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

4 結束語

水上機器人在當今的各個領域中被廣泛使用，本裝置通過各個傳感器的配合，對水質進行實時檢測，是多學科應用的新探索，也是對水質多參數實時、動態、連續監測測量前期工作的新嘗試。水質檢測機器人在其他科學領域也有廣闊的應用前景，它的應用使水質檢測技術向智能化、自主化又邁進了一步。