CN111183945B - 一种水质与流速传感融合的水产养殖监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水质与流速传感融合的水产养殖监控系统。所述监控系统中的模拟量隔离电路分别与水质传感模块、纤毛式流速传感模块以及MCU处理器相连接；MCU处理器、无线通讯模块以及上位机依次连接；纤毛式流速传感模块包括压力传感器和纤毛微结构；当所述压力传感器周围发生流速变化时，所述纤毛微结构在流速的作用下受力发生应变，带动底部的所述压力传感薄膜受力变形，产生动态电信号；水质传感模块用于监测指定水域的水质信息，MCU处理器将动态电信号以及水质信息通过所述无线通讯模块传输至所述上位机；所述上位机用于对所述动态电信号以及所述水质信息进行融合处理，以监测养殖对象的健康状态，从而提高养殖对象的健康状态的监测精度。
Description
技术领域
本发明涉及水质监测领域，特别是涉及一种水质与流速传感融合的水产养殖监控系统。
背景技术
水产养殖中水质的好坏直接影响着水产作物的生长和发育，也直接关系着养殖户的收益。目前水产的养殖户在水质方面往往并不重视监测，过程监控完全依赖于技术员的经验，如对“水的光亮”、“生物的状态”、“水产品的活跃状况”等进行人工估测，虽然能起到一定的效果但是仍旧避免不了由水质造成的水产品减产或者死亡的事件发生。面向海洋水产养殖集约、生态和安全的发展需求，基于智能传感技术、智能处理技术及智能控制等物联网技术的智能水产养殖系统，目前已可实现温度、溶解氧、PH、盐度等的水质环境监控。然而，由于缺乏适于生物水动力学低频信息的传感器，养殖对象总体活动情况仍无有效的探测方法，无法将水质信息与鱼类活动信息有机融合以评估养殖对象的健康状态。例如专利CN109765952A提出的一种智能水产控制终端及系统，通过传感器模块得到监测指定水域的水质参数，通过GPRS模块发送至网络云端。但该专利发明仅能感知水质信息，无法对水质改变是否由鱼类活动所导致进行分辨，缺乏精准度。
发明内容
本发明的目的是提供一种水质与流速传感融合的水产养殖监控系统，以解决现有水质监测系统无法将水质信息与鱼类活动信息进行有机融合，从而无法评估养殖对象的健康状态的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种水质与流速传感融合的水产养殖监控系统，所述监控系统包括：水质传感模块、纤毛式流速传感模块、模拟量隔离电路、微控制单元MCU处理器、无线通讯模块以及上位机；
所述模拟量隔离电路分别与所述水质传感模块、所述纤毛式流速传感模块以及所述MCU处理器相连接；所述MCU处理器、所述无线通讯模块以及所述上位机依次连接；
所述纤毛式流速传感模块包括压力传感器和纤毛微结构；所述纤毛微结构的根部粘接于所述压力传感器的压力传感薄膜上，当所述压力传感器周围发生流速变化时，所述纤毛微结构在流速的作用下受力发生应变，带动底部的所述压力传感薄膜受力变形，产生动态电信号；所述动态电信号用于对水产活动进行监测；所述水质传感模块用于监测指定水域的水质信息，并将所述水质信息发送至所述MCU处理器；所述MCU处理器用于接收所述动态电信号，并将所述动态电信号以及所述水质信息通过所述无线通讯模块传输至所述上位机；所述上位机用于对所述动态电信号以及所述水质信息进行融合处理，以监测养殖对象的健康状态。
可选的，所述压力传感器为压阻式压力传感器，所述纤毛微结构的纤毛长径比不小于20：1。
可选的，所述MCU处理器、所述模拟量隔离电路以及所述无线通讯模块设于浮筏内，所述水质传感模块与纤毛式流速传感模块设于集合管内；所述浮筏设于所述集合管的上部。
可选的，所述纤毛式流速传感模块包括多个；多个所述纤毛式流速传感模块布设于所述集合管的壳体外表面。
可选的，所述水质传感模块具体包括：温度传感器、酸碱值PH传感器、电导率EC传感器、氧化还原电位ORP传感器以及溶解氧DO传感器；
所述水质传感模块以圆周阵列方式设于所述集合管上，所述水质传感模块的传感信号通过所述模拟量隔离电路传输到所述MCU处理器中。
可选的，所述温度传感器型号为DS18B20；所述酸碱值传感器型号为 Gravity:Analog pH Sensor V2；所述电导率传感器型号为Gravity:Analog EC Sensor V2；氧化还原电位传感器型号为Gravity:Analog ORP Sensor；溶解氧传感器型号为Gravity:AnalogDO Sensor。
可选的，所述水质传感模块与所述纤毛式流速传感模块之间的距离不小于30cm。
可选的，还包括：放大电路；
所述放大电路设于所述纤毛式流速传感模块与所述模拟量隔离电路之间；所述放大电路内设有INA333放大芯片；所述放大电路通过INA333放大芯片进行两级放大；第一级放大用于消除传感器信号的漂移；第二级放大用于将电压信号放大到与所述MCU处理器的最小分辨率相匹配的电压信号。
可选的，还包括：供电模块；
所述供电模块分别与所述水质传感模块、所述纤毛式流速传感模块、所述模拟量隔离电路以及所述MCU处理器电连接；所述供电模块用于为所述水质传感模块、所述纤毛式流速传感模块、所述模拟量隔离电路以及所述MCU处理器进行供电。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种水质与流速传感融合的水产养殖监控系统，通过水质传感模块进行水质监测，得到水质信息，并通过纤毛式流速传感模块得到的动态电信号(即流场变化信息)对鱼类活动进行监测，并将水质信息以及动态电信号通过MCU处理器无线传输到上位机中，上位机以动态电信号为反馈信号修正水质信息，实现水质与鱼类活动的复合监测，从而将水质信息与鱼类活动信息有机融合以评估养殖对象的健康状态，提高养殖对象的健康状态的监测精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的水质与流速传感融合的水产养殖监控系统结构图；
图2为本发明所提供的水质与流速传感融合的水产养殖监控系统的整体结构图；
图3为本发明所提供的集合管的结构示意图；
图4为本发明所提供的上位机程序前面板示意图；
图5为本发明所提供的放大电路的原理示意图；
图6为本发明所提供的纤毛式流速传感模块中纤毛对流速感知能力影响的实验结果图；图6的(a)为本发明所提供的有无纤毛对传感器流速感知能力影响实验示意图；图6的(b)为本发明所提供的在不同流速中有纤毛与无纤毛传感器输出电压信号图；
图7为本发明所提供的纤毛式流速传感模块感知偶极子振动实验的实验结果图；图7的(a)为本发明所提供的偶极子振动实验示意图；图7的(b)为本发明所提供的在静水中当偶极子距离传感器50mm时传感器感受到的快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)信号图；图7的(c)为本发明所提供的在静水中当偶极子距离传感器90mm时传感器感受到的FFT信号图；图7的(d) 为本发明所提供的在流速0.061m/s的水洞中当偶极子距离传感器50mm时传感器感受到的FFT信号图；图7的(e)为在流速0.061m/s的水洞中当偶极子距离传感器90mm时传感器感受到的FFT信号图；
图8为本发明所提供的纤毛式流速传感模块感知不同数量鱼群的实验结果图；
图9为本发明所提供的水质信息监测分析流程图。
符号说明：1.无线通讯模块；2.浮筏；3.载重块；4.集合管；5.纤毛式流速传感模块；6.保护盖；7.酸碱度传感器；8.电导率传感器；9.溶解氧传感器；10. 氧化还原电位传感器；11.温度传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种水质与流速传感融合的水产养殖监控系统，将水质信息与鱼类活动信息有机融合以评估养殖对象的健康状态，提高养殖对象健康状态的监测精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-图4所示，一种水质与流速传感融合的水产养殖监控系统，所述监控系统包括：水质传感模块、纤毛式流速传感模块、模拟量隔离电路、微控制单元(MicrocontrollerUnit，MCU)处理器、无线通讯模块以及上位机。所述模拟量隔离电路分别与所述水质传感模块、所述纤毛式流速传感模块以及所述 MCU处理器相连接；所述MCU处理器、所述无线通讯模块以及所述上位机依次连接；所述纤毛式流速传感模块包括压力传感器和纤毛微结构；所述纤毛微结构的根部粘接于所述压力传感器的压力传感薄膜上，当所述压力传感器周围发生流速变化时，所述纤毛微结构在流速的作用下受力发生应变，带动底部的所述压力传感薄膜受力变形，产生动态电信号；所述动态电信号用于对水产活动进行监测；所述水质传感模块用于监测指定水域的水质信息，并将所述水质信息发送至所述MCU处理器；所述MCU处理器用于接收所述动态电信号，并将所述动态电信号以及所述水质信息通过所述无线通讯模块传输至所述上位机；所述上位机用于对所述动态电信号以及所述水质信息进行融合处理，以监测养殖对象的健康状态。
所述MCU处理器以及供电模块、放大电路、模拟量隔离电路、无线通讯模块，安装于上部浮筏结构内，所述水质传感模块与纤毛式流速传感模块安装于下部集合管结构；所述水质传感模块用于监测指定水域的水质参数，并将所述水质信息发送至所述MCU处理器。
所述纤毛式流速传感模块由高灵敏度压力传感器和纤毛微结构构成，纤毛根部粘接于压阻传感器的薄膜上；当传感器周围发生流速变化时，纤毛在流速的作用下受力发生应变，带动底部压力传感薄膜受力变形，从而产生动态电信号。所述纤毛式流速传感模块通过对流场的感知得到鱼类活动信息，纤毛式流速传感模块产生的电压信号通过放大电路，经过电压放大与滤波处理之后，输入所述MCU处理器中。
在实际应用中，可以安装三路纤毛式流速传感模块5，三路传感器环绕传感器集合管壳体4以每间隔120°安装一个，保证感知到传感器周围360°范围内的流场变化；所述纤毛式流速传感模块，其所用的压力传感器为 MS5401-AM，灵敏度为240mV/bar；所用的纤毛长径比不小于20：1，可将微小的应变放大。
图5为本发明所提供的放大电路的原理示意图，如图5所示，放大电路通过INA333放大芯片进行两级放大，由参考电阻Rg来控制放大芯片的方法倍数。第一级放大用于消除传感器信号的漂移，第二级方法用于将微小的电压信号放大到匹配MCU处理器能分辨的最小分辨率；放大后的信号经过RC滤波电路进行低频滤波，削减环境噪音的干扰。
在实际应用中，所述水质传感模块包括温度传感器，酸碱值PH传感器，电导率(Electro-Conductivity，EC)传感器，氧化还原电位(Oxidation-Reduction Potential,ORP)传感器，溶解氧DO传感器，上述传感器组以圆周阵列安装于传感器集合管上，传感信号通过隔离电路后传输到MCU处理器中；其中，所述温度传感器型号为DS18B20，所述酸碱值传感器型号为Gravity:Analog pH Sensor V2，所述电导率传感器型号为Gravity:Analog ECSensor V2(k＝1)，氧化还原电位传感器型号为Gravity:Analog ORP Sensor，溶解氧传感器型号为 Gravity:Analog DO Sensor。
上述水质传感模块呈圆周阵列安装于传感器集合管4上，传感信号通过模拟量隔离电路后传输到MCU处理器中；所述水质传感模块与纤毛式流速传感模块之间的距离不小于30cm，当水质传感器与纤毛式流速传感模块5之间的距离大于最小预设距离时，防止集合管4和水质传感器对纤毛式流速传感模块 5周围的流场产生干扰。
浮筏2的下部装有载重块3，用于降低整个装置的重心，提高浮筏在水中的稳定性，避免被水流冲离测量区域。
在实际应用中，所述水产养殖监控系统在基础的水质传感模块获取的信号上，通过对流场信息的分析，提高水质信息的监测精确程度。MCU处理器将收集到的生物活动信号可作为反馈信号，通过算法修正水质参数的测量结果，减小系统误差。
在实际应用中，所述MCU处理器收集到传感器的水质信号与流速信号后，将信号通过无线通讯模块发送到可以远距离稳定传输的网桥，最后传输到与无线网桥相连接的上位机中；所述MCU处理器即微控制单元，又称单片微型计算机或者单片机，是把中央处理器的频率与规格做适当缩减，并将内存、计数器、USB等周边接口都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机；所述MCU 处理器为不同的应用场合做不同组合控制，在本发明中使用ATmega328型号芯片，实现收集处理输入信息的功能。
在实际应用中，所述供电模块用于将电池的7.4V输出转换为其他模块正常工作所需的5V电压，供电模块的电源接口与电池相连接，电源转换单元与模拟量隔离电路、MCU处理器、无线通讯模块、放大电路、以及传感器模块相连接，提供稳定工作电压。
在实际应用中，所述模拟量隔离模块用于进行传感器模块的电气隔离，为保证传感器模块稳定可靠的运行，需要把信号与电源都隔离起来。防止共用一个电源、在同一个容器中测量所产生的相互干扰。
在实际应用中，所述无线通讯模块用于将MCU处理器采集到的数据传输到上位机程序中。其中无线拓展模块与MCU处理器相连接，将MCU采集到的信号无线传输出去；无线网桥与无线拓展版和上位机进行无线连接，将无线传输出来的数据发送到上位机程序上进行实时显示；无线网桥可以与多个无线拓展模块连接，即可以传输多组水质传感模块的信号；所述无线通讯模块将天线延伸出上部浮筏，减少壳体对无线信号的阻挡削弱。
在实际应用中，所述上位机使用LabVIEW2018软件进行搭建，可以实时显示水质传感模块与纤毛式流速传感模块采集到的信息，并将信息同步保存于 excel表格中，方便进行数据整理。
图6为本发明所提供的纤毛式流速传感模块中纤毛对流速感知能力影响的实验结果图，如图6所示，从实验结果可以看出，对比没有纤毛的流速传感器，有纤毛的流速传感器对流场变化的感知灵敏度显著增强。
图7为本发明所提供的纤毛式流速传感模块感知偶极子振动实验的实验结果图，如图7所示，偶极子小球直径为25mm，以18Hz的频率进行持续振动，实验结果如图7的(b)、(c)、(d)、(e)，通过实验结果图发现，无论在静水中还是具有一定流速的动水中，纤毛式流速传感模块都能明显感知到偶极子的振动。
图8为本发明所提供的纤毛式流速传感模块感知不同数量鱼群的实验结果图，如图8所示，在尺寸0.3×0.15×0.2m的鱼缸中鱼群密度分别为16尾/1m2和48尾/1m2时传感器的输出电压信号图。从实验结果可以看出，当一定区域内鱼群密度增多时，传感器感知到的流速信号的峰峰值与频率都有明显的提高；在多次实验中，感知高密度鱼群的情况下传感器输出电压的平均值明显大于感知低密度鱼群的情况。这证明了传感器对于不同密度鱼群具有感知能力。
图9为本发明所提供的水质信息监测分析流程图，如图9所示，MCU处理器在基础的水质传感模块获取的信号上，通过对流场信息的分析，提高水质信息的监测精确程度。MCU处理器将收集到的生物活动信号可作为反馈信号，通过算法修正水质参数的测量结果，减小系统误差。
本发明的具体工作过程为：
步骤1：根据养殖水域的具体情形，将水质监测系统安装于需要长期进行水质监测的采样点。
步骤2：将传感器组进行防水处理后放入监测点处水中。
步骤3：使用供电模块对其他模块进行供电，启动MCU处理器，MCU将自动通过无线拓展模块连接到无线网桥。
步骤4：将上位机与无线网桥进行无线连接。
步骤5：传感器模块根据MCU处理器发出的指令每1分钟传递一次水质信号，每1秒传递一次流速信号。
步骤6：MCU处理器对采集到的水质信号进行处理分析，接受流速信号所推演到的鱼群信息的反馈，检测水质信号的异常是否是由于检测区域内鱼群活动异常引起的。
步骤7：MCU将传感器采集到的信号通过无线拓展模块传输到连接着无线网桥的上位机上。
步骤8：上位机通过LabVIEW程序，实时监控水质情况，并同步将水质信息保存在以采样时间年月日时进行命名的excel表格中。若水质异常，则上位机程序发出警报，提醒监测人员。
综上所述，本发明与现有技术相比具有以下增益效果：
①本发明提供的纤毛式流速传感模块，通过大长径比的纤毛微结构提高灵敏度，能够通过流场信息感知到鱼类的活动信息。
②本发明提供的水质与流速传感融合的水产养殖监控系统可以把水质信号与流速信号通过算法进行有机融合，将流速信号作为反馈，提高水质信号的精准度。
③本发明提供的水质与流速传感融合的水产养殖监控系统可对养殖水域全时域多状态的水质信息进行自动监测，并将水质信息无线传输到上位机程序中。确保数据存储的安全性、传输的稳定性，并在水质信号异常时发出报警提示。
④本发明提供的传感器模块化设计，方便进行扩展和更换，成本降低，适合于大型养殖户、养殖场使用。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种水质与流速传感融合的水产养殖监控系统，其特征在于，所述监控系统包括：水质传感模块、纤毛式流速传感模块、模拟量隔离电路、微控制单元MCU处理器、无线通讯模块以及上位机；
所述模拟量隔离电路分别与所述水质传感模块、所述纤毛式流速传感模块以及所述MCU处理器相连接；所述MCU处理器、所述无线通讯模块以及所述上位机依次连接；
所述纤毛式流速传感模块包括压力传感器和纤毛微结构；所述纤毛微结构的根部粘接于所述压力传感器的压力传感薄膜上，当所述压力传感器周围发生流速变化时，所述纤毛微结构在流速的作用下受力发生应变，带动底部的所述压力传感薄膜受力变形，产生动态电信号；所述动态电信号用于对水产活动进行监测；所述纤毛式流速传感模块通过对流场的感知得到鱼类活动信息；纤毛式流速传感模块环绕传感器集合管壳体以每间隔120°安装一个，保证感知到传感器周围360°范围内的流场变化；所述水质传感模块用于监测指定水域的水质信息，并将所述水质信息发送至所述MCU处理器；所述MCU处理器用于接收所述动态电信号，并将所述动态电信号以及所述水质信息通过所述无线通讯模块传输至所述上位机；所述上位机用于对所述动态电信号以及所述水质信息进行融合处理，以监测养殖对象的健康状态；水质传感模块呈圆周阵列安装于传感器集合管上，传感信号通过模拟量隔离电路后传输到MCU处理器中；所述水质传感模块与纤毛式流速传感模块之间的距离不小于30cm，当水质传感器与纤毛式流速传感模块之间的距离大于最小预设距离时，防止集合管和水质传感器对纤毛式流速传感模块周围的流场产生干扰；MCU处理器将收集到的生物活动信号作为反馈信号，通过算法修正水质参数的测量结果，减小系统误差。
2.根据权利要求1所述的水质与流速传感融合的水产养殖监控系统，其特征在于，所述压力传感器为压阻式压力传感器；所述纤毛微结构的纤毛长径比不小于20：1。
3.根据权利要求1所述的水质与流速传感融合的水产养殖监控系统，其特征在于，所述MCU处理器、所述模拟量隔离电路以及所述无线通讯模块设于浮筏内；所述水质传感模块与所述纤毛式流速传感模块设于集合管内；所述浮筏设于所述集合管的上部。
4.根据权利要求3所述的水质与流速传感融合的水产养殖监控系统，其特征在于，所述纤毛式流速传感模块包括多个；多个所述纤毛式流速传感模块布设于所述集合管的壳体外表面。
5.根据权利要求3所述的水质与流速传感融合的水产养殖监控系统，其特征在于，所述水质传感模块具体包括：温度传感器、酸碱值PH传感器、电导率EC传感器、氧化还原电位ORP传感器以及溶解氧DO传感器；
所述水质传感模块以圆周阵列方式设于所述集合管上，所述水质传感模块的传感信号通过所述模拟量隔离电路传输到所述MCU处理器中。
6.根据权利要求5所述的水质与流速传感融合的水产养殖监控系统，其特征在于，所述温度传感器型号为DS18B20；所述酸碱值传感器型号为Gravity:AnalogpH SensorV2；所述电导率传感器型号为Gravity:Analog EC SensorV2；所述氧化还原电位传感器型号为Gravity:Analog ORP Sensor；所述溶解氧传感器型号为Gravity:Analog DO Sensor。
7.根据权利要求3所述的水质与流速传感融合的水产养殖监控系统，其特征在于，所述水质传感模块与所述纤毛式流速传感模块之间的距离不小于30cm。
8.根据权利要求1所述的水质与流速传感融合的水产养殖监控系统，其特征在于，还包括：放大电路；
所述放大电路设于所述纤毛式流速传感模块与所述模拟量隔离电路之间；所述放大电路内设有INA333放大芯片；所述放大电路通过INA333放大芯片进行两级放大；第一级放大用于消除传感器信号的漂移；第二级放大用于将电压信号放大到与所述MCU处理器的最小分辨率相匹配的电压信号。
9.根据权利要求1所述的水质与流速传感融合的水产养殖监控系统，其特征在于，还包括：供电模块；
所述供电模块分别与所述水质传感模块、所述纤毛式流速传感模块、所述模拟量隔离电路以及所述MCU处理器电连接；所述供电模块用于为所述水质传感模块、所述纤毛式流速传感模块、所述模拟量隔离电路以及所述MCU处理器进行供电。
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