水质监测大论文.docx
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水质监测大论文
分类号密级
UDC编号
硕士学位论文
多参数水质监测系统的研究与实现
Researchandimplementationofmultiparameterwaterqualitymonitoringsystem
指导教师赵德安
作者姓名刘礼亚
申请学位级别硕士专业名称控制理论与控制工程
论文提交日期2014年5月论文答辩日2014年6月
学位授予单位和日期江苏大学2014年6月
答辩委员会主席
评阅人
独创性声明
本人郑重声明:
所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已注明引用的内容以外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果,也不包含为获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名:
年月日
学位论文版权使用授权书
江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊(光盘版)电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
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论文的公布(包括刊登)授权江苏大学研究生处办理。
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本学位论文属于不保密□。
学位论文作者签名:
指导教师签名:
年月日年月日
摘要
当代水产养殖正逐步从传统的养殖方式向集约化、工业化、自动化转化,人们对水产品的品质要求也越来越高。
养殖水体的水环境很大程度上影响着养殖水产品的品质,这就对水质监测系统提出了新的要求。
结合我国国情,成本低廉、检测精度高、检测速度快的水质监测设备是当前我国水产养殖业所急需的。
当前有不少相关研究,研究方向有系统集成化、网络化等。
而检测传感器间的相互耦合关系及养殖水体和硬件电路中的噪声干扰给检测带来了困难。
本文从对传感器的原理出发,推导了温度、DO(溶解氧)和PH(酸碱度)的测量方法,重点分析了DO和PH同时测量时串扰的产生原因,并在此基础上提出了硬件上采用电源隔离阻断耦合关系、软件上采用相关分析算法去噪的解决办法。
首先,根据对电化学传感器的原理进行了详细分析,提出传感器的模型及同时测量时的电路模型,并在此基础上分析系统设计时要处理的问题,确定了系统的整体设计方案。
详细的论述了系统硬件的设计,包括电源管理模块、测量参数的调理模块、通讯模块等。
选取了Core-M3核的STM32系列单片机作为整个系统的核心处理芯片,并将μC/OS-Ⅱ实时操作系统嵌入到STM32中。
其次,基于水环境的复杂性,采样信号中夹杂着白噪声信号的实际情况,选用相关分析法去除夹杂在采样信号中的噪声信号。
重点介绍了相关分析法的原理、除噪方法及计算方法,并将相关分析法应用到本系统中。
再次,在软件设计过程中对实时操作系统进行了资源划分和任务分配,并对串口、AD、标定方法等重要的程序模块进行了说明,重点对相关分析法的软件实现进行了说明。
最后,在整体系统测试部分,首先通过和MATLAB对比的方法验证了相关分析算法的正确性。
然后组建测试系统,进行了测试实验,取得了大量的实验数据,验证了测量方法的正确性。
同时和哈希的多参数水质分析仪进行了对比实验,实验结果表明系统测量结果满足要求。
关键词水质监测;水产养殖;自相关分析;STM32
Abstract
Modernaquacultureisgraduallytransformingfromthetraditionalfarmingtointensive,industrialization,automation,atthesametime,peopleareincreasinglyhighdemandsonthequalityofaquaticproducts.Waterenvironmentofaquaculturewatergreatlyaffectsthequalityofaquaticproducts,whichputsforwardnewrequirementsonthequalitymonitoringsystem.CombinedwithChina'snationalconditions,waterqualitymonitoringequipment,lowcost,highdetectionprecision,highdetectionspeed,iscurrentChineseaquacultureindustryneeds.Therearecurrentlymanyrelatedresearch,researchdirectionofsystemintegration,networketc..Butit,couplingrelationshipbetweensensorsandthenoisejamminginthewaterandthehardwarecircuit,bringsdifficultytodetection.Accordingtotheprincipleofthesensor,thispaperderivesmeasurementmethodsoftemperature,DO(dissolvedoxygen)andPH(PH),focusontheanalysisofthecausesofcrosstalk,simultaneousmeasurementofDOandPH,andputsforwardthesolution,usingpowersupplyisolationtoblockcouplingrelationshiponthehardwareandusingcorrelationanalysisalgorithmtoremovenoiseinthesoftware.
Firstly,accordingtotheprincipleoftheelectrochemicalsensorisanalyzedindetail,thecircuitmodelandthemodelofthesensormeasurements,andonthisbasistoprocessingandanalysissystemdesignproblems,determinetheoveralldesignschemeofthesystem.Describedindetailthedesignofhardware,includingpowermanagementmodule,parameteradjustingmodule,communicationmodule. SelecttheSTM32seriesMCUCore-M3coreasthecoreprocessingchipofthewholesystem,andμC/OS-Ⅱreal-timeoperatingsystemembeddedinSTM32.
Secondly,basedonthecomplexityofwaterenvironmentandthesamplingsignalmixedwithnoisesignals,thispaperusethecorrelationanalysismethodtoremovenoisesignalfromthesamplingsignal.Thispapermainlyintroducestheprinciple,themethodofcorrelationanalysisdenoisingmethodandcalculationmethod,whichisappliedtothissystem.
Thirdly,intheprocessofsoftwaredesign,thispaperdividesoftheresource,assignstaskbasedonthereal-timeoperatingsystem,anddescribestheserialport,AD,calibrationmethodandotherimportantprogrammodules,then,mainlyexplainsthesoftwarerealizationofcorrelationanalysis.
Finally,intheoverallsystemtestpart,firstlytovalidatethecorrelationalgorithmbycomparisonwithMATLAB.Thenthetestsystemisbuilt,testedtogetalargenumberofexperimentaldata,whichvalidatesthemeasurementmethod.Then,thispapermakeacomparisonexperimentswithHACHmultiparameterwaterqualityanalyzer,theexperimentalresultsshowthatthesystemcanmeettherequirementofmeasurementresults.
KeywordsWaterqualitymonitoring;Aquaculture;Correlationanalysis;STM32
目录
第一章绪论1
1.1课题研究的目的和意义1
1.2国内外的研究现状2
1.2.1水质在线监测技术在国外的发展状况2
1.2.2水质在线监测技术在国内的发展状况4
1.3本文的主要工作和内容安排5
第二章水质监测系统整体设计6
2.1系统整体设计框图6
2.2监测点、主机整体框图设计7
2.2.1监测点、主机整体框图7
2.2.2参数测量范围及精度分析7
2.2传感器介绍8
2.2.1PT100传感器8
2.2.2PH传感器9
2.2.3DO传感器11
2.2.4PH和DO传感器同时测量时的串扰原因15
2.3芯片选型及功能模块17
2.3.1MCU选型17
2.3.2电源隔离模块18
2.3.3线性光耦隔离模块18
2.3.4调理电路模块19
2.3.5外部非易失性存储19
2.3.6STR-30无线通讯19
2.4手持仪方案设计20
2.5本章小结21
第三章硬件电路设计22
3.1底板22
3.1.1蓄电池电源管理模块设计22
3.1.2STR-30无线数传模块设计23
3.2PT100测量调理电路24
3.2.1PT100测量调理电路设计24
3.2.2PT100测量调理电路参数选型25
3.3PH测量调理电路设计25
3.3.1PH测量调理电路电源模块设计25
3.3.2电压跟随模块设计26
3.3.3低通滤波器模块设计27
3.3.4电压调整模块设计28
3.3.5电压调整模块参数选型29
3.3.6线性光耦隔离模块设计29
3.3.7线性光耦隔离模块参数选型30
3.4DO测量调理电路设计30
3.4.1传感器激励电压模块设计30
3.4.2信号调理模块设计31
3.4.3信号调理模块参数选型32
3.4.4NTC测量模块设计32
3.4.5NTC测量模块参数选型32
3.5主控制板原理图设计33
3.5.1JLINK接口设计33
3.5.2存储模块设计33
3.5.3通讯模块设计33
3.6手持仪的硬件设计34
3.6.1按键采集模块设计34
3.6.2开关电路模块设计34
3.6手持仪接口协议35
3.7本章小结36
第四章相关分析37
4.1相关分析原理37
4.2信号的自相关检测技术38
4.2.1自相关检测38
4.2.2互相关检测39
4.2.3自相关函数计算方法40
4.2.4DFT和IDFT原理41
4.3MATLAB仿真42
4.4本章小结44
第五章软件设计45
5.1实时操作系统μC/OS-Ⅱ简介45
5.2μC/OS-II的移植46
5.2.1概述46
5.2.2配置OS_CPU.H文件46
5.2.3配置OS_CPU_A.ASM文件47
5.2.4配置OS_CPU_C.C文件50
5.3主机及监测点软件整体设计51
5.3.1任务划分及资源分配51
5.3.2程序模块化设计52
5.3.3串口通讯程序设计53
5.3.4AD采集程序设计55
5.3.5自相关算法滤波56
5.3.6结构体声明62
5.3.7PH的软件标定及检测程序设计63
5.3.8DO的软件标定及检测程序设计66
5.4手持仪软件设计67
5.5本章小结68
第六章整体系统测试与总结69
6.1自相关算法的正确性验证69
6.2测试系统组建69
6.3对比实验结果分析71
6.4本章小结73
第七章结论与展望74
7.1结论74
7.2展望74
参考文献76
在校期间发表的学术论文及其他科研成果79
致谢80
第一章绪论
1.1课题研究的目的和意义
随着社会的发展和进步,人们对水产品品质的要求也在逐步提高,水产养殖的集约化、规模化、多样化也在逐步的走进广大养殖户和广大民众的视野[1]。
相对于其他的养殖、种植行业,水产养殖的规模化相对落后,起步较晚。
在水产养殖监测设备的研制方面,我国和许多发达国家还有很大的差距[2]。
但中国是一个地大物博的国度,随着近年来社会经济的高速发展,急需能适应我国实际需求的水产养殖方式及设备。
在国家大力支撑及校企合作发展的大好环境下,通过几十年的发展,现在水产养殖在我国的国民生产中占据了越来越重要的分量。
水产养殖不仅在国内和国际贸易中的比重越来越大,同时也为社会提供了很多的就业岗位,提高了工人工资,对国民经济的发展起到了重要的推动作用[3]。
随着人们对水产品品质的不断提高,水产养殖已经逐步从传统的散养、捕捞方式转变为规模化、集约化、多样化,养殖的技术也随之取得了一个个的突破[4][5]。
当前,全球对水产品的需求稳步提高,水产养殖的行业发展也有着巨大的空间,正因为如此,各国在水产养殖业的力度有增无减。
随着水产养殖的多样性发展,提高不同水产品的质量和品质这一客观需求就要求对于不同的水产品要提供适合的养殖水环境,因此对养殖水体的水质进行检测、分析,采用合理的、科学的方法管理和控制,保证养殖水产品有一个良好的生长环境就成了当下及今后重点研究和发展的方向。
在集约化、规模化水产养殖中,为了提高水产品的品质,就需要保持养殖水体的各项参数适宜养殖生物的生长及发育[6],比如温度、PH、DO、氨氮、盐度、浊度等。
由于水体中生物的多样化,对各项参数准确、及时的检测和调节显得至关重要。
在以上列举的参数中,有的可以监测,但是还不能进行精确的控制,比如氨氮含量。
氨氮是由水生生物的代谢生成转化而来,以氨氮形式存在的时间短,需要采用生物方法进行控制。
有的参数是可以实时监测、控制以保证有一个良好的养殖环境,比如温度、PH、DO等。
养殖水体的温度、浊度、PH、DO等指标对养殖生物(例如:
鱼)的采食量、食物的消化和吸收的效率都有着密切的关系。
因此,对养殖水体监测的研究有着重要的现实意义[7]。
PH是养殖水体的一项重要参数,直接影响到水生物的生长[8]。
例如,对于鱼类而言,最适合其生长的PH范围是7~8.5。
持续低PH的水体会出现鱼类死亡现象,高PH的水体会影响鱼类的血液循环并腐蚀鱼类的皮肤[9]。
同时PH又和氨氮含量有着密切的关系。
水产养殖过程中,蛋白质消化的副产物是氨氮,非离子态的氨氮对鱼类等养殖生物有很大的伤害。
硝化细菌和反硝化细菌的数量又影响着氨氮的转化方向,硝化细菌的硝化过程能转化氨氮为离子状态,利于水产养殖,而反硝化细菌的作用恰恰相反。
在这个过程中PH的含量与硝化细菌的活性有着密切的关系。
当PH<7时,硝化菌的活性大大降低;当PH<6时,硝化过程基本消失,因此维持PH值在7以上时才能为养殖生物提供良好的水环境。
DO也是养殖水体的一项重要参数,鱼类的生存以及水体中硝化过程等都离不开它[10]。
比如,鲤科鱼类摄食时,一般要求溶解氧含量为3mg/L;一旦溶解氧含量低于2mg/L时,鱼类就停止摄食和生长;当低于1mg/L时,鱼类就会出现浮头现象;低于0.5mg/L时,就会开始死亡。
为了提高水产养殖的品质,实时了解养殖水体的各项指标是必要的[11]。
水质实时在线监测系统中对DO、PH及氨氮等参数的检测多采用电化学原理,易受温度影响;同时水体中各个参数存在耦合特性;水体的复杂环境至今没有精确的数学模型,这就对水体的检测带来了难度。
当前,国外的水质监测系统具有检测精度高、稳定性好、采样速度快等特点,但是价格高;国内的同类产品存在检测精度不高、稳定性差、采样速度慢等问题,但价格便宜[12]。
本课题的研究目的是从传感器本体的原理出发,去除电化学传感器间的耦合关系,开发一种水产养殖水质参数在线自动监控系统,对DO、PH、温度等参数进行在线监测。
1.2国内外的研究现状
1.2.1水质在线监测技术在国外的发展状况
在国外,水质监测技术的研发和推广在时间上要比中国早,技术能力也处于行业领先水平。
Yang等人提出的基于无线传感网络的实时测量系统,能够实时的获得水体中的温度、DO、盐度、氨氮、流速、水深等参数[13]。
代表性的公司比如美国HACH公司,HACH公司成立于1947年,是全球领先的水质分析解决方案的提供商。
1999年HACH加入美国Danaher集团,并在1971年进入中国市场。
HACH公司旗下拥有许多知名的专业品牌,包括GLI、AmericanSigma、Hydrolab、OTT、Radiometer、Lachat、Polymetron、Orbisphere、ELE等,工厂分别位于美国、德国、瑞士、法国和英国,并也在中国建立了生产基地。
哈希公司(HACH)的产品丰富且技术指标高,已获得的专利多达527项,覆盖了130多个专利家族,同时还拥有超过100种的HACH测试方法被美国EPA所认可[14]。
其产品之一Hydrolab多参数水质分析仪是一种多参数、宽量程的水质分析仪器,具有较高的测量精度和较快的测量速度。
该仪器使用时传感器取换方便,采用刷子定期清洗传感器以防止传感器污染,在测量端有一个转子,可以提供传感器测量时需要的水体流速,其实物图如图1.1所示。
除此之外还有早期预警系统及不同使用环境的配套仪器。
通过不断的技术创新,HACH公司测试的准确度和可靠性受到用户的广泛好评和信赖。
图1.1Hydrolab多参数水质分析仪Figure1.1Hydrolabmultiparameterwaterqualityanalyzer
图1.2Multi3430IDS-三通道数字参数计Figure1.2Multi3430IDS-threechanneldigitalparametermeter
再比如德国的WTW公司,WTW公司成立于1945年,总部位于德国慕尼黑,是世界主要的环保分析仪器和水质在线监测仪器生产厂商。
WTW水质检测产品也非常齐全。
新款产品多参数计MultiLine3410/3420/3430完全防水,采用的是全数字化的传感器,带给用户更稳定、更准确的测试结果,如图1.2所示。
图中所示为Multi3430IDS-三通道数字参数计,可接3支相同或不同的探头,可同时测试3个参数。
另外WTW最新研发出了FDO925荧光法溶氧传感器,跟新款多参数计配套使用,给用户带来极佳的操作便利和准确的测试,荧光法的优势就是无需标定、测量结果稳定、维护周期较长、无干扰、反应时间快、无极化时间等。
此外还推出了新款的紫外可见分光光度计photolab6100/6600,这是一款定位高端的光学仪器。
这些仪器仪表价格都比较昂贵,虽然功能达到了需求,但还是不太适合我国的实际国情[15]。
1.2.2水质在线监测技术在国内的发展状况
相对国外水质监测系统的发展历程,国内起步于二十世纪末,起步较晚,在这方面的仪器仪表水平还比较落后。
为了开发能适合中国水体环境的在线监测系统,国内近几年来也进行了较多的对水质在线监测系统的研究。
例如,卢文华等人曾设计了一套系统,该系统采用51单片机构建了单片机主机和数据采集从机,并在检测中心设有一台PC上位机,单片机数据采集系统收集的数据在上位机上进一步处理并以图表格式直观显示分析结果,该系统可以完成对养殖环境的多种参数进行测量,起到了实时了解水环境,提高水产养殖经济效益的目的。
上海仪电科学仪器股份有限公司是国内起步较早的水质分析企业。
其前身是上海雷磁仪器厂[16],成立于1953年。
之后经历了数十年的发展和改革,雷磁产品在国内占据了很大的比重,也代表着我国水质分析设备的前沿。
其生产的各类传感器、实验室仪器、在线监测系统等在几十年的发展中取得了很大的进步,但是和国外的同类型产品还是有着很大的差距,图1.3中所示为雷磁SJG-705型在线多参数水质监测仪,可以完成温度、PH、ORP、电导率和TDS、溶解氧浓度和饱和度的测试。
但技术参数上和国外还是有很大的差距,比如HACH公司的Hydrolab多参数水质分析仪的使用环境温度-5~50℃,具有温度、盐度、大气压等补偿功能,补偿全面;雷磁SJG-705型仪器使用环境温度5~35℃,具有温度等部分补偿功能。
因此,国内与国外的自动监测仪表的差距还比较大,主要表现在传感器本体的工艺差距、响应速度、测量精度、系统设计缺少数据支撑等。
我国“十二五”规划中,对养殖业加大了支持力度,其中包括加快推进标准化健康养殖,加快水产养殖标准化创建,推广应用健康养殖标准和养殖模式,促进水产养殖向集约化、良种化、设施化、标准化、循环化、信息化发展。
稳定池塘养殖面积,进一步挖掘池塘养殖潜力[17]。
这也对水质监测系统的提出了更高的要求,要结合我国国情,探索研究具有价格便宜、操作方便、检测精度高、系统性能好等特点
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