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智慧农业（中英文）, 2020, 2(2): 48-58 doi: 10.12133/j.smartag.2020.2.2.202005-SA004

专题--农业传感器与物联网

基于荧光法的溶解氧传感器研制及试验

顾浩1, 王志强1, 吴昊2, 蒋永年3, 郭亚,1

1.江南大学 物联网工程学院/轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏 无锡 214122

2.江苏省互联网农业发展中心，江苏 南京 210017

3.江苏中农物联网科技有限公司，江苏宜兴 214200

A Fluorescence Based Dissolved Oxygen Sensor

GU Hao1, WANG Zhiqiang1, WU Hao2, JIANG Yongnian3, GUO Ya,1

1.School of Internet of Things Engineering, Jiangnan University/Key Laboratory of Advanced Process Control for Light Industry, Ministry of Education, Wuxi 214122, China

2.Jiangsu Internet Agricultural Development Center, Nanjing 210017, China

3.Jiangsu Zhongnong Internet of Things Technology Co. , Ltd. , Yixing 214200, China

通讯作者: 郭 亚（1977－），男，博士，教授，研究方向为传感器与仪器，系统建模与控制，农业物联网与大数据分析。电话：0510-85910652。E-mail：guoy@jiangnan.edu.cn。

收稿日期: 2020-05-12   修回日期: 2020-06-25   网络出版日期: 2020-08-10

基金资助: 国家自然科学基金 (31771680)

Received: 2020-05-12   Revised: 2020-06-25   Online: 2020-08-10

作者简介 About authors

顾浩（1997－），男，硕士研究生，研究方向为传感器。E-mail：guhao0222@163.com。

摘要

溶解氧含量的测量对水产养殖具有极其重要的意义，但目前中国市面上的溶解氧传感器存在价格昂贵、不能持续在线测量及更新部件维护困难等问题，难以在水产养殖物联网中大规模推广和发挥作用。本研究基于荧光淬灭原理，利用水中溶解氧浓度与荧光信号相位差的关系进行低成本、易维护溶解氧传感器的研发。首先利用自制备溶氧敏感膜，经激发光照射后产生红色荧光，该荧光寿命可由溶解氧浓度调节；然后利用光信号敏感器件设计光电转化电路实现光信号感知；再以STM32F103微处理器作为主控芯片，编写下位机程序实现激发光脉冲产生，利用相敏检波原理以及快速傅里叶变换（FFT）计算激发光与参照光的相位差，进而转化为溶解氧浓度，实现溶解氧的测量。荧光探测部分与系统主控部分采用分离式设计思想，利用屏蔽排线直接插拔连接，便于传感器探测头的拆卸、更换、维护以及实现远距离在线测量。经测试，本溶解氧传感器的测量范围是0~20 mg/L，响应延迟小于2 s，溶氧敏感膜使用寿命约1年，可以实时不间断地对溶解氧浓度进行测量。同时，本传感器具有测量方便、制作成本低、体积小等特点，为中国水产养殖低成本溶解氧传感器的研发与市场化奠定了良好的基础。

关键词： 溶解氧传感器 ; 荧光淬灭 ; 水产养殖 ; STM32微处理器 ; 溶氧敏感膜

Abstract

The measurement of dissolved oxygen content in water is of great significance to aquaculture. However, the dissolved oxygen sensors on the market in China are expensive, and are difficult to maintain continuous online measurement and update parts, so they cannot be widely applied in real production and play expected role in the aquaculture Internet of things(IoT). Based on the principle of fluorescence quenching, a low cost and easy maintenance of dissolved oxygen sensor was developed in this work based on the relationship between the concentration of dissolved oxygen in water and the phase difference of fluorescence signal. The self-made oxygen-sensitive membrane was used to generate red fluorescence which being excited by blue light, and the fluorescence life was regulated by the concentration of dissolved oxygen. Photoelectric conversion circuit with optical signal sensing device was designed to sense optical signal. The STM32F103 microprocessor was used as the main control chip, and the lower computer program was programmed to generate the excitation light pulse. The phase-sensitive detection principle and fast Fourier transform (FFT) were used to calculate the phase difference between the excitation light and the reference light, which was converted into the concentration of dissolved oxygen and realized the measurement of dissolved oxygen. The fluorescence detection part and the main control part of the system were designed as detachable independent modules, and shield lines were used to plug and pull directly, so as to facilitate replacement and maintenance and realize online remote measurement. The testing results showed that, the measurement range of the sensor was 0-20 mg/L, system time delay was less than 2 s, and the life time of the oxygen sensitive membrane would be about 1 year. The dissolved oxygen sensor has the characteristics of convenient measurement, stable result output, low cost and small volume, which will lay a good foundation for the development and marketization of low-cost dissolved oxygen sensors in aquaculture industry of China.

Keywords： dissolved oxygen sensor ; fluorescence quenching ; aquaculture ; STM32 microprocessor ; oxygen sensitive membrane

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本文引用格式

顾浩, 王志强, 吴昊, 蒋永年, 郭亚. 基于荧光法的溶解氧传感器研制及试验[J]. 智慧农业（中英文）, 2020, 2(2): 48-58. doi:10.12133/j.smartag.2020.2.2.202005-SA004

GU Hao, WANG Zhiqiang, WU Hao, JIANG Yongnian, GUO Ya. A Fluorescence Based Dissolved Oxygen Sensor[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(2): 48-58. doi:10.12133/j.smartag.2020.2.2.202005-SA004

1 引 言

水中溶解氧浓度的测量在农业、工业、环保等行业都具有及其重要的意义。例如在水产养殖中，利用溶解氧传感器可以实时测量养殖水域的溶解氧浓度，实现提前增氧操作，降低由于缺氧而产生鱼类“浮头”现象，极大提高水产养殖的安全性。除此之外，由于水中溶解氧含量是进行水质监测的一项重要指标，溶解氧传感器还可以用于对污水进行监测和有效处理[1]。市面上流通的溶解氧传感器大致有碘量法溶解氧传感器、电化学法溶解氧传感器、分光光度法溶解氧传感器以及荧光淬灭溶解氧传感器[2]四类，其中除基于荧光淬灭原理的传感器外，其他溶解氧传感器均不适合在线持续测量溶解氧浓度，不能满足水产养殖在线使用需求[3-5]。

当前国外在溶解氧的检测方面一般采用基于荧光淬灭效应的溶解氧测量仪，如瑞士DMP公司的MICROXI型的溶解氧测量仪、美国OXYMON氧气测量系统等，此类设备测量方便、快速，并可实现在线测量。而国产的溶氧传感器大部分是基于电流测量法，在检测速度和便捷性方面与国外传感器还有一定的差距；其他少量基于荧光法的溶解氧传感器价格也非常昂贵，大约2000~5000 元人民币，农民负担不起。通常可能约1.33 ha的池塘只安装一个溶解氧传感器，由于池水流动性差可能导致溶解氧在大面积的池塘范围内分布不均，大大增加了水产养殖的风险。同时现有的溶解氧传感器往往安装使用步骤繁琐，部件损坏后更换维护困难且维护成本高，难以在水产养殖物联网中大规模推广。总的来说，尽管目前中国在溶解氧传感器方面做了一些研究和开发，但溶解氧传感器仍是水产养殖领域众所周知的难点。因此，研制低成本、易维护的荧光淬灭型溶解氧传感器具有极为重要的意义。

2 荧光淬灭溶解氧传感器测量原理及材料制备

2.1　荧光淬灭溶解氧传感器测量原理

水中的氧气是一种淬灭剂，与荧光发生淬灭作用后会降低荧光的强度，缩短荧光的寿命。由于检测荧光强度受光路、电路以及周围环境的影响较大，所以本研究采用检测荧光寿命的方式来计算溶解氧的浓度[6]。查阅资料可知[7-9]，荧光与溶解氧的浓度满足Stern-Volmer方程，如公式（1）所示。

I0I=τ0τ=1+KC[O2]

其中，I0、I分别为溶液中氧浓度为0 mg/L和饱和时的荧光强度；τ0、τ分别为溶液中氧浓度为0 mg/L和饱和时的寿命,s；[O2]为溶解氧的浓度,mg/L；KC是一个定值，称为Stem-Volmer常数。由公式（1）可知，只要通过标定计算得到荧光淬灭系数KC，利用每次测量得到的当前环境中的荧光寿命，即可计算得到当前环境中的氧气浓度。荧光寿命与荧光信号相位差存在如下关系，见公式（2）。

tanθ=ωτ=2πfτ

式中，f为调制信号的频率，Hz；τ为荧光寿命，s。由公式（2）可以看出，在给定调制信号频率的情况下，荧光与原激发光的相位差正切值与荧光寿命成正比，又由于参照光与激发光频率、初相位相同，所以可得下式（3）荧光与参照光相位差与溶解氧浓度的关系。

tanθ0tanθ-1=KC[O2]

其中，θ0是无氧水中荧光信号的相位差；θ是在溶解氧浓度为[O2]时的荧光信号的相位差。因此最终问题归结为荧光信号与激发光的相位差测量问题。

2.2　荧光材料制备

荧光材料（荧光敏感膜）是影响光学溶解氧传感器测量效果的关键因素之一，但在市面上价格昂贵。为降低生产成本，本研究中采用自制备的荧光材料，制备过程如下：①考虑膜基体的稳定性和荧光发光效率，将聚二甲基硅氧烷与四乙氧基硅氧烷混合；②加入四苯基铂卟啉，超声30 min；③80℃下回流8 h；④取上述混合液均匀滴涂或旋涂于聚酯片上，75℃下固化48 h，冷却至室温形成。此方法自制备的荧光膜成本可压缩至当前市面上的荧光膜价格的20%以内。

3 传感器系统设计

3.1　系统总体设计

本传感器系统的总体设计框图如图1所示，采用STM32F103系列微控制器为控制核心[10,11]。

图1

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图1   系统总体设计框图

Fig. 1   Block diagram of system overall design


整个系统分为探测头和主控制板两部分。探测头部分主要由LED驱动模块、光电转化模块、温度测量模块以及I-V转换模块构成，其中LED驱动模块用于驱动LED发光二极管产生参照光和激发光脉冲光波，激发光为中心波长为450 nm的蓝色光，照射到自制的荧光材料上产生红色荧光[12,13]。参照光为中心波长700 nm的红色光，参照光与红色荧光为同频率、同初始相位的矩形脉冲波形，经过的光路和电路结构基本相同，减小测量误差。I-V转换电路由AD8606芯片及其外围电路组成，实现电流信号到电压信号的转换并对电压信号进行一定倍数的放大。温度测量模块由DS18B20芯片及其外围电路组成，DS18B20采用一线制结构，节约了探测头的空间。主控制板部分为系统的核心，主要由电源管理模块、RS485通信模块、时钟模块、温度采集模块以及荧光采集模块组成。其中电源管理模块为系统提供稳定的电源，时钟模块为微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）提供运行需要的频率，温度采集模块读取DS18B20数据并将其转化为温度数据，荧光采集模块读取荧光信号并进行快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）以获取参照光与激发荧光的相位差。

3.2　MCU主控制芯片

本设计采用STM32F103微处理器作为MCU控制芯片。STM32F103属于32位ARM微控制器，内核是Cortex-M3，经过倍频后最高可达72 MHz的工作频率，在无存储器等待周期的情况下可达1.25 DMips/MHz，并集成了Timer、CAN、ADC、SPI、I2C、UART和DAC等多种外设功能。芯片含有高达64个引脚，并具有较高的数据传输速率，在嵌入式开发方面有较多应用。还包含2个12位模数转换器，多达16个转换通道1 µs转换时间，电平转换范围为0~3.6 V，满足本系统设计的ADC采样频率和通道数目的要求[14-16]。

3.3　电源管理模块设计

稳定的电源管理模块对系统稳定运行极其重要，电源管理模块除了为STM32最小系统供电外，还为传感器探测部分供电。本系统设计可以兼容12~24 V供电以及USB供电，主要包括12~24 V转5 V模块、USB供电转5 V模块和5 V转3.3 V模块。同时在STM32电源供电部分适当加入滤波电容，减小纹波干扰。除此之外，使用LM431芯片将3.3 V数字电源隔离转化为3.3 V模拟电源为ADC模块供电。同时使用0 Ω的电阻将模拟信号的地与数字信号的地分离，减小数字电源对模拟ADC的高频干扰[17-19]。图2为电源模块详细设计电路图。

图2

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图2   电源模块电路设计

Fig.2   Design of power module circuit


3.4　485接口电路设计

485通信是如今工业上较为常用的通信方式，因为它抗干扰能力强，只需要两条线就可以进行通讯，还可以方便简单地进行总线组网传输，不需要另外电路将所有的485线接到一起。485通信对传输协议没有硬性要求，用户可以选择自定义协议传输，方便集成使用[20]。在本设计中485接口电路由MAX3485芯片及其外围电路组成，具体电路设计如图3所示。

图3

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图3   485接口电路设计

Fig.3   Design of 485 interface circuit


3.5　LED驱动电路设计

为提高LED灯的电流稳定程度，本研究采用三极管LED驱动电路，三极管LED驱动电路比LED驱动芯片价格低廉，同时比电阻分压式驱动电路有恒流效果较好[21-24]。为减小电路和光路的影响，本研究采用两路对称LED电路设计，一路用于驱动激发光蓝色LED，一路用于驱动参照光红色LED，保证两路驱动电路的结构对称，可以很大程度上减小测量误差。系统工作流程如下。

（1）打开激发脉冲，以10 kHz的方波驱动蓝光LED，同时MCU开始采集红色荧光信号并计算当前相位。

（2）关闭激发光，打开参照光脉冲，以同频率的方波波形驱动电路红光LED，MCU重新采集红光信号并计算相位。

（3）由于两次采集间隔时间很短，可以认为两次计算的相位之差即激发光与荧光之间的相位差。

图4为LED驱动电路，在本研究中LED供电与驱动信号均通过屏蔽总线提供。

图4

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图4   LED驱动电路设计

Fig.4   Design of LED drive circuit


3.6　光电转换模块设计

本研究中光电转换模块包括两部分：（1）通过光电二极管将光信号转化为微弱电流信号；（2）通过AD8606芯片及其外围电路组成I-V转换电路，将微弱电流信号放大为MCU可以读取的电压信号[25]。低失调电压和输入电流使AD8606成为光电二极管应用的绝佳选择，在本设计中外围电路采用典型的光电二极管前置方法电路，其中光电二极管接入时为反向偏置状态。详细电路如图5所示。

图5

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图5   光电转换模块电路

Fig.5   Photoelectric conversion module circuit


3.7　温度测量模块设计

温度测量模块由一线制数字温度传感器DS18B20及其外围电路组成。DS18B20采用单总线的接口方式与微处理器连接时，仅需要一条DQ数据线线即可实现与微处理器的双向通讯。同时DS18B20还具有测量温度范围宽（-55℃~125℃）、测量精度高的特点（在-10~85℃范围内，精度为±0.5℃），完全可以满足系统设计需求[26,27]。单总线具有经济性好、抗干扰能力强、适合于恶劣环境的现场温度测量以及使用方便等优点，用户可轻松地组建传感器网络，极大便利了温度测量的工作流程。

3.8　物理结构设计

在结构上，传感器探测头和主控板采用分离式设计的思想，中间采用屏蔽式杜邦线总线结构进行连接，用户可根据需求选择不同长度的屏蔽线，传感器探测头的体积小，方便使用者将传感器部署至不同的环境中，同时可插拔式总线连接结构的设计便于用户更换传感器探测头，传感器电路实拍图如图6所示。

图6

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图6   传感器电路实拍图

Fig. 6   Pictures of sensor circuit


3.9　下位机程序总体设计

下位机开发使用的是Keil uVision5开发环境，其可用于调试ARM7、ARM9和Cortex-M内核的MDK-ARM开发工具，针对于微控制领域的开发，使用串行线调试（Serial Wire Debug，SWD）进行程序的调试和下载。下位机程序主要包括脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）驱动模块、ADC采集模块、温度采集模块、串口通信模块、FFT计算模块[28,29]和溶解氧浓度的计算模块等六个模块。传感器工作流程描述如下。

（1）初始化各个外设模块，同时打开系统定时器，通过系统定时器协调控制整个传感器的工作流程。

（2）每次测量溶解氧浓度之前读取一次DS18B20获取当前温度值。

（3）计数器计时到达设定值time 1时打开激发光激发脉冲，同时ADC模块开始工作采集信号。

（4）计数器计时到达设定值time 2时，关闭激发光LED脉冲，打开参照光激发脉冲，同时ADC模块重新开始采集信号。

（5）系统计数器的值达到设定值time 3时，关闭参照光激发脉冲。分别对两次ADC采集的信号通过数据处理模块进行数据处理，计算得到参照光与激发荧光的相位差[31,32]，经过计算得到当前溶解氧浓度。传感器下位机程序设计总体流程如图7所示。

图7

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图7   下位机程序设计总体流程图

Fig. 7   Overall flow chart for the lower computer program


4 测试试验及结果分析

由前文式（3）中所述，若想计算氧气的浓度，即式中的[O2]的值，必须知道无氧水中的相位差θ0、当前测量环境中的相位差θ，以及Stem-Volmer常数KC。由于θ0与θ都是通过测量获得到的值，所以本传感器的原理方程中只有一个参数需要标定，即溶解氧系数KC[32]。标定过程如下所示。

（1）查阅资料得到饱和溶解氧氧气浓度与温度的关系如下表1所示[32]。

表1   标准大气压下饱和溶液氧气浓度与温度关系

Table 1 Oxygen concentration vs. temperature of saturated dissolved oxygen solution at standard atmospheric pressure
温度/℃溶解氧浓度/(mg·L-1)
014.64
512.74
1011.26
1510.08
209.08
258.25
307.56
356.95
406.41
455.92
505.47

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经过拟合饱和有氧水中的溶解氧浓度与温度的关系，发现三阶多项式拟合效果较好，拟合误差较小（<1%）。拟合效果如图8所示。

图8

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图8   饱和溶液氧气浓度与温度拟合图

Fig. 8   Fitting curve of oxygen concentration vs. temperature in saturated dissolved oxygen solution


由此可得拟合关系式为：

y1(T)=-5.3×10-5T3+0.0069T2-0.39T+15

式中，y1(T)为氧气浓度，mg/L；T为温度值，℃。

（2）自然环境下的自来水可假定为饱和有氧水[3]，缓慢加热饱和溶解氧水，记录测量时的温度和当前传感器测量的相位差的正切值，并拟合饱和溶解氧水中相位差正切值与温度的函数关系式。饱和溶氧水下相位差正切值与温度对应关系如表2所示。

表2   饱和溶解氧相位差正切值随温度变化

Table 2  Tangent of the saturation dissolved oxygen phase difference varies with temperature

温度/℃相位差正切值
20.01.030269614
24.31.024497333
25.51.024260061
29.71.015634698
35.01.010343318
37.91.001072992
40.10.996254294
45.30.988220595

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通过拟合，可以看出饱和溶解氧情况下相位差正切值与温度呈线性变化规律，拟合效果如图9所示。

图9

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图9   饱和溶氧水相位差正切与温度拟合图

Fig. 9   Tangent of phase difference between saturated dissolved oxygen solution and temperature fitting diagram


由此可得拟合关系式为：

y2(T)=-0.0017T+1.1

式中，y2(T)为相位差的正切值；T为温度值，℃。

在自来水中加入过量的无水亚硫酸钠，制备无氧水环境，搅拌后静置一段时间等待反应完全后逐渐对水加热并测量相位差正切值与温度的关系，拟合无氧水中相位差正切值与温度的函数关系。无氧水条件下相位差正切值与温度对应关系如表3所示。

表3   无氧水中相位差正切值随温度的变化

Table 3  Tangent values of phase difference in oxygen-free solution varies with temperature

温度/℃相位差正切值温度/℃相位差正切值
18.01.27123031.61.245970
18.81.27488932.61.187538
19.51.28178533.51.251782
20.61.27948134.31.221326
20.81.27077335.11.243305
22.01.25133436.31.229623
22.51.24241637.11.237545
23.01.26213838.11.230061
23.81.26395039.21.231378
24.61.27534740.11.214824
25.21.23622042.11.193445
26.41.20151643.61.219154
27.81.26395049.81.208792
30.51.24954454.21.166720

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通过拟合，可以看出无氧水情况下相位差正切值与温度呈线性变化规律，拟合效果如图10所示。

图10

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图10   无氧水相位差正切值与温度拟合图

Fig. 10   Tangent values of phase difference of oxygen-free water and temperature fitting diagram


由此可得拟合关系式为：

y3(T)=-0.0025T+1.3

式中，y3(T)为相位差正切值；T为温度值，℃。

（3）在上述测量的基础上，结合公式（3）可得如下表达式。

KC(T)=y3(T)y2(T)-1y1(T)

由公式（7）可以标定出Stern-Volmer常数随温度的变化函数方程式即KC(T)。通过上述步骤标定得到KC(T)即可进行溶解氧浓度的测量。测量原理如公式（8）所示。

其中，[O2]即待测量的氧气浓度值，mg/L;tanθ是当前环境下测量得到的相位差的正切值;tanθ0可通过公式（6）计算得到;KC(T)可通过公式（7）计算得到。

即在每次溶解氧浓度测量之前先进行一次温度测量，测得当前水温度后分别根据公式（6）和公式（7）计算当前温度下对应的tanθ0和KC(T)。而后进行相位差的测量计算，经过多次测量并进行软件滤波之后得到当前环境下相位差的正切值即tanθ，带入公式（8）即可计算得到当前水溶液中溶解氧的浓度。

经测试，本系统的测量范围是0~20 mg/L，响应延迟小于2 s（探测头放入水中到测量所得相位差相位稳定所经过的时间），溶氧敏感膜使用寿命约1年（正常淡水养殖水域测试），可以实时不间断地对溶解氧浓度进行测量，并且支持无线数据传输，方便接入物联网系统，能够满足正常水体溶解氧检测要求。

5 结 论

本研究设计了一种基于荧光淬灭原理的溶解氧浓度测量传感器，并实现了传感器系统的正常工作和持续稳定测量，本传感器的测量范围大约在0~20 mg/L，响应延迟小于2 s，溶氧敏感膜使用寿命约1年。该传感器可以通过485接口传感器组网，也可以直接通过串口进行数据交互，支持自定义协议，软件滤波与硬件滤波相结合，同时采用FFT计算，降低了系统的干扰。综上，本传感器主要有如下优势。

（1）实现了荧光材料的自制备，极大降低了生产开发成本。

（2）实现了传感器探测部分与主控板分离式设计，通过屏蔽杜邦线总线进行连接，实现了探测头的小型化设计，便于传感器部署和更换维护传感器探测头。

（3）实现了485接口电路，使其能够方便地接入互联网以及局域自组网。使数据传输更加稳定，网络容纳量更高。

本研究系统在水产养殖、环境检测等的溶解氧持续测量方面具有良好的应用前景。


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