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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林彥良
研究生(外文):LIN, YAN-LIANG
論文名稱:養殖漁場之無線連續酸鹼檢測系統設計
論文名稱(外文):Design of Wireless Continuous Acid-Base Detection System for Aquaculture
指導教授:黃俊岳
指導教授(外文):HUANG, CHUN-YUEH
口試委員:曾志明鍾協訓
口試委員(外文):TSU,CHIH-MINGCHUNG,HSIEH-HSUN
口試日期:2021-06-08
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺南大學
系所名稱:電機工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2021
畢業學年度:109
語文別:中文
論文頁數:53
中文關鍵詞:電化學分析儀生物感測器人機介面無人機酸鹼值
外文關鍵詞:Potentiostatbiosensorshuman-machine interfacesdronesAcid-base values
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本論文提出一個養殖漁場之無線連續酸鹼檢測系統設計,以做為漁場水質
之酸鹼值檢測,透過紅外線遙控船與藍芽無線傳輸,可測得漁場中間位置之酸
鹼值,並可達成長時間連續檢測之功能。
在系統實現方面,我們選用 Silicon Labs EFM32 微處理器晶片做為整個系
統的控制核心,並採用超極生技公司之酸鹼值檢測試片,將該試片檢測結果所
回饋之電壓信號,經由 EFM32 之類比數位轉換器量測後,透過微處理器將結果
傳送給無線藍芽模組,同時將此結果傳送到在漁場岸邊的電腦上。在感測器量
測過程中,電腦端採用 LabView 開發之使用者介面,將酸鹼值之量測結果作
圖,即時顯示 pH 值之結果。此外,為了能檢測漁場中間位置的水質,本論文
還設計了一個可用紅外線遙控並浮於水面之載體,將整個檢測系統架構置於此
載體上,來進行可在漁場中移動的酸鹼值連續檢測。
在驗證方面,我們使用商用酸鹼檢測儀、酸鹼值檢測試片、及我們所開發
之檢測系統,來對不同酸鹼濃度之液體進行量測與驗證。實驗結果顯示本論文
所設計之系統能與商用酸鹼檢測儀有相同之趨勢。
本論文所提出之無線連續酸鹼檢測系統,可利用紅外線遙控器,將感測器
移動至希望量測之位置,可不用進行檢體的取樣,直接測得待量測物之酸鹼
度。
In this thesis, a wireless continuous acid-base detection system for aquaculture is
proposed to detect the pH value of aquaculture’s water in the center position, by means
of infrared remote control vessel and Bluetooth wireless transmission.
In the proposed system, we adopt the Silicon Labs EFM32 microprocessor to act
as system control unit. This microprocessor will detect the voltage generated by the
UltraE pH strip and transmit it to the Bluetooth module. Then, the Bluetooth module
will transmit the measured pH value to the computer on the shore. Taking advantage of
the LabView user interface for making a real-time pH plot, the computer will show the
pH results. Moreover, we design an infrared remote control vessel to place the proposed
system for the pH value of aquaculture’s water in the center position detection, while
the vessel is moving.
In system verification, we adopt the commercial acid-base detector, the UltraE pH
strip, and the proposed system to detect the pH value of different concentration solution
for verification. Experimental results show that the proposed system has the same trend
as the commercial acid-base detector.
In conclusion, the proposed system can directly detect the pH value of
aquaculture’s water in the expected position, by moving an infrared remote control
vessel to the desired place, without the need of actual sampling.
目錄
摘要.......................................................i
Abstract ............................................... ii
致謝.....................................................iii
圖目錄................................................... vi
表目錄..................................................viii
第一章 緒論................................................1
1.1 研究動機.............................................. 1
1.2 感測器之概要.......................................... 2
1.3 具電化學的生物感測器介紹............................... 3
1.4 電化學分析儀.......................................... 4
1.5 單晶片............................................... 5
1.5.1 EFM32 Cortex-M3.................................... 6
1.6 酸鹼值............................................... 7
1.7 Arduino 微控板 ...................................... 7
1.8 研究目的............................................. 8
1.9 論文架構............................................. 8
第二章 研究方法與文獻探討................................. 10
2.1 電化學量測法簡介..................................... 10
2.2 水質分析法簡介....................................... 12
2.2.1 氫離子濃度指數測定方法.............................. 13
2.3 pH 檢測系統與無線傳輸功能相關文獻探討 ................. 14
2.3.1 無線傳輸應用於監控小型生物之 pH 感測器 .............. 14
2.3.2 應用溫度補償之遠端 pH 監控之無線感測器 .............. 15
2.3.3 智慧型農場之單晶片感測模組設計與實現................. 16
第三章 系統設計和實現..................................... 18
3.1 養殖漁場之無線連續酸鹼檢測系統設計介紹.................. 18
3.2 無線連續酸鹼檢測系統設計.............................. 18
3.2.1 訊號量測產生方式.................................... 19
3.3 軟體 LabVIEW 程式與人機介面之介紹 ..................... 19
3.3.1 實驗操作步驟及流程.................................. 20
3.3.2 量測操作頁面....................................... 20
3.4 可移動式之載體設計.................................... 24
3.4.1 環保自造船簡介...................................... 25
3.4.2 環保自造船設計...................................... 26
3.4.3 環保自造船之程式設計................................ 28
第四章 實驗結果與實驗討論................................. 32
4.1 實驗器材............................................. 32
4.2 實驗環境............................................. 33
4.3 實驗結果............................................. 36
4.3.1 酸鹼檢測系統與商用 pH Meter 之線性關係............... 42
4.3.2 無線連續酸鹼檢測系統之酸鹼反應....................... 43
4.3.3 無線連續酸鹼檢測系統加入濾波器前後比較................ 44
第五章 結論及未來發展..................................... 47
參考文獻................................................. 49


圖目錄
圖 1-1 生物感測器構造........................................3
圖 1-2 電化學感測器電極結構 (a)傳統電極 (b)網版印刷電極.........3
圖 1-3 電化學生物感測器信號處理示意圖..........................5
圖 2-1 電化學分析儀系統架構示意圖.............................11
圖 2-2 商用 pH Meter 之 pH 與輸出電壓之線性關係圖.............13
圖 2-3 市售酸鹼試片電極主要迴路圖.............................13
圖 2-4 無線傳輸應用於監控小型生物之 pH 感測器電路架構圖.........15
圖 2-5 pH 和溫度感測器的等校電路架構圖.........................16
圖 2-6 pH 和溫度感測器組合概念圖..............................16
圖 2-7 Arduino UNO Wi-Fi 模組圖.............................17
圖 3-1 訊號量測產生流程圖....................................19
圖 3-2 LabVIEW 介面操作流程.................................19
圖 3-3 LabVIEW 操作介面 1...................................21
圖 3-4 LabVIEW 操作介面 2...................................21
圖 3-5 LabVIEW 運作邏輯圖 ..................................22
圖 3-6 LabVIEW 運作結束儲存頁面圖............................22
圖 3-7 輸出數據檔案開啟內容..................................23
圖 3-8 Simplicity Studio 程式圖.............................24
圖 3-9 (a) 環保自造船正面圖..................................26
圖 3-9 (b) 環保自造船俯瞰圖..................................27
圖 3-9 (c) 環保自造船側面圖..................................27
圖 3-10 Arduino UNO 板與 Arduino 程式設計步驟流程圖..........28
圖 3-11 設定紅外線遙控器解碼程式.............................29
圖 3-12 紅外線解碼之對應動作.................................30
圖 3-13 序列埠視窗輸入特定字母之對應動作......................30
圖 3-14 紅外線遙控器........................................31
圖 4-1 市售酸鹼試片電極(UH1)................................32
圖 4-2 EFM32單晶片.........................................33
圖 4-3 系統測試環境圖.......................................33
圖 4-4 環保自造船測試環境圖.................................34
圖 4-5 實驗場域環境圖.......................................35
圖 4-6 酸鹼檢測系統整合測試圖...............................35
圖 4-7 無線連續酸鹼檢測系統整合測試..........................36
圖 4-8 商用儀器量測結果.....................................37
圖 4-9 無線連續酸鹼檢測系統量測之輸出數值結果.................37
圖 4-10 商用儀器量測結果....................................38
圖 4-11 無線連續酸鹼檢測系統量測之輸出數值結果................38
圖 4-12 商用儀器量測結果....................................39
圖 4-13 無線連續酸鹼檢測系統量測之輸出數值結果................39
圖 4-14 商用儀器量測結果....................................40
圖 4-15 無線連續酸鹼檢測系統量測之輸出數值結果................40
圖 4-16 商用儀器量測誠正大樓魚池結果.........................41
圖 4-17 無線連續酸鹼檢測系統量測誠正大樓魚池之輸出數值結果.....41
圖 4-18 超極生技股份有限公司 pH Meter.......................42
圖 4-19 商用 pH Meter 之 pH 與輸出電壓之線性關係圖...........43
圖 4-20 無線連續酸鹼檢測系統之 pH 與輸出電壓之線性關係圖......43
圖 4-21 無線連續酸鹼檢測系統酸鹼反應........................44
圖 4-22 酸鹼檢測系統未加入濾波器數據顯現.....................45
圖 4-23 酸鹼檢測系統加入濾波器數據顯現.......................46


表目錄
表 3-1 無線連續酸鹼檢測系統元件表................................18
表 3-2 環保自造船設計元件材料表..................................25
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