吳珊珊+劉清闖+王書旺+顧斌

摘要：本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種用于水體環(huán)境監(jiān)測的無人船。系統(tǒng)由動(dòng)力模塊、測量模塊、通信模塊、GPS定位模塊等組成，并引入非接觸供電、無線通信等技術(shù)。經(jīng)過實(shí)測可見，本系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了小型化、無人化和低成本，跟蹤定位的網(wǎng)格化，滿足了精細(xì)化測量需求，信息傳遞的快速、可靠、穩(wěn)定，而且通過太陽能等新能源的使用，使其既防止了傳統(tǒng)燃料對水體的污染，又可以在其生命周期內(nèi)永不停息地工作。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；水體環(huán)境監(jiān)測；新能源；無人化

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1007-9416（2017）05-0165-02

作為影響國計(jì)民生最重要的自然資源之一，水資源在社會(huì)生活及工業(yè)生產(chǎn)中具有舉足輕重的地位。我國盡管總量豐富，卻面臨著人均占有量較低、水資源空間分布不均勻等困難[1]。造成水資源缺乏的原因很多，其中由于水體環(huán)境惡化而導(dǎo)致的水質(zhì)型缺水是一個(gè)重要方面[2]，因此，對水體環(huán)境，主要是各種水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測已為各級政府所重視。水體環(huán)境監(jiān)測的信息化則是該領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展方向。若能基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對水體的各項(xiàng)物化參數(shù)（如溫度、PH值、透光率，含氧量等）進(jìn)行完整采集，并最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格化、多元化和菜單式的物化參數(shù)監(jiān)測，對于保護(hù)水資源環(huán)境、實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用具有重要意義。

無人船（Unmanned Surface Vehicle， USV）由于具有布放靈活、成本經(jīng)濟(jì)，可以在人跡罕至或人跡難至的工作區(qū)域自動(dòng)測量等明顯的技術(shù)優(yōu)勢，已引起了國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注。在國外，以美國哈希（Hash）公司為代表，提出了基于Hydrolab的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)方案，其監(jiān)測參數(shù)包括溶解氧、電導(dǎo)率等十五種參數(shù)。但是它必須搭配一定的載體才能完成任務(wù)，而且價(jià)格十分昂貴。在國內(nèi)，眾多學(xué)者也相繼在這一領(lǐng)域展開了研究。如李廣武、韋曉強(qiáng)所提出的一種多功能深水環(huán)保船[3]，主要用于海面溢油回收，兼具對小塊漂浮垃圾的回收功能；金英連等提出的自主湖水環(huán)境監(jiān)測船[4]，可以實(shí)現(xiàn)水體環(huán)境的全自主監(jiān)測；林群馥等提出的無人駕駛水域環(huán)境智能監(jiān)測船[5]，可已代替人完成偏遠(yuǎn)或惡劣環(huán)境下的全天候水域環(huán)境監(jiān)測。

本文研究并設(shè)計(jì)了一種智能化水體環(huán)境監(jiān)測無人船，系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對水體的各項(xiàng)物化參數(shù)網(wǎng)格化的完整采集，后通過無線通信技術(shù)將信息傳輸至控制中心作進(jìn)一步處理，完成對水體環(huán)境的監(jiān)測。此外，控制中心亦可通過反向鏈路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對移動(dòng)載體（船體）動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格化、多元化和菜單式的物化參數(shù)監(jiān)測。與現(xiàn)有相關(guān)研究相比，本系統(tǒng)具有使用方便、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可擴(kuò)充性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，一方面滿足了廣域化分布式的需求，同時(shí)也消除了用戶對人力成本高昂的顧慮。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

按照動(dòng)能劃分，全系統(tǒng)由動(dòng)力模塊和電子艙構(gòu)成。其中，動(dòng)力模塊使用太陽能電池作為能源，并實(shí)現(xiàn)對其他各模塊的非接觸供電；電子艙包括測量模塊、通信模塊、GPS定位模塊。信息采集模塊由溫度、透光率、光照強(qiáng)度、PH值等傳感器及信號處理電路組成；通信模塊基于ZigBee技術(shù)進(jìn)行自組網(wǎng)，基于藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸，基于工作在433MHZ的無線模塊實(shí)現(xiàn)對廣域網(wǎng)的接入；GPS用來實(shí)現(xiàn)船體定位，以實(shí)現(xiàn)定位和網(wǎng)格化的自動(dòng)采集。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

2 主要組成模塊及關(guān)鍵技術(shù)介紹

2.1 動(dòng)力模塊

作為一種可再生的新型環(huán)保綠色能源，太陽能在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中逐漸被人們所關(guān)注。本系統(tǒng)采用非晶硅太陽能電池進(jìn)行供電，既能防止傳統(tǒng)燃料能源污染水體，又能保證系統(tǒng)電源的穩(wěn)定。非接觸供電是指與物理接觸的電力傳輸模式，是第二次無線通信，無線網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過第三次無線革命后，業(yè)界作為基礎(chǔ)應(yīng)用的尖端技術(shù)，其廣泛的跨產(chǎn)品應(yīng)用，有望推動(dòng)國家和世界通信、電子、網(wǎng)絡(luò)、新能源等行業(yè)的突破和創(chuàng)新。

2.2 測量模塊

測量模塊是由單片機(jī)、方波發(fā)生電路、量程換擋電路、檢波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、鍵盤控制電路、傳感器和液晶顯示電路組成。其中傳感器可以根據(jù)使用需求選擇PH、溫度、氧、電導(dǎo)率、透光率等，并且進(jìn)行擴(kuò)展。以電導(dǎo)測量為例，其組成框圖如圖2所示。

如圖2所示，方波發(fā)生電路產(chǎn)生占空比為50%的正負(fù)脈沖為1V的電壓加到電導(dǎo)的兩端，經(jīng)過電導(dǎo)池的電流經(jīng)過量程換擋電路放大后變?yōu)殡妷盒盘?，通過檢波電路將電壓峰—峰值變化為電壓有效值，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換電路后送入單片機(jī)，完成電導(dǎo)率數(shù)據(jù)的采集。然后進(jìn)行溶液溫度的采樣，通過軟件編程對溫度進(jìn)行補(bǔ)償，計(jì)算得到被測溶液在25℃基準(zhǔn)溫度下的電導(dǎo)率。將最后的結(jié)果通過LCD顯示出來。

2.3 通信模塊

如圖3所示，通信模塊由無線發(fā)射節(jié)點(diǎn)和無線接收節(jié)點(diǎn)組成。其中，無線發(fā)射節(jié)點(diǎn)由無線發(fā)射模塊和單片機(jī)AT89C51組成。要發(fā)射的數(shù)據(jù)被送入單片機(jī)中后，即由AT89C51控制無線發(fā)射模塊將數(shù)據(jù)信息發(fā)送出去。本系統(tǒng)中的無線發(fā)射模塊E12-TTL工作在433MHz頻率上，工作電壓約3.3V，通過單片機(jī)設(shè)置不同的響應(yīng)時(shí)間、狀態(tài)切換等形式，可以支持不同的功耗等級，從而達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)低功耗的目的。當(dāng)整個(gè)無線發(fā)射節(jié)點(diǎn)正常工作時(shí)，其功耗不超過300mw，通信速率為19.2Kbps。無線接收節(jié)點(diǎn)由無線接收模塊和單片機(jī)AT89C51組成，負(fù)責(zé)接收來自無線發(fā)射模塊的數(shù)據(jù)，并送入數(shù)據(jù)處理中心。

2.4 GPS模塊

本文選擇的是鵬騰俐科技有限公司的GPS天線加上我們自己所設(shè)計(jì)的電路才組成的模塊，主要由供電部分、GPS模組和天線組成，用于船體定位，該功能可以實(shí)現(xiàn)對大范圍水域進(jìn)行全覆蓋拉網(wǎng)式監(jiān)測，即使遠(yuǎn)距離作業(yè)也能隨時(shí)跟蹤船體位置，獲知測試點(diǎn)地理位置。

3 測試及結(jié)果分析

將本系統(tǒng)應(yīng)用于校園內(nèi)水域的水體環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，在下水測試前，需要對動(dòng)力模塊及測量模塊進(jìn)行調(diào)試。首先觀察系統(tǒng)在非接觸式供電條件下，是否能夠在水里自由游動(dòng)。endprint

3.1 定位模塊測試

在使用定位功能前，需打開提前安裝好的百度地圖API，后將系統(tǒng)放入測試水域，利用GPS模塊實(shí)現(xiàn)船體定位，該功能可以實(shí)現(xiàn)對大范圍水域進(jìn)行全覆蓋拉網(wǎng)式監(jiān)測，即使遠(yuǎn)距離作業(yè)也能隨時(shí)跟蹤船體位置，獲知測試點(diǎn)地理位置。定位結(jié)果表明，在空曠水域，系統(tǒng)的定位誤差小于3米，而在非空曠水域，定位誤差為5—10米。

3.2 測量模塊測試

測量系統(tǒng)的調(diào)試框圖如圖4所示。其中，芯片3140的輸入為傳感器所采集的信號，其實(shí)質(zhì)為跟隨器，若輸入信號等于輸出，則表示這部分正常。而后，3140輸出的模擬信號將進(jìn)一步送入AD模塊，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。生成的數(shù)字信號送入MCU，通過液晶屏來顯示。顯示的數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)到芯片中。測量模塊的供電部分，主要是由無線供電。然后經(jīng)過一個(gè)升壓模塊將原來的3.7V升至5V。給整個(gè)測量電路供電。

系統(tǒng)可以對溫度、電導(dǎo)率、透光率、PH值和氮氧含量等物理化學(xué)參數(shù)進(jìn)行檢測，并且對各類水域加以區(qū)分。這也是本系統(tǒng)最重要的一個(gè)優(yōu)勢，其拓展性非常強(qiáng)，根據(jù)不同的水域，可以搭載不同的傳感器來監(jiān)測。以測量PH為例，本文對正常條件下湖泊參數(shù)和自來水的參數(shù)進(jìn)行了測試，通過實(shí)驗(yàn)可見，PH值測試模塊可以區(qū)別自然水體與自來水。此外，溫度模塊的測量誤差小于2攝氏度。

4 結(jié)語

本文以物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)為核心，設(shè)計(jì)了一種智能化全自動(dòng)水體環(huán)境監(jiān)測無人船。系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1）與傳統(tǒng)的實(shí)體測量船相比，實(shí)現(xiàn)了小型化、無人化和低成本，一方面滿足了廣域化分布式的需求，同時(shí)也消除了用戶對人力成本高昂的顧慮。

（2）跟蹤定位實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)格化，滿足了精細(xì)化測量需求。

（3）自組聯(lián)網(wǎng)后臺(tái)管理，實(shí)現(xiàn)了信息傳遞的快速、可靠、穩(wěn)定。

（4）太陽能等綠色能源的有效使用，一方面防止了傳統(tǒng)燃料對水體的污染，同時(shí)，只要用戶的如下要求存在：要求它在其生命周期內(nèi)永不停息地工作，它照樣能滿足。

參考文獻(xiàn)

[1]王忠福.我國水資源利用中的問題與可持續(xù)利用對策[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，5（16）：122-127.

[2]黃耀歡，王浩，肖偉華，秦大庸.內(nèi)陸水體環(huán)境遙感監(jiān)測研究評述[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2010，5（29）：549-556.

[3]李廣武，韋曉強(qiáng).多功能深水環(huán)保船建造檢驗(yàn)要點(diǎn)綜述[J].2016，5（38）：15-23.

[4]金英連，王斌銳，嚴(yán)天宏.自主湖水環(huán)境監(jiān)測船的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].2012，11（38）：240-243.

[5]林群馥，傅隆亮，陳曉斌，曹陽，林建.無人駕駛水域環(huán)境智能監(jiān)測船[J].2014，2：169.endprint