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(cè)的無(wú)人船。系統(tǒng)由動(dòng)力模塊、測(cè)量模塊、通信模塊、GPS定位模塊等組成，并引入非接觸供電、無(wú)線通信等技術(shù)。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)可見(jiàn)，本系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了小型化、無(wú)人化和低成本，跟蹤定位的網(wǎng)格化，滿足了精細(xì)化測(cè)量需求，信息傳遞的快速、可靠、穩(wěn)定，而且通過(guò)太陽(yáng)能等新能源的使用，使其既防止了傳統(tǒng)燃料對(duì)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(cè)；新能源；無(wú)人化

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

作為影響國(guó)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(guó)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(duì)水體環(huán)境，主要是各種水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測(cè)已為各級(jí)政府所重視。水體環(huán)境監(jiān)測(cè)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(duì)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(cè)，對(duì)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(wú)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(cè)量等明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已引起了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注。在國(guó)外，以美國(guó)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(cè)儀的設(shè)計(jì)方案，其監(jiān)測(cè)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(guó)內(nèi)，眾多學(xué)者也相繼在這一領(lǐng)域展開(kāi)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(duì)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(cè)船[4]，可以實(shí)現(xiàn)水體環(huán)境的全自主監(jiān)測(cè)；林群馥等提出的無(wú)人駕駛水域環(huán)境智能監(jiān)測(cè)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(cè)。

本文研究并設(shè)計(jì)了一種智能化水體環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)人船，系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的各項(xiàng)物化參數(shù)網(wǎng)格化的完整采集，后通過(guò)無(wú)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(duì)水體環(huán)境的監(jiān)測(cè)。此外，控制中心亦可通過(guò)反向鏈路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)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(cè)。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(jiǎn)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(duì)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(yáng)能電池作為能源，并實(shí)現(xiàn)對(duì)其他各模塊的非接觸供電；電子艙包括測(cè)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(hào)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(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)廣域網(wǎng)的接入；GPS用來(lái)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(yáng)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(yáng)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(wú)線通信，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)第三次無(wú)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(guó)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(cè)量模塊

測(cè)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(cè)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(guò)電導(dǎo)池的電流經(jīng)過(guò)量程換擋電路放大后變?yōu)殡妷盒盘?hào)，通過(guò)檢波電路將電壓峰—峰值變化為電壓有效值，經(jīng)過(guò)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(guò)軟件編程對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，計(jì)算得到被測(cè)溶液在25℃基準(zhǔn)溫度下的電導(dǎo)率。將最后的結(jié)果通過(guò)LCD顯示出來(lái)。

2.3 通信模塊

如圖3所示，通信模塊由無(wú)線發(fā)射節(jié)點(diǎn)和無(wú)線接收節(jié)點(diǎn)組成。其中，無(wú)線發(fā)射節(jié)點(diǎn)由無(wú)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(wú)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(wú)線發(fā)射模塊E12-TTL工作在433MHz頻率上，工作電壓約3.3V，通過(guò)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(jí)，從而達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)低功耗的目的。當(dāng)整個(gè)無(wú)線發(fā)射節(jié)點(diǎn)正常工作時(shí)，其功耗不超過(guò)300mw，通信速率為19.2Kbps。無(wú)線接收節(jié)點(diǎn)由無(wú)線接收模塊和單片機(jī)AT89C51組成，負(fù)責(zé)接收來(lái)自無(wú)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(duì)大范圍水域進(jìn)行全覆蓋拉網(wǎng)式監(jiān)測(cè)，即使遠(yuǎn)距離作業(yè)也能隨時(shí)跟蹤船體位置，獲知測(cè)試點(diǎn)地理位置。

3 測(cè)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(cè)，在下水測(cè)試前，需要對(duì)動(dòng)力模塊及測(cè)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(cè)試

在使用定位功能前，需打開(kāi)提前安裝好的百度地圖API，后將系統(tǒng)放入測(cè)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(duì)大范圍水域進(jìn)行全覆蓋拉網(wǎng)式監(jiān)測(cè)，即使遠(yuǎn)距離作業(yè)也能隨時(shí)跟蹤船體位置，獲知測(cè)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(cè)量模塊測(cè)試

測(cè)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(hào)，其實(shí)質(zhì)為跟隨器，若輸入信號(hào)等于輸出，則表示這部分正常。而后，3140輸出的模擬信號(hào)將進(jìn)一步送入AD模塊，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。生成的數(shù)字信號(hào)送入MCU，通過(guò)液晶屏來(lái)顯示。顯示的數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)到芯片中。測(cè)量模塊的供電部分，主要是由無(wú)線供電。然后經(jīng)過(guò)一個(gè)升壓模塊將原來(lái)的3.7V升至5V。給整個(gè)測(cè)量電路供電。

系統(tǒng)可以對(duì)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(cè)，并且對(duì)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(shì)，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(lái)監(jiān)測(cè)。以測(cè)量PH為例，本文對(duì)正常條件下湖泊參數(shù)和自來(lái)水的參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)，PH值測(cè)試模塊可以區(qū)別自然水體與自來(lái)水。此外，溫度模塊的測(cè)量誤差小于2攝氏度。

4 結(jié)語(yǔ)

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(cè)無(wú)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(cè)量船相比，實(shí)現(xiàn)了小型化、無(wú)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(duì)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(cè)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(yáng)能等綠色能源的有效使用，一方面防止了傳統(tǒng)燃料對(duì)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)

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[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(cè)研究評(píng)述[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2010，5（29）：549-556.

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[4]金英連，王斌銳，嚴(yán)天宏.自主湖水環(huán)境監(jiān)測(cè)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(yáng)，林建.無(wú)人駕駛水域環(huán)境智能監(jiān)測(cè)船[J].2014，2：169.endprint