劉群銘 蘭育飛 史穎剛

摘? ?要：文章設(shè)計(jì)了水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇的控制系統(tǒng)，包括艇載系統(tǒng)、手持終端和監(jiān)控中心。系統(tǒng)涉及了嵌入式技術(shù)、GPS技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、PWM控制技術(shù)和GPRS通信技術(shù)。系統(tǒng)具有兩種控制方式：一是通過(guò)手持終端、GPS和無(wú)線模塊對(duì)無(wú)人艇進(jìn)行遙控;二是通過(guò)GPS和電子羅盤自主導(dǎo)航。兩種方式互相獨(dú)立工作。

關(guān)鍵詞：無(wú)人艇;控制系統(tǒng);遠(yuǎn)程遙控;自主導(dǎo)航

漁業(yè)養(yǎng)殖環(huán)境的水體質(zhì)量，對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育有重大影響，關(guān)系到水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的產(chǎn)量、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益[1]。目前，漁業(yè)養(yǎng)殖的水體環(huán)境監(jiān)測(cè)，主要靠養(yǎng)殖戶自己測(cè)量[2]，在水面比較遼闊的湖泊，人工檢測(cè)面臨速度慢、過(guò)程繁瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度大、不能有效覆蓋整體水域等難題。為解決上述難題，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者在水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3]、水面無(wú)人艇[4]、自動(dòng)巡航監(jiān)測(cè)船[5]等方面，開展了相關(guān)研究。本文結(jié)合嵌入式技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種水質(zhì)檢測(cè)無(wú)人艇的控制系統(tǒng)。通過(guò)手持終端和上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇的遠(yuǎn)程控制。

1? ? 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)無(wú)人艇和水質(zhì)監(jiān)測(cè)的控制要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。系統(tǒng)由艇載系統(tǒng)、手持終端、監(jiān)控中心和無(wú)線通信幾個(gè)部分組成。在人眼可視范圍內(nèi)，用戶操作手持終端，可對(duì)無(wú)人艇的動(dòng)作進(jìn)行無(wú)線遙控，無(wú)人艇存儲(chǔ)并返回位置信息給手持終端。當(dāng)目標(biāo)水域過(guò)遠(yuǎn)時(shí)，監(jiān)控中心通過(guò)通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service，GPRS）網(wǎng)絡(luò)，向艇載系統(tǒng)發(fā)送地點(diǎn)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇自主導(dǎo)航。

2? ? 艇載控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 艇載系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

艇載系統(tǒng)包括嵌入式主控板、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）模塊、電子羅盤、SD卡、電機(jī)和無(wú)線模塊等。艇載系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線模塊，接收手持終端發(fā)送的控制命令，通過(guò)GPRS，接收監(jiān)控中心發(fā)送的位置信息。主控板通過(guò)多種接口，控制各個(gè)模塊，并根據(jù)無(wú)線模塊接收的命令，發(fā)送相應(yīng)的動(dòng)作控制命令。主控板控制兩個(gè)直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和速度調(diào)節(jié)等基本運(yùn)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L298N芯片，采用脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）法[6]對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。GPS模塊用于無(wú)人艇的定位，電子羅盤用于獲取無(wú)人艇運(yùn)動(dòng)方向信息，SD卡用于存儲(chǔ)無(wú)人艇的位置信息和方向信息。艇載系統(tǒng)硬件方案如圖2所示。

2.2? 艇載系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)有兩種工作方式：（1）當(dāng)目標(biāo)水域在人眼可視范圍內(nèi)，通過(guò)手持終端對(duì)無(wú)人艇進(jìn)行遙控。（2）當(dāng)目標(biāo)水域過(guò)遠(yuǎn)時(shí)，無(wú)人艇進(jìn)行自主導(dǎo)航。兩種方式互相獨(dú)立工作，無(wú)論采用哪種工作方式，都先要上電初始化，進(jìn)行通信檢查。通信檢查無(wú)誤后，根據(jù)命令選擇工作方式。

無(wú)人艇工作流程如圖3所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先，進(jìn)行通信檢查，各模塊完成初始化。其次，主控板進(jìn)入等待命令狀態(tài)，在等待命令的過(guò)程中，讀取GPS信息和電子羅盤的方向角度，并將信息通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送到手持終端。再次，主控板接收到命令后，解析命令，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。最后，令包括遠(yuǎn)程遙控和自主導(dǎo)航。與遠(yuǎn)程遙控相比，自主導(dǎo)航不僅能夠節(jié)省大量的人力、物力，而且具有導(dǎo)航范圍廣、控制簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。本文選擇GPS與電子羅盤聯(lián)合進(jìn)行導(dǎo)航，通過(guò)對(duì)比GPS坐標(biāo)，獲得無(wú)人艇需要運(yùn)動(dòng)的方向，利用電子羅盤調(diào)整無(wú)人艇的運(yùn)動(dòng)方向。

3? ? 手持終端硬件設(shè)計(jì)方案

通過(guò)手持終端對(duì)無(wú)人艇進(jìn)行無(wú)線實(shí)時(shí)遙控時(shí)，用戶輸入的控制命令由無(wú)線模塊發(fā)送到無(wú)人艇上。本文設(shè)計(jì)手持終端硬件主要由微處理器、電源模塊、無(wú)線模塊、TF卡、TFT觸摸屏、五向開關(guān)和撥碼盤組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

各個(gè)模塊的功能如下：

（1）微處理器，手持終端核心，用于處理人機(jī)接口的輸入，并且與無(wú)線模塊和TF卡進(jìn)行通信。手持終端選擇功耗低，處理性能強(qiáng)的STM32F103VET6作為微控制單元（Micro Control Unit，MCU）。

（2）電源模塊，向各個(gè)模塊提供工作電壓。

（3）TF卡，用于存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)信息。

（4）TFT觸摸屏，TFT觸摸屏采用TFT-LCD系統(tǒng)，具有高響應(yīng)度、高亮度、高對(duì)比度等優(yōu)點(diǎn)[7]。本文采用觸摸屏作為人機(jī)交互接口，觸控操作簡(jiǎn)便，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)用戶界面進(jìn)行功能擴(kuò)展。

（5）五向開關(guān)、撥碼盤：五向開關(guān)用于手動(dòng)控制無(wú)人艇的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止，撥碼盤用于實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇的速度控制。五向開關(guān)和撥碼盤配合使用，共同實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇的運(yùn)動(dòng)控制。

4? ? 監(jiān)控中心方案設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心由監(jiān)控計(jì)算機(jī)和GPRS通信軟件組成。通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控中心與艇載系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇自主導(dǎo)航和GPS信息接收。本文采用C#語(yǔ)言，基于動(dòng)態(tài)庫(kù)，設(shè)計(jì)GPRS通信軟件，實(shí)現(xiàn)艇載系統(tǒng)與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信。每隔100 ms，系統(tǒng)觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送接收程序，包括客戶端的連接、斷開和數(shù)據(jù)接收等，以獲取、存儲(chǔ)并反饋無(wú)人艇當(dāng)前的位置信息。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，完成了艇載系統(tǒng)、手持終端和監(jiān)控中心的方案設(shè)計(jì)。由于時(shí)間限制，本文只完成了相關(guān)硬件設(shè)計(jì)和軟件流程設(shè)計(jì)，在后續(xù)研究中，將進(jìn)行實(shí)物測(cè)試實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集。期待在大面積的漁業(yè)養(yǎng)殖場(chǎng)中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)水體環(huán)境的監(jiān)測(cè)，促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

[1]曾洋泱，匡迎春，沈岳，等.水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2013（1）：40-44.

[2]李家良.水面無(wú)人艇發(fā)展與應(yīng)用[J].火力與指揮控制，2012（6）：203-207.

[3]張龍.小型移動(dòng)在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

[4]廖煜雷，龐永杰，莊佳園.無(wú)人水面艇嵌入式基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2010（9）：214-217.

[5]陳永澤，舒軍勇，王真亮，等.基于GPS定位的無(wú)人艇自主導(dǎo)航[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2016（8）：117-121.

[6]劉松斌，王海星，李碩恒.基于STM32的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2016（8）：834-837.

[7]李金賜，梁九興.基于ARM Cortex M3內(nèi)核TFT觸摸屏無(wú)線遙控設(shè)計(jì)[J].福建師大福清分校學(xué)報(bào)，2012（5）：12-17.

Abstract：This paper designed the control system for water quality monitoring in unmanned boats， including boat system， handheld terminal and monitoring center. The system involves embedded technology， GPS technology， wireless communication technology， PWM control technology and GPRS communication technology. The system has two control modes： one is to remotely control the unmanned boat through the handheld terminal， GPS and wireless module， and the other is to independently navigate through GPS and electronic compass. The two methods work independently of each other.

Key words：unmanned boat; control system; remote control; autonomous navigation