(上海海洋大學(xué)，上海 201306)

近年來我國工業(yè)農(nóng)業(yè)突飛猛進(jìn)，隨之帶來一系列水質(zhì)污染問題。我國的水環(huán)境問題十分嚴(yán)峻，長江、黃河也出現(xiàn)了許多水質(zhì)問題，黃河的斷流，泥沙淤積十分嚴(yán)重，長江支流水量銳減，每年排入長江的污水達(dá)到220億噸，這個量達(dá)到了全國污水排放量的三分之一，黃金水道變成了綿延在中國大地上的污染帶，自我凈化能力已經(jīng)不足以修復(fù)自身了。

水質(zhì)監(jiān)測主要通過人力采樣，帶回監(jiān)測站化驗檢測并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。這種方法缺點很多，時效性差，從采樣到化驗，再到數(shù)據(jù)分析，樣品的水質(zhì)特性可能已經(jīng)發(fā)生變化。水質(zhì)抽樣不具有普遍性，不能檢測整個水域，水質(zhì)自動檢測系統(tǒng)應(yīng)運而生，憑借互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，實現(xiàn)了智能化。全球定位系統(tǒng)和無線局域網(wǎng)，衛(wèi)星通訊技術(shù)的成熟，研究者開始設(shè)計一種無人船代替人力，進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測和實時測量。

多年的研究表明，目前國內(nèi)外對無人船的主要技術(shù)難關(guān)有以下幾處：

(1)無人船動力以及自動航行技術(shù)：在水面復(fù)雜的情況下，對船只航行、航速的控制尤為重要。

(2)無人船自動導(dǎo)航：根據(jù)其工作地點、目標(biāo)方位、運行要求合理規(guī)劃航行路徑。

(3)無線通訊技術(shù)：無人船如何與地面基站進(jìn)行信息傳遞，確保傳遞準(zhǔn)確、快速、抗干擾。

針對這些技術(shù)難關(guān)，提出了水面航行器水樣采集裝置設(shè)計，主要從船體結(jié)構(gòu)、傳感器模塊、通訊模塊、GPS模塊、界面設(shè)計好人接口設(shè)計方面進(jìn)行優(yōu)化。

1 船體結(jié)構(gòu)

無人船裝置設(shè)置多個模塊，包括核心處理器、電源、傳感器、通訊器和軟件顯示，船體模型如圖1所示，該船為雙體船，為多層構(gòu)造，從上而下依次安裝各模塊。最頂端安裝雷達(dá)，用于障礙物躲避和航行功能；其下安裝攝像頭，通過無線傳輸，給軟件端傳輸實時畫面；船艙中的核心處理器部分為傳感器，所有傳感器都安裝在船底，便于采樣處理。

圖1 無人船外觀圖

2 傳感器模塊

2.1 溶解氧傳感器

本課程設(shè)計的無人船采用的是RDO-206溶解氧數(shù)字式傳感器，量程為0～20mg/L，分辨率可到達(dá)0.01mg/L，精度可達(dá)測量值2%范圍內(nèi)，采用12～24VDC供電，內(nèi)置溫度傳感器，自動進(jìn)行溫度補償，重350g，防護(hù)等級IP68。測量方法為熒光法，熒光法測溶解氧的原理是基于物理學(xué)中特定物質(zhì)對活性熒光的猝熄原理，熒光法測試原理圖如圖2所示。傳感器的一個發(fā)光二極管發(fā)射的藍(lán)光照在熒光帽內(nèi)表面的熒光物質(zhì)上，其表面的熒光物質(zhì)受到激發(fā)，發(fā)出紅光，通過計算紅藍(lán)光之間的相位差，對比內(nèi)部標(biāo)定值，便可以計算出氧分子濃度，再經(jīng)由自動補償可以輸出最終結(jié)果。

圖2 熒光法測試原理圖

2.2 PH傳感器

PH值對水質(zhì)的影響主要在以下幾個方面：PH值變化導(dǎo)致碳酸鹽類物質(zhì)沉積，出現(xiàn)腐蝕管道的問題。PH值影響微生物生長，PH值在5.5～8.2時最適合鐵細(xì)菌的繁殖，進(jìn)而導(dǎo)致“紅水”現(xiàn)象。PH值過高過低都產(chǎn)生影響，PH低于7時，會散發(fā)刺激性味道，高于7時，水質(zhì)產(chǎn)生苦味，色度增加。國家規(guī)定，PH值應(yīng)控制在6.5～8.5之間。

為了檢測PH值，人們采取了諸多手段，如試劑法、滴定法、儀器測量法等。本無人船采用PHG-202 PH傳感器，如圖3所示，該傳感器量程廣，精度達(dá)到了0.01PH，工作環(huán)境溫度為0～65℃，自帶溫度補償，防護(hù)等級達(dá)IP68，滿足功能需求。

圖3 PH傳感器

2.3 濁度傳感器

濁度，即溶液對光線通過時產(chǎn)生的阻礙程度，包括懸浮物質(zhì)對光的散射和溶質(zhì)分子對光的吸收。濁度的主要影響因子有：懸浮物質(zhì)的含量，大小，形狀以及折射系數(shù)。測量濁度需要盡快，在測定前需要搖動水樣，等待恢復(fù)室溫之后測定。濁度的高低不直接表明水質(zhì)污染程度，但是可以直觀地讓人們明白，水質(zhì)變壞了。

濁度測量有多種方法，主流的有以下幾種：比濁法或射光法、濁度計測量法。目前被廣泛認(rèn)可的是濁度計測量，其主要原理是通過濁度計發(fā)出光線，光線穿過樣品溶液，在與入射光線呈90°方向上檢測有多少光在水中被散射掉了。本船采用的是InPro8050濁度傳感器，采用逆向散射，單光纖的結(jié)構(gòu)，此傳感器測試原理圖如圖4所示。

圖4 濁度計測試原理圖

3 通訊模塊

本設(shè)計的無人船試用的范圍是小型湖泊，范圍較小，試用WIFI作為通訊方式比較合理。無人船搭載的是ATK-ESP8266 WIFI模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，傳統(tǒng)串口設(shè)備通過簡單配置，就可以通過WIFI傳輸數(shù)據(jù)，WIFI模塊原理圖如圖5所示。

圖5 WiFi模塊原理圖

8266 WiFi模塊很貼心地設(shè)置了透傳模式，省去很多麻煩，我們只要設(shè)置好該模式，數(shù)據(jù)傳輸就可以實現(xiàn)了。

(1)使用AT+CWMODE=1，設(shè)置模式為SAT

系統(tǒng)反饋：OK

(2)使用AT+RST重啟模塊，等待4秒。

系統(tǒng)反饋：OK

(3)使用AT+CWJAP=“SSID”,“PASSWORD”，連接路由器WIFI，之后會獲取一個IP地址。

(4)電腦創(chuàng)建一個server。

(5)使用AT+CIPSTART=“TCP”將模塊和server連接起來，輸入IP

系統(tǒng)反饋：CONNECT

(6)設(shè)置模塊斷電后自動進(jìn)入透傳模式，使用AT+SAVETRANSLINK=1,IP地址，端口號，“TCP”指令，模塊自動斷電再啟動后已經(jīng)進(jìn)入透傳模式，無需再次設(shè)置。

(7)使用AT+CIPMODE=1指令開啟透傳模式。

系統(tǒng)反饋：OK

(8)使用AT+CIPSEND指令，開始數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)反饋：OK

使用+++指令，退出透傳模式。

4 雷達(dá)模塊

無人船采用的是國產(chǎn)RPLIDAR A1 360°激光掃描測距雷達(dá)，雷達(dá)結(jié)構(gòu)如圖6所示，可實現(xiàn)平面內(nèi)半徑6m全方位掃描，自動生成掃描平面信息。采樣周期設(shè)定為1450點/周的情況下，掃描頻率可達(dá)5.5Hz，掃描頻率最高可達(dá)10Hz。該型號的激光雷達(dá)采用激光三角測距技術(shù)，結(jié)合高速的視覺采集處理結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)每秒8000次以上的測距動作。每一次測距動作，雷達(dá)將發(fā)射紅外激光信號，激光信號向外發(fā)射的過程中遇到障礙物后產(chǎn)生散射，一些反射光會被視覺采集系統(tǒng)接收到，通過DSP處理器計算，障礙物和雷達(dá)的距離和角度信息會從通訊接口輸出。

圖6 雷達(dá)結(jié)構(gòu)圖

5 界面設(shè)計和接口設(shè)計

硬件設(shè)備的發(fā)展也帶動了軟件程序的發(fā)展，人們需要各式各樣的、全面的、精確的軟件來監(jiān)測無人船的航行狀況。在本課題設(shè)計中，需求有以下幾點：

(1)實時畫面：要求無人船安裝攝像頭，傳輸畫面到軟件上，便于操作人員觀察水域狀況并規(guī)劃航線。

(2)雷達(dá)畫面：要求無人船安裝雷達(dá)，傳輸雷達(dá)掃描圖到軟件，標(biāo)注障礙物的相對位置。

(3)傳感器參數(shù)：包括安裝在船底的各個傳感器，傳輸數(shù)據(jù)到軟件界面，也包括參數(shù)的動態(tài)曲線。

(4)基本操控：設(shè)置前后左右制動按鈕，便于調(diào)試和實驗。

基于以上幾個基本要求，我們選擇QT作為軟件平臺編寫程序，QT是一款跨平臺C++圖形用戶界面應(yīng)用程序，可以用來開發(fā)GUI程序，也可以用于開發(fā)控制臺，服務(wù)器等非GUI程序。QT是面向?qū)ο蟮拈_發(fā)工具，可拓展。QT Creator 是基于QT的跨平臺集成開發(fā)環(huán)境，包括項目生成代碼，自動編譯高級C++代碼。

5.1 界面設(shè)計

打開QT Creator，創(chuàng)建項目之后，就會出現(xiàn)這樣的一組文件，以項目名稱構(gòu)成目錄樹，可以展開成多個項目，如圖7所示。

圖7 QT項目文件組成

從圖中可以看出，一個完整的工程包括以下幾種文件：(以1527117為例)

(1)1527117.pro是項目管理文件，包含項目的設(shè)置項等相關(guān)信息。

(2)(.h)是項目頭文件，上圖的項目中包含mainwindow.h是窗口的頭文件。

(3)(.cpp)是項目內(nèi)所有的C++源文件，圖7的項目中有兩個C++源文件，一個是main.cpp，是主函數(shù)文件，另一個是mainwindow.cpp是主窗口的實現(xiàn)文件，和mainwindow.h文件對應(yīng)。

(4)(.ui)是項目內(nèi)的界面文件，上圖的項目中有一個mainwindow.ui，是窗口的界面文件，是本文的主要研究對象。

在QT Creator的編輯模式下打開maindow.ui文件，進(jìn)入界面設(shè)計模式，如圖8示。

圖8 QT設(shè)計界面

該界面設(shè)計主要包括以下功能：

(1)實時視頻功能：無人船上搭載的攝像頭拍攝視頻通過無線通訊，顯示在界面上，設(shè)置了播放和關(guān)閉選項，體現(xiàn)了遠(yuǎn)程觀察水面狀況。

(2)端口連接：界面上顯示無線局域網(wǎng)的端口號，設(shè)置了連接鍵，體現(xiàn)了連接狀態(tài)可控制。

(3)傳感器數(shù)據(jù)：界面上分別設(shè)置了四個主要傳感器的顯示框，顯示水樣檢測的數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了實時獲知水質(zhì)狀況。

(4)地址：無人船搭載了GPS模塊，界面上也設(shè)置了方位顯示，體現(xiàn)了經(jīng)度和緯度的實時顯示。

(5)激光雷達(dá)：在界面上另一個主要的顯示框是雷達(dá)檢測的障礙物方位，以無人船為中心，標(biāo)出了水面障礙的相對方位，體現(xiàn)了無人船的自動避障功能。

(6)方向控制：設(shè)置了前進(jìn)，后退，左右鍵，體現(xiàn)了遠(yuǎn)程端對無人船可以實現(xiàn)操控。

5.2 接口設(shè)計

無人船與上位機之間主要通過無線通訊，采用TCP/IP協(xié)議，主要傳感器的運作流程如下：

圖9 傳感器運行流程

TCP(傳輸控制協(xié)議)和IP(網(wǎng)際協(xié)議)提供了點對點的連接機制，包括數(shù)據(jù)如何封裝，定址，傳輸，路由以及目標(biāo)如何接受，制定了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議將軟件之間的通信過程抽象成四個抽象層，通過協(xié)議堆棧的方式，分別采用不同的通信協(xié)議。

使用QTcpSocket實現(xiàn)通信的基本流程大致可以概括為：

(1)建立QTcpServer模組，綁定socket套接字和端口號，用listen()語句創(chuàng)建監(jiān)聽連接，同時等客戶端的連接請求。

(2)建立QTcpSocket，用connect()語句連接服務(wù)器和端口，發(fā)送連接請求。

(3)服務(wù)器用accept()語句接受連接請求，雙發(fā)達(dá)成連接。

(4)客戶端用send()語句發(fā)送數(shù)據(jù)給服務(wù)器。

(5)服務(wù)器用recv()語句應(yīng)答并接受數(shù)據(jù)。

(6)服務(wù)器處理數(shù)據(jù)生成結(jié)果。

(7)客戶端接受結(jié)果。

(8)多次重復(fù)(3)-(7)直至任務(wù)完成。

(9)斷開連接

6 結(jié) 語

針對水質(zhì)污染嚴(yán)重，傳統(tǒng)檢測方法效率低下的現(xiàn)象，提出了使用無人船代替人力進(jìn)行水質(zhì)檢測，設(shè)計了基于QT的水質(zhì)檢測操縱平臺。通過多傳感器模塊的組合，馬達(dá)，激光，GPS模塊的搭建，無人船的硬件部分由此組成了。借由ATK-ESP8266 WIFI模塊進(jìn)行連接，使用軟件帶有的QTcpSocket實現(xiàn)通信，得到的軟件操控界面上，實現(xiàn)了多項參數(shù)的組合顯示。