高翔 熊偉杰 徐韜穎 余豐 吳壘

摘 要：項目所設(shè)計研制的水質(zhì)檢測無人船是一款基于IoT技術(shù)，以各類中小型湖泊或河流為場景，將遠程控制、自動路徑巡航、實時監(jiān)測水質(zhì)和預(yù)警功能結(jié)合為一體的水質(zhì)檢測無人船系統(tǒng)。該無人船調(diào)用百度地圖中的API，讓用戶可以遠程在網(wǎng)頁端的地圖上繪制路徑、發(fā)送指令，使無人船根據(jù)指定繪制路徑自動巡航，同時在微信小程序上實時獲取傳感器數(shù)據(jù)。該項目設(shè)計集成自動坐標(biāo)巡航、水質(zhì)檢測，數(shù)據(jù)交互傳輸和微信小程序開發(fā)。通過測試，已實現(xiàn)在小型湖泊的現(xiàn)實場景中無人船按指定軌跡巡航，實時在小程序中檢測水質(zhì)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)功能。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);繪制路徑巡航;微信小程序;數(shù)據(jù)傳輸;低成本

中圖分類號：U674 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）05-041-04

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.05.020

湖泊作為人類的一種寶貴的自然資源，在我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展中起著重要作用。然而，由于經(jīng)濟的快速發(fā)展，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速推進，人類對湖泊資源的掠奪性開采和開發(fā)已經(jīng)對湖泊造成了嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致湖泊現(xiàn)狀十分嚴(yán)峻，如湖面萎縮、水質(zhì)惡化、生態(tài)功能退化、資源急劇減少等[1]。對此，建立詳細可靠的水質(zhì)檢測系統(tǒng)并及時做出應(yīng)對措施，就顯得極為重要。

然而，目前市面上的水質(zhì)檢測無人船系統(tǒng)，大多具有搭建和維護成本高昂，控制系統(tǒng)設(shè)計較為復(fù)雜，巡航功能較為單一等問題，對于漁業(yè)、林業(yè)等領(lǐng)域的個體用戶不是很友好。所以，針對現(xiàn)有問題，文章結(jié)合國內(nèi)外移動在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，設(shè)計了一個集遠程通信、微信小程序平臺監(jiān)控、坐標(biāo)定位、自定義繪制路徑自主巡航等技術(shù)于一體，基于物聯(lián)網(wǎng)的可遠程操控的水質(zhì)檢測無人船系統(tǒng)。

1 水質(zhì)監(jiān)測無人船系統(tǒng)的整體設(shè)計思路

整體系統(tǒng)大致分為兩大部分，硬件部分設(shè)計和軟件部分設(shè)計。如果按照功能來分類，可分為數(shù)據(jù)傳輸部分和自定義路徑巡航和控制部分。數(shù)據(jù)部分涉及到船體的姿態(tài)及位置數(shù)據(jù)的獲取和水質(zhì)檢測傳感器數(shù)據(jù)的獲取，以及姿態(tài)位置數(shù)據(jù)的處理和傳感器數(shù)據(jù)的傳輸問題。自定義繪制坐標(biāo)路徑巡航和控制系統(tǒng)，由網(wǎng)頁端和樹莓派中筆者搭建的服務(wù)器和電機驅(qū)動文件實現(xiàn)。水質(zhì)檢測無人船系統(tǒng)的基本框架如圖1所示。

2 無人船硬件設(shè)計

2.1 無人機硬件結(jié)構(gòu)組成

無人船主要由密封防水船殼、電機、傳感器、控制主板、電源等部分構(gòu)成，以下是一些部件的具體信息和功能介紹。

主控芯片：樹莓派4B。樹莓派負(fù)責(zé)承載驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)的腳本文件，用bottle庫建立的電機控制服務(wù)端，應(yīng)用在坐標(biāo)巡航的Nginx網(wǎng)頁服務(wù)器，以及各個水質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)和姿態(tài)位置傳感器的數(shù)據(jù)儲存文件。目前，在互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)實際生產(chǎn)環(huán)境中，Nginx作為一款開源的高效解決高并發(fā)、高負(fù)載問題的Web反向代理服務(wù)器而被廣泛應(yīng)用，是實現(xiàn)集群負(fù)載均衡技術(shù)的有效方式[2]。

Arduino：Arduino結(jié)合傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)提取，利用Arduino作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，再利用Arduino和樹莓派的串口通信進行數(shù)據(jù)交互，使用戶能更加方便地修改傳感器和代碼，只需要在Arduino替換上傳商家的新傳感器數(shù)據(jù)提取和串口傳輸代碼，再換上新的傳感器便可以進行新的傳感器數(shù)據(jù)的提取和顯示。

姿態(tài)傳感器：GY955是一款高穩(wěn)定性的九軸導(dǎo)航AHRS模塊，其中電子羅盤自帶傾角補償算法，融合了卡爾曼濾波。通過改寫代碼將純文本的電子羅盤數(shù)據(jù)提取并發(fā)送到串口。

GPS模塊：通過GPS模塊和天線收集GPS數(shù)據(jù)，通過Arduino與樹莓派串口通信并將位置數(shù)據(jù)作為數(shù)組形式儲存在樹莓派上面。

水質(zhì)檢測傳感器：PH傳感器，濁度傳感器，溶解氧傳感器等。

電源：采用可充電的12V和5V的鋰電池供電，為主板、電機和電機驅(qū)動器供電。

2.2 無人船動力系統(tǒng)設(shè)計

無人船的動力推進裝置由兩個可正反轉(zhuǎn)的無刷直流電機組成，兩個電機位于船體尾部兩側(cè)，配合電機驅(qū)動器，通過樹莓派主板GPIO引腳直接進行PWM控制。利用雙電機差速運轉(zhuǎn)改變和控制船的方向，當(dāng)船直行時兩電機同速運轉(zhuǎn)。

2.3 硬件架構(gòu)

硬件架構(gòu)如圖2、圖3所示。

3 無人船軟件設(shè)計

3.1 巡航路徑繪制網(wǎng)頁的設(shè)計

百度地圖JavaScript API是一套由JavaScript語言編寫的應(yīng)用程序接口，可幫助用戶在網(wǎng)站中構(gòu)建功能豐富、交互性強的地圖應(yīng)用，支持PC端和移動端基于瀏覽器的地圖應(yīng)用開發(fā)，且支持HTML5特性的地圖開發(fā)[3]。

為增強用戶使用體驗，該設(shè)計決定摒棄直接輸入GPS坐標(biāo)的方式，采用用戶手動繪制路徑的方式。主要通過調(diào)用百度地圖JavaScript API v1.0中的Polyline類和LocalResultPoi類配合JavaScript，使用戶觀察到地區(qū)實景以便路徑的繪制，滿足本項目的功能需求。

網(wǎng)頁后端部分，通過網(wǎng)頁前端調(diào)用百度API獲取的路徑坐標(biāo)，利用編寫的php后端文件將自動獲取的坐標(biāo)數(shù)據(jù)作為JSON格式傳到樹莓派本地文件中并儲存起來，此數(shù)據(jù)方便之后巡航算法文件和電機控制文件的調(diào)用。巡航路徑繪制網(wǎng)頁設(shè)計整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 基于物聯(lián)網(wǎng)平臺和微信小程序的數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 水質(zhì)檢測傳感器數(shù)據(jù)傳輸

水質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)的傳輸過程如圖5所示。傳感器數(shù)據(jù)實時由Arduino獲取并進行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)化處理和校準(zhǔn)，并實時通過串口通信傳輸?shù)綐漭芍骺匕迳希缓笥蓸漭芍骺匕逯械臄?shù)據(jù)上傳程序，將傳感器數(shù)據(jù)上傳到OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和儲存，微信小程序調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)平臺的API，實現(xiàn)實時水質(zhì)檢測傳感器數(shù)據(jù)的獲取和刷新。

3.2.2 微信小程序設(shè)計

微信小程序使用和開發(fā)的簡便性備受用戶和開發(fā)者青睞，該小程序項目一共實現(xiàn)了以下四大主要功能：

實時查詢水質(zhì)傳感器收集的最新數(shù)據(jù)，并附加數(shù)值報警提醒功能。

根據(jù)不同的傳感器數(shù)據(jù)分類，給予用戶相應(yīng)的水質(zhì)改善方案。

用戶通過賬號登錄來獲取無人船手動控制頁面和導(dǎo)航頁面的域名。

提供水質(zhì)檢測科普知識。

3.3 基于GPS的自定義坐標(biāo)路徑巡航系統(tǒng)設(shè)計

無人船的自動沿路徑巡航建立在手機移動終端的無線遠程操控系統(tǒng)下，利用手機移動終端登錄網(wǎng)頁客戶端，在百度地圖上自定義繪制坐標(biāo)路徑，并通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送路徑坐標(biāo)，無人船接收到坐標(biāo)數(shù)據(jù)后開始執(zhí)行巡航程序。

3.3.1 自定義坐標(biāo)路徑巡航系統(tǒng)工作流程

自定義坐標(biāo)路徑巡航系統(tǒng)流程如圖6所示。在通過網(wǎng)頁端調(diào)取設(shè)定路徑點的經(jīng)緯度坐標(biāo)、GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)、電子羅盤方向角數(shù)據(jù)后，需要利用路徑點的經(jīng)緯度坐標(biāo)計算巡航路徑相鄰點之間的方向角及行駛距離。在程序設(shè)計中，當(dāng)無人船主控系統(tǒng)從網(wǎng)頁獲取并發(fā)送船體當(dāng)前的方向角、GPS坐標(biāo)、目標(biāo)路徑初始點的坐標(biāo)后，程序就會開始計算船體當(dāng)前位置和初始點（巡航路徑設(shè)定的第一個坐標(biāo)位置）位置之間的方向角和距離，并運行電機控制的程序進行目標(biāo)靠近。在靠近初始路徑點的過程中，由于船在水面上具有慣性，所以需要實時計算當(dāng)前位置與目標(biāo)位置的距離與方向角，并根據(jù)計算數(shù)據(jù)調(diào)整電機運轉(zhuǎn)。當(dāng)程序檢測到船到達目標(biāo)位置（初始點）后，自動停止計算初始點的數(shù)據(jù)信息，并開始計算當(dāng)前船體坐標(biāo)與巡航路徑中的第二個設(shè)定點之間的距離及方向角。程序周而復(fù)始直至檢測到船體到達最后一個目標(biāo)點，即完成巡航任務(wù)，程序恢復(fù)等待狀態(tài)，等待下一次巡航命令。

3.3.2 坐標(biāo)數(shù)據(jù)計算過程的重要理論依據(jù)

在以上過程中，運用到了利用GPS坐標(biāo)計算方向角和距離的公式，可以近似將地球看作球體計算[4]，如圖7所示。

參數(shù)說明。地球上任意兩點A和B的經(jīng)緯度坐標(biāo)分別為A（Aj，Aw）和B（Bj，Bw），A和B之間的方位角就是Lab的切線與地球緯線之間的夾角[5]。且A和B兩點間球面距離為Lab，地球半徑為R，O為地球球心，C為北極點。

角A即點A與B連線的方位角。

4 無人船系統(tǒng)測試

在系統(tǒng)搭建完成后進行功能測試，選取了學(xué)校一個人工湖作為測試水域，測試持續(xù)兩周。

4.1 基于GPS的自定義繪制坐標(biāo)路徑巡航系統(tǒng)的測試

在網(wǎng)頁客戶端地圖上找到學(xué)校的人工湖，依次用手點擊希望巡航經(jīng)過的坐標(biāo)點，坐標(biāo)點依次根據(jù)點擊順序連接成設(shè)定好的巡航路徑。之后點擊發(fā)送按鈕，將開始巡航的指令和坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送至樹莓派服務(wù)器并開始執(zhí)行巡航程序。如圖8、圖9所示，分別為路徑繪制網(wǎng)頁頁面和無人船測試實拍圖片。

4.2 基于物聯(lián)網(wǎng)平臺和微信小程序的數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的測試

當(dāng)無人船在按照繪制的路徑巡航的時候，打開微信小程序當(dāng)無人船按照繪制的路徑巡航時，打開微信小程序，進入到無人船檢測控制主頁面，如圖10所示，帶年紀(jì)實時數(shù)據(jù)查詢，查詢濁度傳感器的數(shù)據(jù)，點擊重新獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，刷新最新的濁度傳感器數(shù)據(jù)。此時數(shù)據(jù)為625，根據(jù)后臺設(shè)定的閾值對比超標(biāo)顯示報警，如圖11所示。之后，可以返回主頁面到水質(zhì)改善方案頁面中尋找解決方案，如圖12、圖13所示。

5 結(jié)語

文章介紹了當(dāng)前湖泊環(huán)境污染問題，并針對湖泊水質(zhì)檢測技術(shù)的現(xiàn)存問題提出了一種多模塊的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水質(zhì)檢測無人船系統(tǒng)，以實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測、實時數(shù)據(jù)上傳、自主巡航、遠程控制等任務(wù)。通過對系統(tǒng)的測試，水質(zhì)檢測智能無人船可以按照用戶繪制的路徑進行定點自主巡航，實現(xiàn)水質(zhì)檢測及實時預(yù)警等功能。此外，無人船系統(tǒng)仍存在改進空間，由于GPS誤差較大，可采用GPS差分技術(shù)提高精度，建立更加精確的無人船巡航系統(tǒng)。

參考文獻

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[2] 吳陳.基于Nginx的服務(wù)器集群負(fù)載均衡策略的研究與改進[D].廣州：華南理工大學(xué)，2020.

[3] 夏軍.基于百度地圖API的快速制圖系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪工程，2019，28（4）：42-48.

[4] 劉力榮，李菡.GPS坐標(biāo)與方向、距離相互轉(zhuǎn)換的計算公式推導(dǎo)[J].南方農(nóng)機，2018，49（14）：106.

[5] 周建鄭.GPS定位原理與技術(shù)[M].鄭州：黃河水利出版社，2005.