宋代雨，袁睿麟，周琴，習(xí)力洋，趙衛(wèi)東

摘? 要： 為填補(bǔ)現(xiàn)有水質(zhì)污染源監(jiān)測(cè)的空缺點(diǎn)，研制了一種一體化污水監(jiān)測(cè)處理無(wú)人船。針對(duì)設(shè)備與控制中心間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題，采用NB-IoT技術(shù)作為二者之間的傳輸網(wǎng)絡(luò)。將嵌入式系統(tǒng)、路徑計(jì)算、窄帶物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)緊密結(jié)合，通過(guò)對(duì)多端數(shù)據(jù)處理與分析，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人船實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與智能巡航功能。

關(guān)鍵詞： 無(wú)人船; 水質(zhì)處理; 環(huán)境維護(hù); NB-IoT

中圖分類號(hào)：TP399? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2022）06-19-04

Design and research of integrated unmanned ship for monitoring

and treatment of polluted water quality

Song Daiyu， Yuan Ruilin， Zhou Qin， Xi Liyang， Zhao Weidong

（Chengdu University， Chengdu， Sichuan 610106， China）

Abstract： In order to fill the gap of existed water quality and pollution source monitoring， an integrated sewage monitoring and treatment unmanned ship is developed. To solve the problem of poor real-time data transmission between unmanned ship and ground control center， NB-IoT technology is used as the transmission network. The embedded system， path calculation， narrow-band Internet of Things and other technologies are closely combined to realize the real-time data transmission and intelligent cruise of unmanned ships through multi terminal data processing and analysis.

Key words： unmanned ship; water treatment; environmental maintenance; NB-IoT

0 引言

生態(tài)危機(jī)不斷為人類生存敲響警鐘[1]。我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，而隨之城鎮(zhèn)工業(yè)污水和居民生活用水排量逐年升高，致使河流、湖泊等淡水資源污染加劇，流經(jīng)城鎮(zhèn)的一些河段污染普遍嚴(yán)重，部分水體甚至產(chǎn)生了黑臭現(xiàn)象[2]。這不僅損害了周圍生態(tài)和居民的生活環(huán)境，而且成為制約我國(guó)社會(huì)發(fā)展進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的主要影響因素之一。目前對(duì)于水域監(jiān)測(cè)常依賴人工劃船進(jìn)入水域采集水樣再到岸上分析檢測(cè)，這一工程如此進(jìn)行效率低下[3]。同時(shí)，受污染的水域往往存在很多淺水湖，其風(fēng)險(xiǎn)尚且不明，而人工監(jiān)測(cè)水體又具有較大的技術(shù)難度，因此，人力難以駕駛船只來(lái)對(duì)水體進(jìn)行取樣和檢測(cè)。與傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)技術(shù)相比較，智能化物聯(lián)的無(wú)人船監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，大幅度地節(jié)約了人工費(fèi)用，提高監(jiān)測(cè)效率，并能夠及時(shí)地抵達(dá)淺水區(qū)域和污染地帶等具有潛在危險(xiǎn)的水域。

無(wú)人船具備小型化、操作簡(jiǎn)單、效率高、使用便捷、成本低、對(duì)監(jiān)控環(huán)境要求低等特性。目前，市面上，大多數(shù)的無(wú)人船并非真正的“無(wú)人船”[4]。由于無(wú)線通信技術(shù)方案簡(jiǎn)陋、通信范圍近，難以達(dá)到2km及以上距離;目前，水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面多數(shù)仍采取人工采樣與分析，實(shí)時(shí)性差、耗時(shí)長(zhǎng);與污染水體相關(guān)應(yīng)急處理功能缺失，不能自動(dòng)處理各種突發(fā)情況，如對(duì)污染水體進(jìn)行原位修復(fù)等。

針對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一款以NB-IoT作為通訊網(wǎng)的一體化污水監(jiān)測(cè)處理無(wú)人船，NB-IoT無(wú)線通信技術(shù)相較于傳統(tǒng)GPRS、4G技術(shù)具有成本低、低功耗、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，極大地拓展無(wú)人船的工作距離。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)并借助北斗/GPS雙模定位等方法，在精確標(biāo)注無(wú)人船位置的基礎(chǔ)上，還可以更加快捷、活泛、動(dòng)態(tài)的更改船舶的坐標(biāo)定位;通過(guò)設(shè)定投放無(wú)人船并結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)監(jiān)控水域大范圍、連續(xù)化的監(jiān)測(cè)[5]。

1 設(shè)備硬件與軟件設(shè)計(jì)方案

污水監(jiān)測(cè)處理設(shè)備是利用NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了集航路規(guī)劃、自主航行、水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)視和檢測(cè)、圖像采集和檢測(cè)、材料投入、污水處理、遠(yuǎn)程監(jiān)視和操作等多功能于一體的，一體化船舶結(jié)構(gòu)。

設(shè)備按照其功能可劃分為三個(gè)部分：負(fù)責(zé)自動(dòng)巡航、定位和無(wú)線通信服務(wù)的無(wú)人船端;負(fù)責(zé)對(duì)水質(zhì)、生態(tài)環(huán)境等各種綜合數(shù)據(jù)的采集與獲取分析，以及對(duì)水質(zhì)處理劑投入、進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和調(diào)控的地上終端;負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、信息管理等業(yè)務(wù)的云服務(wù)器平臺(tái)。如圖1所示，設(shè)備的軟硬件組成和分布特性主要有四種類型：主控板與水質(zhì)檢測(cè)傳感器組件、圖像采集組件、水質(zhì)處理投放組件、移動(dòng)應(yīng)用終端與計(jì)算機(jī)終端。如圖2所示，控制設(shè)備的軟件包括下位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（嵌入主板）和上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)（安裝在移動(dòng)應(yīng)用終端和計(jì)算機(jī)終端上）兩個(gè)部分。

2 設(shè)備模塊設(shè)計(jì)與實(shí)際操作

2.1 無(wú)人船主控制板

無(wú)人船主控制板是監(jiān)控設(shè)備的核心部件，系統(tǒng)采用ARM系列STM32微處理器作為設(shè)備的核心控制器。采用NB-IoT模組BC95作為設(shè)備的通信模塊，支持串口AT命令;數(shù)據(jù)傳輸方式支持CoAP，TCP/UDP和MQTT[6]，并且兼具高性能、低能耗等特點(diǎn);適用于低能耗、廣域間距的水質(zhì)檢測(cè)和控制系統(tǒng)。根據(jù)核心硬件模塊設(shè)計(jì)，將核心控制器的外圍區(qū)域劃分為6個(gè)獨(dú)立的組件功能模塊。如圖2所示，其功能分別是：遠(yuǎn)程控制水質(zhì)和生態(tài)監(jiān)視設(shè)備、無(wú)線通信、信息的采集和分析、自動(dòng)化管理、環(huán)境調(diào)節(jié)裝置及污水原位處理的控制。核心控制器通過(guò)串行外圍接口線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)，每測(cè)一組數(shù)據(jù)，立即傳輸給核心控制器。核心控制器接收數(shù)據(jù)后，通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)與云服務(wù)進(jìn)行交互，使得監(jiān)控平臺(tái)可以對(duì)無(wú)人船數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)控制指令進(jìn)行傳輸。

主控板基本上實(shí)現(xiàn)了對(duì)硬件系統(tǒng)的一種高度整合，能夠大幅度地提高系統(tǒng)的抗沖擊、防水、防雷等抗干擾的性能，有效地保證了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，使得設(shè)備更好地適應(yīng)監(jiān)控水域的各種任務(wù)。

2.2 水質(zhì)生態(tài)監(jiān)測(cè)裝置

環(huán)境生態(tài)監(jiān)控裝置，采用一套集成式控制器與多個(gè)檢測(cè)傳感器和圖像采集器相連接。主機(jī)板內(nèi)嵌入集成控制器，包括：水質(zhì)檢測(cè)傳感器控制模塊、圖像采集器模塊、數(shù)據(jù)采集與分析模塊。前兩者分別是通過(guò)串行接線與探入水中的水質(zhì)檢測(cè)傳感器和水圖像采集器相連，能夠?qū)崟r(shí)獲取水體的各項(xiàng)指標(biāo)（T、TDS、DO、COD、pH值和ORP）;后者具備對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行儲(chǔ)存、預(yù)處理、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸入等功能。

集成式的監(jiān)測(cè)控制器分別采用32GB存儲(chǔ)器和RS485、RS232等多種通信終端口，通過(guò)NB-IoT通信模塊對(duì)所收集到的信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地上傳到云服務(wù)器，再用Android等技術(shù)傳輸?shù)娇蛻舳?，方便企業(yè)和個(gè)體用戶隨時(shí)準(zhǔn)確地了解各個(gè)區(qū)域的水質(zhì)環(huán)境，并為其提供了水質(zhì)監(jiān)測(cè)保障，為控制模塊的運(yùn)行提供了基礎(chǔ)。

2.3 水質(zhì)處理及投放設(shè)備控制

環(huán)境控制模塊采用多通道與數(shù)控技術(shù)，當(dāng)主控制器對(duì)外部水環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)后得到的檢測(cè)值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，微納米水處理裝置和水處理劑投放裝置通過(guò)傳感器連接線連接開關(guān)控制單元。根據(jù)監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，通過(guò)無(wú)線通信模塊向設(shè)備控制單元中的可編程控制器發(fā)送指令，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的開關(guān)進(jìn)行控制或改變其相關(guān)設(shè)置，完成處理劑投放，繼而實(shí)現(xiàn)水質(zhì)和環(huán)境的生態(tài)維護(hù)，以便更好地保護(hù)水資源。

2.4 無(wú)人船自動(dòng)控制

無(wú)人船自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要構(gòu)成的軟硬件包括：推進(jìn)裝置（內(nèi)容包含無(wú)人船航行與航向控制模塊）、GPS/BDS定位、轉(zhuǎn)速傳感器，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)無(wú)人船的航向控制、航速驅(qū)動(dòng)力、即時(shí)定位等功能。

用戶可通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)，根據(jù)所有相應(yīng)參數(shù)來(lái)自動(dòng)設(shè)置任務(wù)目標(biāo)的啟用、航運(yùn)時(shí)間、航速等各項(xiàng)指令，并每6S自動(dòng)向下位主控制板終端上傳數(shù)據(jù)。主控板在接收到監(jiān)控管理平臺(tái)直接發(fā)送的視圖指令后，首先對(duì)所處的特殊地理位置信息進(jìn)行幀數(shù)據(jù)包裝并傳遞給云服務(wù)平臺(tái)，其中信息包括無(wú)人船當(dāng)前的平均航速、移動(dòng)方式、位置等狀態(tài)。接著對(duì)船舶當(dāng)前的導(dǎo)航信息進(jìn)行綜合分析評(píng)估，向規(guī)定船舶航速的控制導(dǎo)航模塊發(fā)布導(dǎo)航指令，控制該船在預(yù)定航線上往返。在船舶抵達(dá)到指定的巡航位置后，就會(huì)自動(dòng)開啟監(jiān)測(cè)和巡航的功能，當(dāng)完成自動(dòng)監(jiān)測(cè)和巡航的任務(wù)后，將繼續(xù)向下一指定地點(diǎn)巡航。

通過(guò)將無(wú)人船遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)安裝在計(jì)算機(jī)或移動(dòng)應(yīng)用終端上，建立了計(jì)算機(jī)、移動(dòng)終端與監(jiān)控?zé)o人船之間的通信。實(shí)時(shí)訪問(wèn)/查看水質(zhì)生態(tài)監(jiān)測(cè)情況、動(dòng)態(tài)管理控制數(shù)據(jù)和無(wú)人船巡航狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)任務(wù)目標(biāo)的遠(yuǎn)程集中定點(diǎn)監(jiān)測(cè)與處理控制。

2.5 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)

監(jiān)控平臺(tái)采用一種分層B/S系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)用信息融合技術(shù)、組態(tài)技術(shù)、圖像數(shù)據(jù)壓縮及圖層優(yōu)化等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、設(shè)備管理、遠(yuǎn)程互聯(lián)、用戶管理等多項(xiàng)功能。該系統(tǒng)中嵌入了動(dòng)態(tài)域名的分析和管理功能，便于使用者通過(guò)NB-IoT無(wú)線通信方式部署各種分布式的應(yīng)用系統(tǒng)，并且可以通過(guò)Android來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)感知終端的低成本遠(yuǎn)程管理和監(jiān)測(cè)功能，如圖4所示。

3 實(shí)物試驗(yàn)與數(shù)據(jù)對(duì)比分析

項(xiàng)目已經(jīng)制作出實(shí)體模型，主控制板和整個(gè)船體都采用高強(qiáng)度密封材料，所有外部端接口以及纜線均采用高級(jí)防水防護(hù)套件材料進(jìn)行防水加固處理，在充分保障船舶防水性能的基本前提下，可以較大幅度地提高在野外時(shí)船舶有效抵御水流干擾的能力，從而達(dá)到專業(yè)化的野外防護(hù)性等級(jí)。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)成都某廢棄小型河道進(jìn)行了水質(zhì)的監(jiān)測(cè)及處理，并與傳統(tǒng)處理方式進(jìn)行對(duì)比。如圖6所示，為我們?cè)诒O(jiān)測(cè)中數(shù)據(jù)的對(duì)比圖，深色曲線為我們實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，淺色曲線為傳統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：由于搭載新型納米催化材料，pH值上升速度、化學(xué)需氧量、懸浮物含量下降速度比傳統(tǒng)處理方式處理速度更快，污染物處理的剩余量更小，可操作性更強(qiáng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目依托科研立項(xiàng)，打造一款應(yīng)用于小型河道、湖泊等污染水水域的無(wú)人船。硬件技術(shù)采用NB-IoT技術(shù)，軟件采用安卓通信，利用硬件傳輸器傳輸?shù)男畔?lái)達(dá)到信息可視化，通過(guò)對(duì)多端數(shù)據(jù)處理以及分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)人船控制的精確管理。由于船體的小型化、低成本、高可靠的優(yōu)點(diǎn)，使得小型化船舶具有較高的實(shí)用價(jià)值。

實(shí)踐表明，該無(wú)人船運(yùn)載新型催化材料處理污水效果非常好，各項(xiàng)性能更加突出，處理效果十分明顯，處理速度快、剩余污染物少，具有很好的市場(chǎng)前景和研究?jī)r(jià)值。

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