楊國龍 張智科 鄭子偉

收稿日期：2023-06-16

基金項(xiàng)目：2022年湛江幼兒師范專科學(xué)校特色創(chuàng)新項(xiàng)目（自然科學(xué)研究）（ZY2022TSCX02）；2022年湛江幼兒師范?？茖W(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2022ZYDC19）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2023.21.011

摘? 要：為實(shí)現(xiàn)對各個水域環(huán)境水質(zhì)的便捷監(jiān)測，提高環(huán)境監(jiān)測的效率，文章項(xiàng)目研發(fā)采用風(fēng)光混合驅(qū)動的智能探測無人船，自主設(shè)計(jì)了一款可遠(yuǎn)程操控的手機(jī)APP，利用MQTT物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，控制無人船到達(dá)指定水域進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。無人船利用各類傳感器所采集的數(shù)據(jù)檢測分析，將數(shù)據(jù)結(jié)果傳送APP或電腦，可在終端設(shè)備（手機(jī)APP）上獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測的智能化、高效化。目前經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，該無人船已實(shí)現(xiàn)與終端相互通信，可自主巡航及操控其到達(dá)目標(biāo)水域進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)在用戶的終端設(shè)備上實(shí)時更新，運(yùn)行效果良好，該研究具有一定意義。

關(guān)鍵詞：無人船；Arduino；風(fēng)光混合驅(qū)動；水質(zhì)監(jiān)測

中圖分類號：TP311；TP242? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）21-0044-06

Design of Intelligent Detection of Unmanned Ships Using Wind and Light Hybrid Drive

YANG Guolong， ZHANG Zhike， ZHENG Ziwei

（Zhanjiang Preschool Education College， Zhanjiang? 524084， China）

Abstract： In order to realize convenient monitoring of the environmental water quality of each water area and improve the efficiency of environmental monitoring， this project has developed an intelligent detection unmanned ship using wind and light hybrid drive and independently designed a mobile phone APP that can be controlled remotely. By using MQTT Internet of Things communication technology， the unmanned ship can be controlled to reach the designated water area for remote monitoring. The unmanned ship uses the data collected by various sensors to detect and analyze， and transmits the data results to the APP or computer， and the corresponding data can be obtained on the terminal device （mobile phone APP） to achieve intelligent and efficient monitoring. At present， through experimental tests， the unmanned ship has realized mutual communication with the terminal. It can autonomously cruise and be controlled to reach the target water area for remote monitoring. The monitoring data can be updated in real time on the user's terminal equipment， and the operation effect is good. This research has certain significance.

Keywords： unmanned ship; Arduino; wind and light hybrid drive; water quality monitoring

0? 引? 言

近十幾年來，隨著通信技術(shù)與人工智能技術(shù)的發(fā)展，利用高新技術(shù)改善人們生活及工作的需求日益增加，無人裝備市場迎來了罕見的井噴式發(fā)展。因此，無人船的發(fā)展也將迎來發(fā)展黃金時段。無人船的全稱是無人水面航行器（Unman Surface Vehicle），通常來說無人船是一種利用定位系統(tǒng)和傳感器等模塊按照預(yù)設(shè)任務(wù)在水面航行工作的全自動或半自動的水面機(jī)器人[1]。

在無人船研發(fā)方面，我國與先進(jìn)國家存在一些差距。縱觀國際上關(guān)于無人船方面的研究，軍用無人船在其中起到了至關(guān)重要的作用，引領(lǐng)著無人船發(fā)展。美國研究無人船相對較早[2]。二戰(zhàn)時期，美軍就在無人水面艇（USV）上架設(shè)槍炮和導(dǎo)彈。20世紀(jì)70年代，USV被廣泛應(yīng)用于美軍的反水雷艦艇系統(tǒng)上。2000年初期，在沿海形成具有戰(zhàn)斗力的USV船隊(duì)。此外也有諸如意大利熱那亞CNR-ISSIA研究機(jī)構(gòu)研發(fā)用于南極洲對海洋微表層進(jìn)行取樣和收集大氣海洋界面的數(shù)據(jù)的“Charlie”號、弗吉尼亞州的UOV公司研發(fā)用于海洋數(shù)據(jù)收集、測量，理論上續(xù)航能力有限等各式非軍事化無人船。在國內(nèi)，隨著我國對海洋的探索，水上無人船得到了越來越多的關(guān)注。如2018春晚珠海分會場的由無人機(jī)、無人船、無人車組成“三無”表演、歐卡智舶公司的“SMURF”無人駕駛清潔船等多款無人船也在水上營救、垃圾清理和節(jié)日表演等方面取得一定的發(fā)展和運(yùn)用。因此，無人船領(lǐng)域發(fā)展上，無論國內(nèi)外都在加緊油門全速發(fā)展，力爭搶占市場先機(jī)。可以想象，隨著科技的快速發(fā)展，無人船領(lǐng)域相關(guān)研究的推進(jìn)，在浩瀚無垠的海面上，無人船運(yùn)用將成為常態(tài)，各種無人船將在岸上指揮者的操縱下，完成各種各樣任務(wù)。目前已進(jìn)入自主式無人船發(fā)展階段，現(xiàn)有的一些成熟的無人產(chǎn)品在海洋調(diào)測等方面已投入使用，且出現(xiàn)具備自主駕控能力的無人船產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品，現(xiàn)在無人船已經(jīng)成為海上救援和海域勘測的重要平臺[3，4]。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)一種采用風(fēng)光混合驅(qū)動智能探測無人船，完成無人船總體設(shè)計(jì)及布局、控制系統(tǒng)及水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)等的功能，并對無人船的水質(zhì)監(jiān)測等功能進(jìn)行運(yùn)行驗(yàn)證。

1? 總體設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目采用風(fēng)光混合驅(qū)動的智能監(jiān)測無人船研發(fā)，如圖1所示，主要由Arduino開發(fā)主板、驅(qū)動電機(jī)、ESP32（攝像頭監(jiān)控模塊）、GPS系統(tǒng)、ESP8266（數(shù)據(jù)傳輸模塊），太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)、紅外熱成像模塊、備用動力電池以及各類傳感器的模塊（如渾濁度檢測、pH酸堿度檢測等）組成。

10—Arduino開發(fā)主板；20—ESP32（攝像頭監(jiān)控模塊）；30—GPS系統(tǒng)；40—ESP8266；50—太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)；60—驅(qū)動電機(jī)；70—數(shù)據(jù)采集模塊。

本項(xiàng)目研發(fā)無人船的設(shè)計(jì)流程，如圖2所示，通過Arduino主板控制驅(qū)動電機(jī)，對無人船的運(yùn)動進(jìn)行控制，利用軟件Arduino IDE編寫程序代碼，將程序下載到Arduino開發(fā)主板，結(jié)合GPS模塊進(jìn)行定位，使無人船能夠按照定位到達(dá)要求檢測的海域位置，也可在船頭以及兩側(cè)安裝雷達(dá)避障模塊，保證其在遇到障礙物時會自動避開，順利到達(dá)指定位置。利用Arduino主板上拓展接口加裝各類傳感器，采集水質(zhì)各種參數(shù)，將檢測參數(shù)結(jié)果通過數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)實(shí)時傳送到陸地上的終端，可遠(yuǎn)程操控其精準(zhǔn)到達(dá)被測水域進(jìn)行水質(zhì)檢測；通過ESP32模塊實(shí)現(xiàn)對海洋各個區(qū)域進(jìn)行巡邏監(jiān)控，查看海域上是否有垃圾，在必要時用于緊急水上救援，通過攝像頭的實(shí)時畫面以及熱成像功能搜尋遇難者，GPS確認(rèn)具體方位，并為其投放救生設(shè)備，使落水者得到救援。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)自身需求，設(shè)計(jì)了在各種復(fù)雜的環(huán)境完成各種功能的多功能無人船[5，6]。

2? 風(fēng)光混動無人船的基本模塊

2.1? 傳感器模塊

本項(xiàng)目為了實(shí)現(xiàn)無人船的監(jiān)測功能，通過利用多種傳感器來完成監(jiān)測任務(wù)，如利用溫度傳感器18B20、濁度傳感器TS-30，如圖3所示，除此之外，還可以增加其他傳感器來完成環(huán)境監(jiān)測任務(wù)。本項(xiàng)目在無人船環(huán)境數(shù)據(jù)采集測試中，采用18b20和TS-300b等傳感器，該傳感器將其正極、負(fù)極分別連接UNO主板的VCC、GND，信號端連接UNO主板AD腳即可正常使用，若不同的工作場景需要，可以更換傳感器進(jìn)行多種功能測試[7]。

2.2? 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

在無人船數(shù)據(jù)傳輸方面，本項(xiàng)目選用ESP8266作為通信模塊，將主控板引腳TX與模塊RX引腳相連，主控板引腳RX與模塊TX引腳相連，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸測試中，將該模塊與服務(wù)器連接，把Arduino主板采集的數(shù)據(jù)通過該模塊上傳至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)所采集的數(shù)據(jù)通過服務(wù)器傳送到終端上顯示，如圖4所示。

該模塊采用ESP8266作為主控芯片，該芯片集成了微控制器和Wi-Fi無線通信，內(nèi)置TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，可支持TCP和UDP等通信協(xié)議。在電源接通后，該模塊啟動并運(yùn)行自身的固件（Firmware），通過該固件完成Wi-Fi連接及處理TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，ESP8266利用串口引腳接收主控板傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，最后通過該模塊LNA引腳，將數(shù)據(jù)通過天線，以無線通信協(xié)議發(fā)送到服務(wù)器。

2.3? 動力模塊

無人船的混合動力系統(tǒng)主要包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、可調(diào)角度的太陽能光伏發(fā)電板、鋰電池儲能單元，以及能量管理控制器單元，由能量管理控制器單元統(tǒng)一分配能量。當(dāng)無人船工作時，各個模塊的電力供給均由無人船上太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供。無人船的船上安裝防水性強(qiáng)的太陽能面板，在船后方安裝兩個小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，當(dāng)無人船開始行駛時，太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)同時承擔(dān)整個電路電力供給，若太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率總和大于整個電路的功率時，剩余的部分電力充入鋰電池中儲存；當(dāng)遇到海上太陽能或風(fēng)能不足導(dǎo)致供電不足導(dǎo)致太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率總和小于整個電路的總功率時，由鋰電池為無人船供電，確保整個電路能正常運(yùn)行。

如圖5所示，無人船的驅(qū)動模塊由電機(jī)驅(qū)動芯片U7，兩個電機(jī)接口H1、H2構(gòu)成。在接收到處理器U3的指令后，電機(jī)驅(qū)動芯片U7將其VSS腳所接收電源通過降壓芯片U6降壓處理后供給H1、H2電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)對螺旋槳控制、驅(qū)動運(yùn)行。

本項(xiàng)目通過自主研發(fā)風(fēng)光混合驅(qū)動的動力系統(tǒng)，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)能和太陽能板產(chǎn)生的光能轉(zhuǎn)換成5 V的電能，再通過充電模塊、恒流模塊FP6717芯片輸出3 A的電流，最后通過升壓模塊PW4053芯片將5 V轉(zhuǎn)換為12 V給電池充電。在該系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池板所產(chǎn)生的電能通過穩(wěn)壓管穩(wěn)定為5 V電壓，以保證輸出的電能穩(wěn)定可靠。電能經(jīng)過恒流模塊FP6717芯片時，輸出3 A的穩(wěn)定電流。恒流模塊的作用是控制輸出電流，保證電流穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)對電池的恒流充電，延長電池壽命。利用升壓模塊PW4053芯片，將電壓從5 V升壓至12 V，以便更好地為電池充電。該系統(tǒng)的原理和過程是通過將自然能源轉(zhuǎn)化為電能，并經(jīng)過多道電路調(diào)節(jié)和控制，最終將電能穩(wěn)定地輸出到電池中，實(shí)現(xiàn)對電池的高效充電，如圖6所示[8]。

2.4? GPS模塊

為了保證無人船遠(yuǎn)程監(jiān)控的可靠性，本項(xiàng)目可利用GPS定位功能，獲取無人船在復(fù)雜環(huán)境中的準(zhǔn)確位置等。采用科微電子的ATGM336H模塊，以保證交互指令輸入、配置命令接收等正常運(yùn)行。在完成GPS模塊與UNO主板連接后，也可以通過安裝天線于GPS模塊上，進(jìn)一步提高GPS定位的精準(zhǔn)度。

本項(xiàng)目的GPS定位模塊可根據(jù)百度地圖等軟件獲得相關(guān)信息，從地圖軟件中獲取更多、更精準(zhǔn)的水域地理信息，通過WxBit軟件編寫程序使所獲取的位置信息在終端用戶界面上展示，以便于操作者能在終端上更直觀地獲得信息，提高工作效率[9]。

2.5? 攝像頭模塊

本設(shè)計(jì)將采用ESP32及OV2640型號的攝像頭，完成圖像獲取、監(jiān)測環(huán)境等功能。該模塊的UOT、UOR引腳分別與Arduibo主板的RX、TX引腳相接，通過5 V電源保證正常運(yùn)行，便可將攝像頭所觀測到的圖像信息無線傳輸至Arduino主板，再從主板傳輸至ESP8266模塊，將相關(guān)信息上傳至云平臺、終端云平臺下載圖像信息，從而完成無人船遠(yuǎn)程攝像觀測的功能。

2.6? 主控板塊

如圖7所示，主控板塊由控制芯片U1、傳輸芯片U2、第一晶振X1、第一電阻R1、第一電容C1和第二電容C2等部件構(gòu)成。主控電路中的控制芯片U1完成對數(shù)據(jù)處理、指令分析發(fā)送。傳輸芯片U2進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、信號輸出輸入，再分別通過第一接口（J1）連接驅(qū)動模塊，第二接口（J2）連接各式傳感器與GPS模塊、攝像頭模塊，第三接口（J3）連接無線傳輸模塊，以此完成對總電路的其他模塊的控制、連接。此外第一至第三接口為預(yù)留引腳，以便于無人船后續(xù)擴(kuò)展。

3? 無人船終端應(yīng)用層設(shè)計(jì)

3.1? 終端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目無人船的手機(jī)控制終端APP是通過自主研發(fā)，采取WxBit編程軟件完成編寫。通過自主設(shè)計(jì)規(guī)劃終端軟件的界面布局，布局包括控制無人船運(yùn)動及各個水質(zhì)參數(shù)的檢測等模塊。

3.2? 無人船程序配置

本項(xiàng)目利用Arduino IDE編寫無人船系統(tǒng)程序，通過串口連接并下載到主控板，利用Arduino IDE編寫基于MQTT協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信程序，通過串口連接下載至ESP8266通信模塊，實(shí)現(xiàn)無人船網(wǎng)絡(luò)通信連接，最后通過WxBit圖形化編程，編寫手機(jī)APP控制界面設(shè)計(jì)。其中，MQTT協(xié)議是一個基于客戶端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議。當(dāng)手機(jī)APP下達(dá)指令，MQTT接收到指令后，將指令發(fā)送到通信模塊，通信模塊再通過串口通信傳輸?shù)街骺匕?，主控板?zhí)行指令，無人船運(yùn)動到指定位置或者傳感器獲取數(shù)據(jù)，傳感器獲取到的數(shù)據(jù)反向傳輸?shù)浇K端設(shè)備，得以在APP顯示各個傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無人船的遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，如圖8所示。

4? 無人船水上救援拓展模塊

水上救援模塊由緊急海上救生圈和兩個彈射裝置構(gòu)成。若無人船在水上發(fā)現(xiàn)需要搜救的人員，在無人船靠近施救目標(biāo)時，轉(zhuǎn)動彈射裝置至目標(biāo)方向，將救生圈彈射至待救人員附近，利用救生圈完成施救任務(wù)。

無人船水上救援的功能通過攝像頭和ArduinoUNO主板控制完成。在Arduino 1.8編寫的程序下，無人船主板可以控制水上救援裝置中的各個部件啟動，來實(shí)現(xiàn)救援工作的基本運(yùn)行。利用攝像頭實(shí)時采集的圖像信息，通過ESP8266模塊將數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)端，終端的應(yīng)用軟件得以從網(wǎng)絡(luò)即時下載圖像數(shù)據(jù)。終端方操作員依據(jù)無人船獲得實(shí)時水域?qū)崨r，更加精準(zhǔn)高效地完成對落水人員的遠(yuǎn)程施救或者使其脫離危險處境，完成救援任務(wù)[10]，該拓展模塊待進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)際測試。

5? 無人船實(shí)物及功能測試

目前本項(xiàng)目研發(fā)出來的實(shí)物如圖9所示，主要由Arduino主板、ESP8266模塊、太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)、儲能電池以及各類傳感器的模塊（如渾濁度檢測、pH酸堿度檢測等）組成。

根據(jù)風(fēng)光混合驅(qū)動的無人船研發(fā)，為了驗(yàn)證其運(yùn)行的可行性，選取一處河域，對無人船的自主控制系統(tǒng)進(jìn)行水上試驗(yàn)，如圖10所示。

測試結(jié)果顯示，本項(xiàng)目研發(fā)的無人船可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并且可以按穩(wěn)定的航速和預(yù)設(shè)的路徑進(jìn)行自主巡航檢測，該無人船的循跡精度較高。

本項(xiàng)目通過自主研發(fā)的手機(jī)控制及監(jiān)測無人船的APP，利用WxBit來研發(fā)的手機(jī)界面，可以實(shí)現(xiàn)自主控制無人船的運(yùn)動等，利用各類傳感器完成對海域進(jìn)行的渾濁度檢測、pH酸堿度檢測等功能，測試界面如圖11所示。

本項(xiàng)目研發(fā)的手機(jī)控制界面可實(shí)現(xiàn)無人船的自主控制，同時實(shí)時顯示測試水域的水質(zhì)，溫度為26.75 ℃，pH酸堿度為5.61，濁度為61.72。因此，由檢測結(jié)果可知，無人船對水質(zhì)監(jiān)測的參數(shù)可通過手機(jī)端軟件顯示，而且監(jiān)測數(shù)據(jù)可以保存[11]。

6? 結(jié)? 論

本設(shè)計(jì)核心內(nèi)容是基于Arduino研發(fā)的風(fēng)光混動智能監(jiān)測無人船。將各式模塊結(jié)合運(yùn)用，以實(shí)現(xiàn)無人船遙控、通信、監(jiān)測的能力，使無人船能在水質(zhì)監(jiān)測、水上巡邏、水上救援等方面開展工作。在電源方面，比起鋰電池這種單一的供電方式，本項(xiàng)目采用風(fēng)電機(jī)和太陽能充電板，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)能、光能混合驅(qū)動的節(jié)能環(huán)保供電方式，進(jìn)一步提升無人船的續(xù)航能力，以便在水上作業(yè)中更持久、穩(wěn)定地執(zhí)行任務(wù)。本項(xiàng)目可在無人船上增加傳感器等模塊，向全方面、多功能化方向發(fā)展，使無人船功能擴(kuò)展至更廣泛領(lǐng)域，最終走向社會，走向大眾，服務(wù)全民。

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作者簡介：楊國龍（1988—），男，漢族，廣東湛江人，講師，碩士，研究方向：電子技術(shù)、電氣工程和人工智能技術(shù)等。