基于無人機技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測采樣裝置

劉國洋,王 宇,魏茂源,李 楠

（山東科技大學,266510）

?

基于無人機技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測采樣裝置

劉國洋,王 宇,魏茂源,李 楠

（山東科技大學,266510）

摘要：為提高水質(zhì)監(jiān)測的效率、減少人力勞動和能源的浪費，提出了基于無人機技術(shù)的水樣采集、水質(zhì)監(jiān)測裝置，將現(xiàn)場通過水泵采樣的數(shù)據(jù)通過無人機上搭載的STM32微處理器進行處理后用GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至服務(wù)器端，地面控制端通過PC機上的上位機進行數(shù)據(jù)的接收和無人機的控制。實驗表明，該裝置可高效地進行實時水質(zhì)監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：無人機;水質(zhì)監(jiān)測;STM32F103;GPRS

0　引言

近年來，受人類活動的影響，水資源污染越來越嚴重，近半數(shù)水資源收到嚴重污染。目前我國水質(zhì)監(jiān)測主要依靠人工監(jiān)測和無人船監(jiān)測，人工監(jiān)測需要實地采樣，周期很長且需要消耗大量人力物力；目前最新出現(xiàn)的水質(zhì)監(jiān)測船也有一定缺陷，如在水面收到嚴重污染或有大量漂浮物是無人船會受到阻礙和污染。本文設(shè)計了基于無人機技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測采樣裝置，較好的彌補了上述缺陷，且有助于水質(zhì)監(jiān)理的高效化和精確化，提高了水質(zhì)監(jiān)測的信息化水平，并最終達到水質(zhì)監(jiān)理監(jiān)測自動化、信息化和現(xiàn)代化的目的。

1　擬解決的關(guān)鍵問題

本基于無人機技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測采樣裝置擬解決的關(guān)鍵問題有：

(1)地形復(fù)雜、險要、地處偏僻的水樣采集點代替?zhèn)鹘y(tǒng)索道采集方式，提高采集效率與人員操作危險性；(2)開拓包含有害、有毒、放射性污染物的水域與地域人員無法涉足的采樣空白領(lǐng)域，增強突發(fā)事件處置時效性；(3)需要頻繁采樣的水域，或在水域中央采樣的水域，降低單次采樣成本，減少人員、車輛與船舶的經(jīng)濟開支。

2　總體設(shè)計方案

2.1無人機主體設(shè)計

本無人機主要采用市面上常見的四、六旋翼無人機，利用多旋翼無人機飛行穩(wěn)定，易于操作，動作靈活等優(yōu)勢。無人機采用11.2V、3300mAh鋰電池作為系統(tǒng)的能源，因飛行環(huán)境與水樣容積不同，飛行時間在25~40min之間。本設(shè)計無人機采用自組裝四旋翼無人機，采用NAZA LITE飛控，2212電機，30A電調(diào)，GPS模塊，1045和8045漿各兩片，可以實現(xiàn)飛行時負載1kg的重物。

2.2水樣采集裝置設(shè)計

水樣采集部分主要包含有上蓋板、下蓋板、連桿、支柱、法蘭盤、萬向節(jié)、橡膠卡、舵機、水泵、導(dǎo)管、浮漂與濾網(wǎng)組成。法蘭盤安裝在無人機底部，其作用是將連桿與萬向節(jié)連接，萬向節(jié)的作用為避免水樣瓶采樣的先后順序?qū)е滤畼硬杉糠謧?cè)翻，并將不平衡的扭矩傳遞到無人機上通過飛控的感應(yīng)控制螺旋槳維持平衡。萬向節(jié)下端連接有連桿，連桿與上蓋板剛性連接，上下蓋板通過支柱剛性連接，下蓋板中心有圓孔方便導(dǎo)管下放。下蓋板平均分布有四個橡膠卡，用于固定采樣瓶，其優(yōu)點是能夠快速更換采樣瓶，且能夠兼容多口徑、多容量的采樣瓶。上蓋板安裝有一舵機，電機外殼剛性連接在上蓋板上，其輸出軸安裝有小面積圓盤，圓盤上方固定有一水泵，水泵的出水口安裝有折彎的導(dǎo)管，將水樣輸送至采樣瓶中，其進水口連接有柔性軟導(dǎo)管，延伸至無人機懸停水域水面以下，柔性導(dǎo)管末端安裝有濾網(wǎng)，濾網(wǎng)上方安裝有可調(diào)節(jié)的浮漂，用于限定采集水樣的深度。

2.3控制及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

（1）通過富斯i6控制器來發(fā)送信號來控制無人機的飛行，采用射頻發(fā)送，能控制6個通道，距離超遠，可達1000米，飛控中包含的GPS模塊主要實現(xiàn)無人機的懸停，定高等操作；

（2）基于STM32微處理器，通過識別遙控器接收器未使用的第五或第六通道發(fā)出的PWM波來代替開關(guān)量。當識別出PWM波占空比大于一定百分比時便觸發(fā)采集水樣的操作。單片機引腳發(fā)送信號給三極管經(jīng)過電流放大后接在繼電器上以控制水泵的開關(guān)。

（3）通過控制STM32發(fā)出的PWM占空比來調(diào)節(jié)舵機的角度，實現(xiàn)了每觸發(fā)一次開關(guān)量便在接下來的十秒內(nèi)分別執(zhí)行兩次順時針旋轉(zhuǎn)45度的指令。

（4）傳感器對已采樣的水樣進行檢測，本例中僅對水樣溫度進行了檢測，后續(xù)可加入更多傳感器。此功能用到的模塊有SIM900A模塊，STM32F103，DS1820溫度傳感器。硬件框圖如圖1

圖1　

當裝置開始工作時，DS18B20將原始數(shù)據(jù)通過串行口發(fā)送至STM32進行處理，每次測量的時間和溫度數(shù)據(jù)會存至外部EEPROM以免丟失。SIM900的GPRS模塊與STM32之間的通信通過串行口發(fā)送AT指令完成，通過AT指令對SIM900進行初始化，配置參數(shù)，繼而通過AT指令控制GPRSModem與服務(wù)器進行連接，實現(xiàn)透明傳輸，將數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器。

3　作業(yè)流程

具體作業(yè)過程如下：

（1）規(guī)劃作業(yè)路徑

可以根據(jù)視頻傳輸?shù)膱D像加之肉眼視覺作為參考依據(jù)飛行，或者采用衛(wèi)星定位進行直達定點飛行，亦可在固定取水電點安置信標，方便無人機進行航行至水體上方后進行懸停。

（2）采集第一次水樣

懸停后舵機工作將出水口對準采樣瓶口，水泵開始工作，一段時間后停止。此時瓶中傳感器對水樣進行檢測并通過STM32處理器進行分析，將原始數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸至地面控制端。無人機航行至下一采樣地點并懸停在水域上方。

（3）采集非首次水樣

采集非首次水樣時，為保證水樣品質(zhì)均要對管路用待采樣水體稀釋清洗，兩舵機協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)出水口至兩個采樣瓶之間，啟動水泵，稀釋清洗完成后關(guān)閉水泵，步進電機轉(zhuǎn)動使得出水口對準采樣瓶，后再次循環(huán)步驟2中的過程。

（4）返航

按照要求完成所有采樣瓶的采樣工作后，無人機返航。

（5）二次出發(fā)

快速更換潔凈的采樣瓶與電池后無人機將再次出發(fā)，循環(huán)上述的過程。

4　控制端軟件設(shè)計

地面控制端上位機用可視化強，代碼較為簡單的VB設(shè)計，上位機的功能主要是從指定服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)并處理顯示。在測試中，無人機獲取的數(shù)據(jù)被傳送到指定服務(wù)器，由服務(wù)器分析后存儲在一個指定文檔中，地面控制端的上位機只需定時讀取和修改這個文檔中的信息即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和對無人機的控制。軟件界面如圖2

圖2　

5　結(jié)語

本文設(shè)計了一款基于無人機技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測采樣裝置，通過STM32F103與SIM900A的GPRS模塊分析和傳輸數(shù)據(jù)，將帶有水泵的小型化的采樣和分析處理裝置與目前極具發(fā)展前途的無人機相結(jié)合，具有采樣便捷、實時監(jiān)測、無線控制、多點采樣等特點。實現(xiàn)了在惡劣環(huán)境下的水質(zhì)采樣，實時分析監(jiān)測數(shù)據(jù)的功能。極大的降低了水質(zhì)監(jiān)測的成本，為水質(zhì)監(jiān)測的發(fā)展開辟出一條新的道路。

參考文獻

[1]劉亮,王擊,楊澤.基于ARM Cortex－M3和Internet的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].2011(11).

[2] 周啟星.環(huán)境基準研究與環(huán)境標準制定進展及展望 [J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學 報， 2010， 26(1):1～8.

[3]楊明智，王敏.四旋翼衛(wèi)星飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制.2008(16).485-490

[4]單海燕.四旋翼無人直升機飛行控制技術(shù)研究[D].南京航空航天大學.2008

作者簡介

劉國洋（1995.04- ），男，山東省青島人，漢族，本科，研究方向：測控技術(shù)與儀器

王宇（1993.10- ），男，山東省濰坊人，漢族，本科，研究方向：機械設(shè)計制造及其自動化

魏茂源（1995.01- ），男，山東省東營人，漢族，本科，研究方向：材料成型及控制工程

李楠（1996.01- ），女，山西省臨汾人，漢族，本科，研究方向：測控技術(shù)與儀器

Water sampling and quality monitoring device based on UAV technology

Liu Guoyang,Wang Yu,Wei Maoyuan,Li Nan
(Shandong University of Science and Technology,266510)

Abstract：In order to improve water quality monitoring efficiency and avoid wasting labor and energy resources,a water sampling and quality monitoring device is designed on basis of UAV technology. Statistics collected from the water-pump will be processed by the STM32 microprocessor in the UAV and then the results will be sent to the service terminal through GPRS network. The upper computer of the control terminal on the ground will receive the processed results and control the UAV in the meanwhile. Through experiments, it can be proved that the device can efficiently perform real-time water quality monitoring.

Keywords：UAV;water quality monitoring;STM32F103;GPRS