基于物聯(lián)網的水體環(huán)境監(jiān)測無人船的設計

吳珊珊+劉清闖+王書旺+顧斌

摘要：本文基于物聯(lián)網技術，設計了一種用于水體環(huán)境監(jiān)測的無人船。系統(tǒng)由動力模塊、測量模塊、通信模塊、GPS定位模塊等組成，并引入非接觸供電、無線通信等技術。經過實測可見，本系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了小型化、無人化和低成本，跟蹤定位的網格化，滿足了精細化測量需求，信息傳遞的快速、可靠、穩(wěn)定，而且通過太陽能等新能源的使用，使其既防止了傳統(tǒng)燃料對水體的污染，又可以在其生命周期內永不停息地工作。

關鍵詞：物聯(lián)網技術；水體環(huán)境監(jiān)測；新能源；無人化

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）05-0165-02

作為影響國計民生最重要的自然資源之一，水資源在社會生活及工業(yè)生產中具有舉足輕重的地位。我國盡管總量豐富，卻面臨著人均占有量較低、水資源空間分布不均勻等困難[1]。造成水資源缺乏的原因很多，其中由于水體環(huán)境惡化而導致的水質型缺水是一個重要方面[2]，因此，對水體環(huán)境，主要是各種水質參數(shù)的監(jiān)測已為各級政府所重視。水體環(huán)境監(jiān)測的信息化則是該領域技術的發(fā)展方向。若能基于物聯(lián)網技術，對水體的各項物化參數(shù)（如溫度、PH值、透光率，含氧量等）進行完整采集，并最終實現(xiàn)網格化、多元化和菜單式的物化參數(shù)監(jiān)測，對于保護水資源環(huán)境、實現(xiàn)水資源的高效利用具有重要意義。

無人船（Unmanned Surface Vehicle， USV）由于具有布放靈活、成本經濟，可以在人跡罕至或人跡難至的工作區(qū)域自動測量等明顯的技術優(yōu)勢，已引起了國內外眾多學者的關注。在國外，以美國哈希（Hash）公司為代表，提出了基于Hydrolab的多參數(shù)水質監(jiān)測儀的設計方案，其監(jiān)測參數(shù)包括溶解氧、電導率等十五種參數(shù)。但是它必須搭配一定的載體才能完成任務，而且價格十分昂貴。在國內，眾多學者也相繼在這一領域展開了研究。如李廣武、韋曉強所提出的一種多功能深水環(huán)保船[3]，主要用于海面溢油回收，兼具對小塊漂浮垃圾的回收功能；金英連等提出的自主湖水環(huán)境監(jiān)測船[4]，可以實現(xiàn)水體環(huán)境的全自主監(jiān)測；林群馥等提出的無人駕駛水域環(huán)境智能監(jiān)測船[5]，可已代替人完成偏遠或惡劣環(huán)境下的全天候水域環(huán)境監(jiān)測。

本文研究并設計了一種智能化水體環(huán)境監(jiān)測無人船，系統(tǒng)基于物聯(lián)網技術，實現(xiàn)對水體的各項物化參數(shù)網格化的完整采集，后通過無線通信技術將信息傳輸至控制中心作進一步處理，完成對水體環(huán)境的監(jiān)測。此外，控制中心亦可通過反向鏈路數(shù)據采集系統(tǒng)對移動載體（船體）動力系統(tǒng)進行控制，以實現(xiàn)網格化、多元化和菜單式的物化參數(shù)監(jiān)測。與現(xiàn)有相關研究相比，本系統(tǒng)具有使用方便、結構簡單、成本低、可擴充性強等優(yōu)點，一方面滿足了廣域化分布式的需求，同時也消除了用戶對人力成本高昂的顧慮。

1 系統(tǒng)整體結構

按照動能劃分，全系統(tǒng)由動力模塊和電子艙構成。其中，動力模塊使用太陽能電池作為能源，并實現(xiàn)對其他各模塊的非接觸供電；電子艙包括測量模塊、通信模塊、GPS定位模塊。信息采集模塊由溫度、透光率、光照強度、PH值等傳感器及信號處理電路組成；通信模塊基于ZigBee技術進行自組網，基于藍牙技術實現(xiàn)點到點的傳輸，基于工作在433MHZ的無線模塊實現(xiàn)對廣域網的接入；GPS用來實現(xiàn)船體定位，以實現(xiàn)定位和網格化的自動采集。系統(tǒng)整體結構框架如圖1所示。

2 主要組成模塊及關鍵技術介紹

2.1 動力模塊

作為一種可再生的新型環(huán)保綠色能源，太陽能在實際生產應用中逐漸被人們所關注。本系統(tǒng)采用非晶硅太陽能電池進行供電，既能防止傳統(tǒng)燃料能源污染水體，又能保證系統(tǒng)電源的穩(wěn)定。非接觸供電是指與物理接觸的電力傳輸模式，是第二次無線通信，無線網絡經過第三次無線革命后，業(yè)界作為基礎應用的尖端技術，其廣泛的跨產品應用，有望推動國家和世界通信、電子、網絡、新能源等行業(yè)的突破和創(chuàng)新。

2.2 測量模塊

測量模塊是由單片機、方波發(fā)生電路、量程換擋電路、檢波電路、A/D轉換電路、鍵盤控制電路、傳感器和液晶顯示電路組成。其中傳感器可以根據使用需求選擇PH、溫度、氧、電導率、透光率等，并且進行擴展。以電導測量為例，其組成框圖如圖2所示。

如圖2所示，方波發(fā)生電路產生占空比為50%的正負脈沖為1V的電壓加到電導的兩端，經過電導池的電流經過量程換擋電路放大后變?yōu)殡妷盒盘?，通過檢波電路將電壓峰—峰值變化為電壓有效值，經過AD轉換電路后送入單片機，完成電導率數(shù)據的采集。然后進行溶液溫度的采樣，通過軟件編程對溫度進行補償，計算得到被測溶液在25℃基準溫度下的電導率。將最后的結果通過LCD顯示出來。

2.3 通信模塊

如圖3所示，通信模塊由無線發(fā)射節(jié)點和無線接收節(jié)點組成。其中，無線發(fā)射節(jié)點由無線發(fā)射模塊和單片機AT89C51組成。要發(fā)射的數(shù)據被送入單片機中后，即由AT89C51控制無線發(fā)射模塊將數(shù)據信息發(fā)送出去。本系統(tǒng)中的無線發(fā)射模塊E12-TTL工作在433MHz頻率上，工作電壓約3.3V，通過單片機設置不同的響應時間、狀態(tài)切換等形式，可以支持不同的功耗等級，從而達到整個系統(tǒng)低功耗的目的。當整個無線發(fā)射節(jié)點正常工作時，其功耗不超過300mw，通信速率為19.2Kbps。無線接收節(jié)點由無線接收模塊和單片機AT89C51組成，負責接收來自無線發(fā)射模塊的數(shù)據，并送入數(shù)據處理中心。

2.4 GPS模塊

本文選擇的是鵬騰俐科技有限公司的GPS天線加上我們自己所設計的電路才組成的模塊，主要由供電部分、GPS模組和天線組成，用于船體定位，該功能可以實現(xiàn)對大范圍水域進行全覆蓋拉網式監(jiān)測，即使遠距離作業(yè)也能隨時跟蹤船體位置，獲知測試點地理位置。

3 測試及結果分析

將本系統(tǒng)應用于校園內水域的水體環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，在下水測試前，需要對動力模塊及測量模塊進行調試。首先觀察系統(tǒng)在非接觸式供電條件下，是否能夠在水里自由游動。endprint

3.1 定位模塊測試

在使用定位功能前，需打開提前安裝好的百度地圖API，后將系統(tǒng)放入測試水域，利用GPS模塊實現(xiàn)船體定位，該功能可以實現(xiàn)對大范圍水域進行全覆蓋拉網式監(jiān)測，即使遠距離作業(yè)也能隨時跟蹤船體位置，獲知測試點地理位置。定位結果表明，在空曠水域，系統(tǒng)的定位誤差小于3米，而在非空曠水域，定位誤差為5—10米。

3.2 測量模塊測試

測量系統(tǒng)的調試框圖如圖4所示。其中，芯片3140的輸入為傳感器所采集的信號，其實質為跟隨器，若輸入信號等于輸出，則表示這部分正常。而后，3140輸出的模擬信號將進一步送入AD模塊，轉換成數(shù)字信號。生成的數(shù)字信號送入MCU，通過液晶屏來顯示。顯示的數(shù)據可以存儲到芯片中。測量模塊的供電部分，主要是由無線供電。然后經過一個升壓模塊將原來的3.7V升至5V。給整個測量電路供電。

系統(tǒng)可以對溫度、電導率、透光率、PH值和氮氧含量等物理化學參數(shù)進行檢測，并且對各類水域加以區(qū)分。這也是本系統(tǒng)最重要的一個優(yōu)勢，其拓展性非常強，根據不同的水域，可以搭載不同的傳感器來監(jiān)測。以測量PH為例，本文對正常條件下湖泊參數(shù)和自來水的參數(shù)進行了測試，通過實驗可見，PH值測試模塊可以區(qū)別自然水體與自來水。此外，溫度模塊的測量誤差小于2攝氏度。

4 結語

本文以物聯(lián)網相關技術為核心，設計了一種智能化全自動水體環(huán)境監(jiān)測無人船。系統(tǒng)的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

（1）與傳統(tǒng)的實體測量船相比，實現(xiàn)了小型化、無人化和低成本，一方面滿足了廣域化分布式的需求，同時也消除了用戶對人力成本高昂的顧慮。

（2）跟蹤定位實現(xiàn)了網格化，滿足了精細化測量需求。

（3）自組聯(lián)網后臺管理，實現(xiàn)了信息傳遞的快速、可靠、穩(wěn)定。

（4）太陽能等綠色能源的有效使用，一方面防止了傳統(tǒng)燃料對水體的污染，同時，只要用戶的如下要求存在：要求它在其生命周期內永不停息地工作，它照樣能滿足。

參考文獻

[1]王忠福.我國水資源利用中的問題與可持續(xù)利用對策[J].西安郵電學院學報，2011，5（16）：122-127.

[2]黃耀歡，王浩，肖偉華，秦大庸.內陸水體環(huán)境遙感監(jiān)測研究評述[J].地理科學進展，2010，5（29）：549-556.

[3]李廣武，韋曉強.多功能深水環(huán)保船建造檢驗要點綜述[J].2016，5（38）：15-23.

[4]金英連，王斌銳，嚴天宏.自主湖水環(huán)境監(jiān)測船的運動控制系統(tǒng)設計[J].2012，11（38）：240-243.

[5]林群馥，傅隆亮，陳曉斌，曹陽，林建.無人駕駛水域環(huán)境智能監(jiān)測船[J].2014，2：169.endprint