基于機(jī)器艇與ZigBee的湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃培燦, 徐欽桂

(東莞理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 東莞 523808)

基于機(jī)器艇與ZigBee的湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃培燦, 徐欽桂

(東莞理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 東莞 523808)

湖泊是地表水資源的重要載體，為了全面、實(shí)時(shí)、高效地監(jiān)測(cè)湖泊水環(huán)境，設(shè)計(jì)一種湖泊水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尤為重要;多艘機(jī)器艇搭載水溫、pH值、溶解氧等傳感器，在湖面上組成基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;水質(zhì)數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行分析顯示;基于GPS和姿態(tài)傳感器的運(yùn)動(dòng)控制算法實(shí)現(xiàn)了機(jī)器艇自主航行到指定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的功能；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)湖泊水質(zhì)的較大范圍實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

機(jī)器艇；ZigBee網(wǎng)絡(luò)；自主航行；水質(zhì)監(jiān)測(cè)

0 引言

湖泊是地表水資源的重要載體，是維系生態(tài)系統(tǒng)健康的重要因子。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及工業(yè)化、城市化進(jìn)程的加快，由工業(yè)發(fā)展帶來的環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重。水環(huán)境污染已經(jīng)影響到人們生活的方方面面，同時(shí)人們?nèi)找嬖鰪?qiáng)的環(huán)保意識(shí)對(duì)水資源保護(hù)提出了更高的要求，因此加強(qiáng)對(duì)湖泊水質(zhì)及周邊環(huán)境的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要[1]。

目前，湖泊水環(huán)境監(jiān)測(cè)的主要方式有人工采樣分析、建立監(jiān)測(cè)站和遙感監(jiān)測(cè)。其中采用人工采樣、實(shí)驗(yàn)室分析方式無法實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且存在監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、時(shí)效性差、勞動(dòng)強(qiáng)度大以及數(shù)據(jù)采集速度慢等問題。通過建立由監(jiān)控中心和若干監(jiān)測(cè)子站組成的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，但需建立多個(gè)監(jiān)測(cè)子站，易破壞監(jiān)測(cè)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，并且監(jiān)測(cè)范圍有限、系統(tǒng)投資成本高。另外采用遙感技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以非接觸方式對(duì)水體進(jìn)行電磁波譜特性福射、反射和散射探測(cè)，通過對(duì)所獲得的圖、譜進(jìn)行信息處理，達(dá)到識(shí)別目標(biāo)理化特性的目的。但其監(jiān)測(cè)精度還有待提高，并且測(cè)量時(shí)易受地形地貌的限制[2]。為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文設(shè)計(jì)了一種湖泊水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。使用機(jī)器艇搭載水溫、pH值、溶解氧等傳感器，在湖面上組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過GPS定位并自主航行到指定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。水質(zhì)數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行分析顯示。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由PC機(jī)與多艘機(jī)器艇構(gòu)成，分別作為上位機(jī)與下位機(jī)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。每艘機(jī)器艇都裝配有機(jī)器艇控制與數(shù)據(jù)采集平臺(tái)硬件以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集功能，另外機(jī)器艇與PC機(jī)都連接有ZigBee模塊用于組成無線傳感器通信網(wǎng)絡(luò)。由于使用在線的GIS系統(tǒng)，因此PC端需通過WIFI網(wǎng)絡(luò)連接4G無線路由器，實(shí)現(xiàn)接入互聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)使用了GPS模塊，實(shí)現(xiàn)自身的定位。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器艇控制與數(shù)據(jù)采集平臺(tái)

機(jī)器艇控制與數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的硬件主要由STM32F103ZET6微控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和各種傳感器模塊組成，如圖2所示。STM32F103ZET6是基于ARM Cortex-M3核的32位微控制器，主頻最高可達(dá)72 MHz，配置了64 KB SRAM和最高512 KB Flash，而且內(nèi)部集成了豐富的功能部件，包括5個(gè)USART、3個(gè)SPI、2個(gè)I2C、3個(gè)12位ADC以及1個(gè)CAN，可滿足系統(tǒng)應(yīng)用需求。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用L298N芯片實(shí)現(xiàn)兩路直流電機(jī)的控制。傳感器模塊分兩類，一類是空氣和水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器，包括空氣溫濕度、水溫、pH值、溶解氧傳感器；另一類為運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)傳感器，包括姿態(tài)傳感器、電子羅盤、超聲波測(cè)距模塊和GPS模塊。

圖2 機(jī)器艇控制與數(shù)據(jù)采集平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)

2.1.1 水質(zhì)傳感器

水溫、pH值和溶解氧是地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的基本項(xiàng)目，是水質(zhì)監(jiān)測(cè)的主要指標(biāo)項(xiàng)目。機(jī)器艇搭載有水溫傳感器、pH傳感器和溶解氧傳感器，它們分別與STM32微控制器相連接。其中水溫傳感器采用數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，外部使用導(dǎo)熱性能高的密封膠進(jìn)行灌封，保證了傳感器的高靈敏性和很小的溫度延遲。該傳感器的測(cè)量范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃，精度為±0.5℃。pH傳感器由復(fù)合電極和帶溫度補(bǔ)償?shù)男盘?hào)處理模塊組成，采用電位法原理測(cè)量溶液的pH值[3]。該傳感器的測(cè)量范圍為0～14，測(cè)量精度0.01，工作溫度范圍：5～60℃，響應(yīng)時(shí)間小于5秒。溶解氧傳感器采用GW WQ401水質(zhì)溶解氧傳感器，其測(cè)量范圍是0～20 mg/L，工作溫度范圍：-40～+55℃，精度為±0.5%。以上各傳感器性能指標(biāo)全部滿足測(cè)量要求。

2.1.2 GPS模塊

GPS(全球定位系統(tǒng))利用接收衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位與授時(shí)的技術(shù)，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力，當(dāng)前民用定位精度約為10米。本系統(tǒng)選用的GPS模塊輸出的數(shù)據(jù)格式采用NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)。NMEA-0183是一套定義接收機(jī)輸出的標(biāo)準(zhǔn)信息，有幾種不同的格式，每種都是獨(dú)立相關(guān)的ASCII格式，使用逗號(hào)隔開數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流長(zhǎng)度從30～100字符不等，通常以每秒間隔輸出，最常用的格式為GGA，它包含了定位時(shí)間，緯度，經(jīng)度，高度，定位所用的衛(wèi)星數(shù)等[4]。

2.1.3 姿態(tài)傳感器

本系統(tǒng)選用InvenSense公司生產(chǎn)的MPU-6050姿態(tài)傳感器。MPU-6050是全球首例9軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器。它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP(Digital Motion Processer)，可用I2C輸出一個(gè)9軸信號(hào)。MPU-6050內(nèi)置ADC可直接把測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字。陀螺儀可測(cè)范圍為±250°/秒，±500°/秒，±1 000°/秒，±2 000°/秒，加速度計(jì)可測(cè)范圍為±2 g，±4 g，±8 g，±16 g[5]。使用MPU-6050的用于計(jì)算出物體的姿態(tài)，用歐拉角表示，分別是俯仰角θ(pitch)、橫滾角φ(roll)與偏航角ψ(yaw)。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSNs)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量傳感器節(jié)點(diǎn)相互通信形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是物聯(lián)網(wǎng)底層網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)形式[6]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有組網(wǎng)靈活方便、成本低廉、低功耗等特點(diǎn)，所以WSNs通常采用該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議作為其無線通信標(biāo)準(zhǔn)[7]。

本系統(tǒng)選用的ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信模塊由2.4 G射頻收發(fā)芯片CC2530與帶功率放大射頻前端芯片CC2591組成，可實(shí)現(xiàn)全透明、高穩(wěn)定、低功耗、遠(yuǎn)距離、大規(guī)模ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)。模塊分為三種類型：協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立與維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器。終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)是普通的傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。而路由節(jié)點(diǎn)除了具備終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)的功能外，還可以提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，擴(kuò)展通信范圍。當(dāng)主機(jī)建立起網(wǎng)絡(luò)之后，路由設(shè)備與終端設(shè)備即可自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)。通信模式有三種分別是廣播模式、一對(duì)多模式、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式。

本系統(tǒng)協(xié)調(diào)器連接PC機(jī)，路由器節(jié)點(diǎn)連接到機(jī)器艇，采用一對(duì)多透明傳輸模式。在這種工作模式下PC機(jī)通過串口發(fā)送的數(shù)據(jù)會(huì)完全透明地傳輸?shù)剿新酚晒?jié)點(diǎn)，接著從路由節(jié)點(diǎn)的串口輸出到機(jī)器艇的STM32控制器；同理，機(jī)器艇的STM32控制器通過其串口發(fā)送的數(shù)據(jù)會(huì)完全透明地傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器串口從而輸出到PC機(jī)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件基于μCOSII操作系統(tǒng)，通過多任務(wù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能。μCOSII是一個(gè)可移植、可定制、搶占式、實(shí)時(shí)、多任務(wù)的操作系統(tǒng)內(nèi)核[8]。使用μCOSII的主要目的是利用其多任務(wù)特性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各部分功能的模塊化，使得各功能模塊協(xié)調(diào)有序運(yùn)行。每個(gè)功能模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)系統(tǒng)任務(wù)，被操作系統(tǒng)調(diào)度執(zhí)行。系統(tǒng)中的任務(wù)分為系統(tǒng)任務(wù)與業(yè)務(wù)任務(wù)。系統(tǒng)任務(wù)是指通用的非業(yè)務(wù)相關(guān)的任務(wù)，包括工作指示燈、升級(jí)下載、系統(tǒng)復(fù)位任務(wù)；業(yè)務(wù)任務(wù)包括運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集和定時(shí)報(bào)警任務(wù)。

3.2 上位機(jī)軟件

機(jī)器艇控制與湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是運(yùn)行在PC端的上位機(jī)軟件，負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)采集、顯示與機(jī)器艇控制。系統(tǒng)主要包括三大功能，包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集與顯示、位置與姿態(tài)顯示以及機(jī)器艇控制。環(huán)境數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的單次采集、周期采集以及周期檢測(cè)報(bào)警功能。當(dāng)啟動(dòng)某個(gè)傳感器的周期檢測(cè)報(bào)警功能后，機(jī)器艇會(huì)啟動(dòng)周期采集任務(wù)，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)值超過閾值，則主動(dòng)發(fā)送報(bào)警信息到上位機(jī)。位置方向姿態(tài)功能指實(shí)時(shí)顯示與運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)的傳感器數(shù)據(jù)，包括加速度、陀螺儀、羅盤與超聲波測(cè)距，另外把機(jī)器艇當(dāng)前的GPS位置信息標(biāo)記在地圖中。本系統(tǒng)采用了開放的高質(zhì)量的在線地圖，保證了地圖的信息的準(zhǔn)確性以及本系統(tǒng)的可應(yīng)用范圍。機(jī)器艇控制功能主要包括手動(dòng)控制、設(shè)定目標(biāo)位置、計(jì)算航向角和距離以及發(fā)送到達(dá)目標(biāo)位置命令等功能。上位機(jī)軟件的總體功能如圖3所示。

3.3 通信報(bào)文格式設(shè)計(jì)

通信報(bào)文是指節(jié)點(diǎn)間消息傳遞的內(nèi)容?？紤]使用廣播傳輸模式發(fā)送報(bào)文，因此報(bào)文包含源地址與目的地址字段。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到報(bào)文后會(huì)先判斷報(bào)文是否發(fā)給本機(jī)，如果報(bào)文的目的地址與該節(jié)點(diǎn)的地址不匹配則丟棄報(bào)文。傳感器字段指定了要響應(yīng)命令的任務(wù)模塊所負(fù)責(zé)的傳感器或設(shè)備控制器。由于有些命令帶有參數(shù)，并且參數(shù)長(zhǎng)度不確定，因此除了有參數(shù)字段外，還附加了參數(shù)長(zhǎng)度字段。

4 航行到目標(biāo)位置的算法

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器艇的自主航行功能，機(jī)器艇搭載了GPS模塊、姿態(tài)傳感器、電子羅盤與超聲波測(cè)距模塊。姿態(tài)、電子羅盤等傳感器可提供加速度、船體姿態(tài)等信息作為運(yùn)動(dòng)控制算法的參數(shù)。同時(shí)這些信息也會(huì)傳輸?shù)絇C端的控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)顯示。機(jī)器艇使用GPS獲取自身的位置信息，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)把位置信息發(fā)送到PC端，最終其所在位置會(huì)被標(biāo)注在控制系統(tǒng)的地圖上。操作者先在地圖上標(biāo)注目標(biāo)位置，然后發(fā)出到達(dá)目標(biāo)位置的命令。接收到命令的機(jī)器艇在運(yùn)動(dòng)控制算法的作用下自主航行到目標(biāo)位置。

4.1 航向角與距離計(jì)算

雖然目標(biāo)位置的經(jīng)緯度在地圖上可直接獲取，但是國(guó)家對(duì)地理信息有嚴(yán)格的保密要求，地圖上拾取的目標(biāo)位置經(jīng)緯度不等于其在GPS坐標(biāo)系中的經(jīng)緯度，兩者有一定的偏移量，實(shí)際距離誤差可達(dá)數(shù)公里，因此只能使用在地圖坐標(biāo)系中計(jì)算得到的目標(biāo)位置相對(duì)當(dāng)前位置的航向角與距離來描述目標(biāo)位置，然后在GPS坐標(biāo)系中進(jìn)行逆運(yùn)算，求得目標(biāo)位置在GPS坐標(biāo)系中的經(jīng)緯度。航向角是指從機(jī)器艇當(dāng)前所在位置指向目標(biāo)位置的方向與正北方向的夾角，范圍是0°～360°。在小范圍區(qū)域內(nèi)，且對(duì)精度要求不高的情況下，可把經(jīng)緯度坐標(biāo)系看作平面坐標(biāo)系，以簡(jiǎn)化運(yùn)算處理。設(shè)定緯度為y軸，經(jīng)度為x軸，y軸方向指向正北，航向角α與距離d，如圖5所示(x1,y1)是機(jī)器艇所在位置，(x2,y2)是目標(biāo)位置坐標(biāo)。

航向角需根據(jù)目標(biāo)位置坐標(biāo)進(jìn)行分析計(jì)算，在圖6中S(x1,y1)為機(jī)器艇的起點(diǎn)坐標(biāo)，A、B、C、D表示目標(biāo)位置，其中A點(diǎn)的坐標(biāo)為(x2,y2)。航向角的計(jì)算方法如下：

先計(jì)算S點(diǎn)到目標(biāo)位置點(diǎn)方向與x軸夾角β，公式如下：

Δy=|y2-y1|

(1)

Δx=|x2-x1|

(2)

(3)

其中:0≤β<π/2，轉(zhuǎn)換為度，需乘以180/π，目標(biāo)位置相對(duì)機(jī)器艇原位置坐標(biāo)可能在第一、二、三、四象限，因此航向角α的計(jì)算公式如下：

(4)

計(jì)算當(dāng)前位置距離目標(biāo)位置的距離d，即己知兩點(diǎn)的經(jīng)緯度，求兩點(diǎn)之間的距離。先根據(jù)兩點(diǎn)間經(jīng)度或緯度的夾角與半徑，利用弧長(zhǎng)計(jì)算公式，算出兩點(diǎn)間經(jīng)度圈上和緯度圈上的弧長(zhǎng)。對(duì)于經(jīng)度圈，半徑即為地球半徑；而對(duì)于緯度圈，半徑為地球半徑乘以基準(zhǔn)點(diǎn)緯度值的余弦。由于在小范圍內(nèi)地球表面可以視為平面，因此可將弧長(zhǎng)近似為弦長(zhǎng)，最后利用勾股定理求出兩點(diǎn)間的距離，即可近似等于地球球面兩點(diǎn)間的距離[9]。計(jì)算公式如下：

l=R×cos(y1)×|x2-x1|×π/180

(5)

s=R×|y2-y1|×π/180

(6)

(7)

式中，R表示為地球半徑，l表示為緯度圈上的弧長(zhǎng)，s表示為經(jīng)度圈上的弧長(zhǎng)，d表示坐標(biāo)點(diǎn)間的距離。

4.2 算法

機(jī)器艇接收到到達(dá)目標(biāo)位置的命令后，先根據(jù)命令參數(shù)中的航向和距離計(jì)算出目標(biāo)位置的GPS坐標(biāo)(x2,y2)。計(jì)算公式如下：

Δx=d×sin(α)

(8)

Δy=d×cos(α)

(9)

(10)

(11)

式中，R表示為地球半徑，d表示與目標(biāo)位置的距離，α表示航向角。此公式組計(jì)算得到的目標(biāo)位置坐標(biāo)與機(jī)器艇自身坐標(biāo)同屬于GPS坐標(biāo)系。

機(jī)器艇在航行過程中，由于受船體結(jié)構(gòu)、負(fù)載以及水流、風(fēng)向影響，不可能直線前進(jìn)，必須動(dòng)態(tài)調(diào)整航向[10]。其基本的控制算法如圖7所示。

圖7 航行到目標(biāo)位置算法

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1 通信測(cè)試

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性是本系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。為了測(cè)試基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信可靠性，采取定時(shí)發(fā)送采集命令，統(tǒng)計(jì)返回結(jié)果的方法進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過程中的通信距離為200 m，命令長(zhǎng)度為48字節(jié)，按不同的發(fā)送周期定時(shí)發(fā)送命令，其測(cè)試結(jié)果如表1所示。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)送周期為0.20 s時(shí)成功率明顯下降，而大于等于0.25 s時(shí)，通信可靠性高，可滿足本系統(tǒng)應(yīng)用需求。

表1 通信測(cè)試數(shù)據(jù)

5.2 功能測(cè)試

本設(shè)計(jì)方案的原型系統(tǒng)，主要包括兩艘機(jī)器艇機(jī)與上位機(jī)軟件。機(jī)器艇安裝了主控制器、ZigBee通信模塊以及環(huán)境水質(zhì)、運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)傳感器。水質(zhì)傳感器安裝在機(jī)器艇船底側(cè)面，船頭裝有超聲波測(cè)距模塊，用于避障。另外還加裝了OLED顯示屏幕以顯示機(jī)器艇的工作狀態(tài)。GPS模塊安裝在船體甲板中部，白色陶瓷天線朝上。

測(cè)試過程是先由上位機(jī)軟件發(fā)送指令讓兩艘機(jī)器艇分別到達(dá)不同的目標(biāo)位置，然后周期采集水質(zhì)數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果表明采集結(jié)果能實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件，同時(shí)在地圖上正確標(biāo)出機(jī)器艇所在位置。采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)如表2所示。測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際值相比有一定的誤差，但都在傳感器誤差范圍內(nèi)，另外兩艘機(jī)器艇的數(shù)據(jù)結(jié)果有較小的差值，考慮到實(shí)驗(yàn)時(shí)它們相距不遠(yuǎn)，因此傳感器本身的誤差仍然是兩艘機(jī)器艇的數(shù)據(jù)結(jié)果不盡相同的主要因素。

表2 水質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

本文分析了目前湖泊水環(huán)境監(jiān)測(cè)的技術(shù)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器艇與ZigBee網(wǎng)絡(luò)的湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過機(jī)器艇在湖面航行，監(jiān)測(cè)點(diǎn)靈活可變，擴(kuò)大對(duì)湖面水質(zhì)的監(jiān)測(cè)范圍，并可實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使得多艘機(jī)器艇可在湖面組成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，提高了監(jiān)測(cè)效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)湖泊水質(zhì)的較大范圍實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

[1] 梁承美.基于物聯(lián)網(wǎng)的湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D].上海: 華東理工大學(xué), 2014.

[2] 劉 紅,張清海,林紹霞,等.遙感技術(shù)在水環(huán)境和大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 41(1):187-191.

[3] 陳 瑤,薛月菊,陳聯(lián)誠(chéng),等.pH傳感器溫度補(bǔ)償模型研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2012, 25(8):1034-1038.

[4] 薛 君.基于 GPS定位技術(shù)的工程船舶監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].武漢:武漢理工大學(xué), 2009.

[5] 邱云平,伍寶玉.MPU-6050模塊角度算法處理及在嵌入式中的應(yīng)用[J].江西科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2014,9(2):26-29.

[6] Liu Q, Huang X H, Leng S P.Deployment strategy of wireless sensor networks for Internet of Things[J].China Communications, 2011, 8(8):111-120.

[7] 錢志鴻,王義君.面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].電子與信息學(xué)報(bào), 2013, 35(1):215-227.

[8] 邵貝貝.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) μC/OS-II[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2007.

[9] 尹 博.基于 GPS和加速度傳感器的運(yùn)動(dòng)類智能終端應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學(xué), 2012.

[10] 田 勇.水面無人艇運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連:大連海事大學(xué), 2016.

Design of Lake Water Quality Monitoring System Based on Robot Boat and ZigBee

Huang Peican，Xu Qingui

(School of Computer Science, Dongguan University of Technology,Dongguan 523808, China)

In order to monitor the lake water environment in a comprehensive, real-time and high efficient way, it is very important to design a lake water quality automatic monitoring system. Many robot boats carry water temperature, pH, dissolved oxygen sensors and construct ZigBee based wireless sensor network for data acquisition. The water quality data is transmitted to the host computer through the wireless sensor network for analysis and display. The robot boat can autonomously navigates to the specified monitoring point using GPS and attitude sensor based motion control algorithm. The experimental results show that the system realizes the automatic real-time monitoring of the lake water quality to satisfy the practical application requirements.

robot boat；ZigBee network； autonomous navigation；water quality monitoring

2017-02-15；

2017-03-06。

東莞市無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(20151985)。

黃培燦(1983-)，男，廣東東莞人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事嵌入式系統(tǒng)方向的研究。徐欽桂(1967-)，男，湖南長(zhǎng)沙人，博士，教授，主要從事計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與信息安全方向的研究。

1671-4598(2017)08-0024-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.08.007

TN915；TP249

A