水陸兩棲飛行器河流污染監(jiān)控及水質(zhì)檢測研究

任顯祺

摘 要：近年來，受人類活動和社會發(fā)展的影響，水資源問題越來越嚴重，引起了政府的高度重視。我國在水質(zhì)監(jiān)測方面投入了大量人力、物力，為提高水質(zhì)監(jiān)測效率，并結(jié)合新時代的智能化要求，本文提出了一種基于水陸兩棲技術(shù)的全新水質(zhì)監(jiān)測裝置，從多角度進行智能監(jiān)測，并可隨時取樣、及時檢測水體質(zhì)量，由此可達到水質(zhì)監(jiān)測自動化、信息化和現(xiàn)代化的目的。

關(guān)鍵詞：水陸兩棲;水質(zhì)監(jiān)測;STM32;河流污染

中圖分類號：X522;X832 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）07-0137-02

Abstract： In recent years， due to the influence of human activities and social development， water resources problems have become more and more serious， which attracted the government's attention. China has invested a lot of labor power and material resources in water quality monitoring， in order to improve the efficiency of water quality monitoring， combined with the intelligent requirements of the new era， this paper proposesed a new water quality monitoring device based on amphibious technology， which can be used for intelligent monitoring from different angles and sampled at any time to detect the quality of water in time， and the purpose of automation， informatization and modernization of water quality can be achieved.

Keywords： amphibious; water quality monitoring; STM32; river pollution

隨著中國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，生活用水量和工業(yè)用水量迅速增加，使社會需水量與水資源總量之間的矛盾不斷加劇。同時，水污染情況日益加重，水資源問題已經(jīng)成為社會可持續(xù)發(fā)展的巨大阻礙，因此，加強水質(zhì)監(jiān)測、逐步解決水污染問題迫在眉睫。目前，我國水環(huán)境監(jiān)測大多采用人工采樣監(jiān)測或自動監(jiān)測站監(jiān)測等方法，監(jiān)測一次需消耗一定的人力、物力，且監(jiān)測范圍有限。新出現(xiàn)的水質(zhì)監(jiān)測船受水面環(huán)境和運行狀況的限制，不能進行多方位多角度的水質(zhì)監(jiān)測。本文研究的基于水空兩棲技術(shù)研發(fā)的新型河流污染監(jiān)控及水質(zhì)監(jiān)測裝置，在一定程度上解決了傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測方法所存在的問題，提高了水質(zhì)監(jiān)測的高效化和精確化，補充了我國現(xiàn)有水質(zhì)的檢測方式[1]。

1 水質(zhì)監(jiān)測采樣裝置的創(chuàng)新特色及擬解決問題

1.1 創(chuàng)新特色

基于水陸兩棲飛行器技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測采樣裝置，可以監(jiān)測更廣闊的水域;進行多角度、無死角地全面檢測;可用于水環(huán)境污染監(jiān)控和其他數(shù)據(jù)監(jiān)測，相比傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，更加方便快捷，節(jié)省能源、初始成本低;整個操作流程自動化、智能化。該裝置的工作模式可以很好地滿足水質(zhì)信息對時效性的要求，與其他水文信息采集技術(shù)相比，具有很好的兼容性，結(jié)合使用后，可廣泛應(yīng)用于河流水質(zhì)參數(shù)采集、水體富營養(yǎng)化監(jiān)控乃至魚類養(yǎng)殖業(yè)等方面，發(fā)展前景可觀[2]。

1.2 設(shè)計水陸兩棲飛行器裝置擬解決的問題

①應(yīng)用于地形條件復雜、地處偏僻、不方便人工采樣的水樣采集點：借助水陸兩棲飛行器裝置可提高水樣采集效率，并在一定程度上降低人員的操作危險性，提高安全系數(shù);②適用于公園（校園等）的池塘、湖泊：裝置本身可快速準確地判斷出游客帶來的垃圾污染，并可從空中大體觀察水面環(huán)境，以便對某些緊急情況做出快速反應(yīng)。同時，也可以隨時檢測湖中水體的氮磷含量，及時預(yù)防水體富營養(yǎng)化，減少藻類等污染;③適用于某些需要在水域中央采樣的水以及需要頻繁采樣的水域，大大減少人員、車輛與船舶的經(jīng)濟開支，降低單次水體采樣成本，避免人力資源浪費[3]。

2 水質(zhì)監(jiān)測采樣裝置的設(shè)計結(jié)構(gòu)

2.1 機械設(shè)計部分

水陸兩棲飛機的機身或浮筒上裝有供陸上起飛著陸用的起落架。該起落架是可收可放的，在水上起飛降落時，起落架處于收上的位置。該裝置有4個螺旋槳，具有飛行穩(wěn)定、易于操作、動作靈活等優(yōu)勢，同時也便于在水體上運行。模型機體采用PVC板，用激光雕刻機進行加工，方便實用，且質(zhì)量較輕，通過乳膠將飛行器拼接而成，保證裝置有較好的密封性。減速電機選用直流減速電機，其電機型號和驅(qū)動型號要和螺旋槳相匹配，此電機具有功率小、扭矩大的特點，比較符合使用要求。螺旋槳采用輪船的槳，提供動力較大，穩(wěn)定性好。

2.2 集成控制部分

水陸兩棲飛行器裝置以STM32開發(fā)板為核心，GPS定位模塊、無線通信模塊以及控制器通過串口與STM32處理器進行數(shù)據(jù)通信。采用STM32高性能單片機作為主控芯片控制裝置整體運行，通過輸出不同占空比的PWM信號控制高扭力無刷電機，并配合電調(diào)為裝置提供充足的動力，使用可多次充電、易更換的電池為裝置提供電力能源。單片機通過自主設(shè)計的裝置時時監(jiān)測水面情況，并通過無線模塊將畫面?zhèn)骰氐孛嬲尽．敱O(jiān)測到水體異常時，單片機控制繼電器，飛行器降落在水面，對異常情況的水體進行取樣、帶回。通過GPS模塊可實現(xiàn)對裝置精確定位、規(guī)劃路徑行進、一鍵返航等，保證裝置安全有效工作[4]。

2.3 水面監(jiān)控及水體取樣部分

2.3.1 水面監(jiān)控部分

在裝置上安裝可旋轉(zhuǎn)的紅外攝像頭，在裝置飛行時對整體水面環(huán)境進行監(jiān)控，并將實時影像返還至控制終端，以便工作人員多角度、全方位地進行水面監(jiān)測，具有靈活機動、反饋信息時效性高、在夜間和惡劣天氣下能夠順利執(zhí)行監(jiān)測任務(wù)等優(yōu)點。

2.3.2 水體取樣部分

水樣采集部分主要包含上蓋板、下蓋板、支柱、連桿、法蘭盤、萬向節(jié)、橡膠卡、伸縮臂、導管、浮漂與濾網(wǎng)。法蘭盤安裝在裝置底部，作用是將連桿與萬向節(jié)相連接，萬向節(jié)的作用是為避免水樣瓶采樣的先后順序?qū)е滤畼硬杉糠謧?cè)翻，通過將不平衡的扭矩傳遞到裝置上，通過飛控感應(yīng)控制螺旋槳，維持整體平衡。裝置上、下蓋板之間通過支柱剛性連接，下蓋板平均分布4個橡膠卡，用來固定采樣瓶，該設(shè)計的優(yōu)點是快速兼容多口徑、多容量的采樣瓶，并及時更換采樣瓶。在飛行器下方加一個伸縮機械臂，并連接一個裝有折彎的導管，由此將水樣輸送至采樣瓶中，進水口連接柔性軟導管，導管末端安裝濾網(wǎng)，濾網(wǎng)上方安裝可調(diào)節(jié)的浮漂，用于限定采集水樣深度。當裝置懸停在水面附近或降落在水面時，通過控制單元進行伸縮，取得河流水樣，從而方便工作人員隨時通過操控裝置采集待測水源的水樣，降低水質(zhì)采樣的人力成本，提高工作效率，保障工作人員的人身安全[5]。

2.4 水質(zhì)檢測部分

檢測裝置單元根據(jù)比色法及水質(zhì)中的氨氮等與納氏等試劑發(fā)生反應(yīng)生成帶有顏色的物質(zhì)，從而測定出該物質(zhì)的含量，制作一個便攜裝置，利用光傳感器，根據(jù)已有的有色物質(zhì)溶液顏色深度和待測組分含量的關(guān)系進行編程，利用裝置直接顯示各組分含量，分析水質(zhì)情況，并將數(shù)據(jù)返回到設(shè)備終端進行記錄，操作簡單方便，同時也可利用實驗設(shè)備對取樣水體進行全面檢測。

3 水陸兩棲飛行器的運行模式

水陸兩棲飛行器裝置有兩種運行方式：①空中運行，裝置懸浮在空中，通過攝像頭對水面進行實時監(jiān)控，適用于監(jiān)測水面上有無漂浮污染物，并對整體水環(huán)境有一個初步印象和大體把握;②水中運行，在裝置上裝上GPS設(shè)備，根據(jù)視頻傳輸圖像加之肉眼視覺作為參考依據(jù)，采用衛(wèi)星定位進行直達定點飛行或航行，控制裝置自動按照設(shè)定軌跡運動，并在預(yù)定采集點位置進行取樣、帶回，可往返監(jiān)測點進行多次取樣，以便進行下一步全面、深層次檢測和研究。

4 結(jié)語

本文以水陸兩棲技術(shù)為載體設(shè)計了一款全新的水質(zhì)監(jiān)測采樣裝置，通過STM32高性能單片機作為主控芯片控制整體裝置，將水體采樣裝置以及水質(zhì)分析處理裝置與我國側(cè)重發(fā)展的水陸兩棲飛行技術(shù)相結(jié)合，具有實時監(jiān)測、多點采樣、隨時采樣等特點。該裝置實現(xiàn)了在惡劣環(huán)境下的水體采樣，并對水體進行實時分析監(jiān)測，降低了水質(zhì)監(jiān)測的成本，使多水域、全方位覆蓋監(jiān)測成為可能，同時，為水質(zhì)監(jiān)測開辟出一條全新的發(fā)展道路，緩解我國的水質(zhì)監(jiān)測問題[6]。

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）：18-19.

[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（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.

[5]朱莎.水空兩用無人機動力系統(tǒng)設(shè)計與研究[D].南昌：南昌航空大學，2012.

[6]朱莎.水空兩用無人機動力系統(tǒng)設(shè)計與研究[D].南昌：南昌航空大學，2012.