水質(zhì)監(jiān)測無人艇控制系統(tǒng)設(shè)計

劉群銘 蘭育飛 史穎剛

摘? ?要：文章設(shè)計了水質(zhì)監(jiān)測無人艇的控制系統(tǒng)，包括艇載系統(tǒng)、手持終端和監(jiān)控中心。系統(tǒng)涉及了嵌入式技術(shù)、GPS技術(shù)、無線通信技術(shù)、PWM控制技術(shù)和GPRS通信技術(shù)。系統(tǒng)具有兩種控制方式：一是通過手持終端、GPS和無線模塊對無人艇進(jìn)行遙控;二是通過GPS和電子羅盤自主導(dǎo)航。兩種方式互相獨(dú)立工作。

關(guān)鍵詞：無人艇;控制系統(tǒng);遠(yuǎn)程遙控;自主導(dǎo)航

漁業(yè)養(yǎng)殖環(huán)境的水體質(zhì)量，對水產(chǎn)動物的生長發(fā)育有重大影響，關(guān)系到水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的產(chǎn)量、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益[1]。目前，漁業(yè)養(yǎng)殖的水體環(huán)境監(jiān)測，主要靠養(yǎng)殖戶自己測量[2]，在水面比較遼闊的湖泊，人工檢測面臨速度慢、過程繁瑣、勞動強(qiáng)度大、不能有效覆蓋整體水域等難題。為解決上述難題，國內(nèi)外的專家學(xué)者在水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)[3]、水面無人艇[4]、自動巡航監(jiān)測船[5]等方面，開展了相關(guān)研究。本文結(jié)合嵌入式技術(shù)和無線通信技術(shù)，設(shè)計了一種水質(zhì)檢測無人艇的控制系統(tǒng)。通過手持終端和上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)無人艇的遠(yuǎn)程控制。

1? ? 系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)無人艇和水質(zhì)監(jiān)測的控制要求，設(shè)計控制系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。系統(tǒng)由艇載系統(tǒng)、手持終端、監(jiān)控中心和無線通信幾個部分組成。在人眼可視范圍內(nèi)，用戶操作手持終端，可對無人艇的動作進(jìn)行無線遙控，無人艇存儲并返回位置信息給手持終端。當(dāng)目標(biāo)水域過遠(yuǎn)時，監(jiān)控中心通過通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service，GPRS）網(wǎng)絡(luò)，向艇載系統(tǒng)發(fā)送地點(diǎn)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)無人艇自主導(dǎo)航。

2? ? 艇載控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1? 艇載系統(tǒng)硬件方案設(shè)計

艇載系統(tǒng)包括嵌入式主控板、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）模塊、電子羅盤、SD卡、電機(jī)和無線模塊等。艇載系統(tǒng)通過無線模塊，接收手持終端發(fā)送的控制命令，通過GPRS，接收監(jiān)控中心發(fā)送的位置信息。主控板通過多種接口，控制各個模塊，并根據(jù)無線模塊接收的命令，發(fā)送相應(yīng)的動作控制命令。主控板控制兩個直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)無人艇的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和速度調(diào)節(jié)等基本運(yùn)動。電機(jī)驅(qū)動采用L298N芯片，采用脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）法[6]對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。GPS模塊用于無人艇的定位，電子羅盤用于獲取無人艇運(yùn)動方向信息，SD卡用于存儲無人艇的位置信息和方向信息。艇載系統(tǒng)硬件方案如圖2所示。

2.2? 艇載系統(tǒng)工作流程設(shè)計

系統(tǒng)有兩種工作方式：（1）當(dāng)目標(biāo)水域在人眼可視范圍內(nèi)，通過手持終端對無人艇進(jìn)行遙控。（2）當(dāng)目標(biāo)水域過遠(yuǎn)時，無人艇進(jìn)行自主導(dǎo)航。兩種方式互相獨(dú)立工作，無論采用哪種工作方式，都先要上電初始化，進(jìn)行通信檢查。通信檢查無誤后，根據(jù)命令選擇工作方式。

無人艇工作流程如圖3所示。系統(tǒng)啟動后，首先，進(jìn)行通信檢查，各模塊完成初始化。其次，主控板進(jìn)入等待命令狀態(tài)，在等待命令的過程中，讀取GPS信息和電子羅盤的方向角度，并將信息通過無線模塊發(fā)送到手持終端。再次，主控板接收到命令后，解析命令，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。最后，令包括遠(yuǎn)程遙控和自主導(dǎo)航。與遠(yuǎn)程遙控相比，自主導(dǎo)航不僅能夠節(jié)省大量的人力、物力，而且具有導(dǎo)航范圍廣、控制簡便等優(yōu)點(diǎn)。本文選擇GPS與電子羅盤聯(lián)合進(jìn)行導(dǎo)航，通過對比GPS坐標(biāo)，獲得無人艇需要運(yùn)動的方向，利用電子羅盤調(diào)整無人艇的運(yùn)動方向。

3? ? 手持終端硬件設(shè)計方案

通過手持終端對無人艇進(jìn)行無線實(shí)時遙控時，用戶輸入的控制命令由無線模塊發(fā)送到無人艇上。本文設(shè)計手持終端硬件主要由微處理器、電源模塊、無線模塊、TF卡、TFT觸摸屏、五向開關(guān)和撥碼盤組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

各個模塊的功能如下：

（1）微處理器，手持終端核心，用于處理人機(jī)接口的輸入，并且與無線模塊和TF卡進(jìn)行通信。手持終端選擇功耗低，處理性能強(qiáng)的STM32F103VET6作為微控制單元（Micro Control Unit，MCU）。

（2）電源模塊，向各個模塊提供工作電壓。

（3）TF卡，用于存儲監(jiān)測信息。

（4）TFT觸摸屏，TFT觸摸屏采用TFT-LCD系統(tǒng)，具有高響應(yīng)度、高亮度、高對比度等優(yōu)點(diǎn)[7]。本文采用觸摸屏作為人機(jī)交互接口，觸控操作簡便，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要對用戶界面進(jìn)行功能擴(kuò)展。

（5）五向開關(guān)、撥碼盤：五向開關(guān)用于手動控制無人艇的運(yùn)動狀態(tài)，包括前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止，撥碼盤用于實(shí)現(xiàn)無人艇的速度控制。五向開關(guān)和撥碼盤配合使用，共同實(shí)現(xiàn)無人艇的運(yùn)動控制。

4? ? 監(jiān)控中心方案設(shè)計

監(jiān)控中心由監(jiān)控計算機(jī)和GPRS通信軟件組成。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控中心與艇載系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)無人艇自主導(dǎo)航和GPS信息接收。本文采用C#語言，基于動態(tài)庫，設(shè)計GPRS通信軟件，實(shí)現(xiàn)艇載系統(tǒng)與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信。每隔100 ms，系統(tǒng)觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送接收程序，包括客戶端的連接、斷開和數(shù)據(jù)接收等，以獲取、存儲并反饋無人艇當(dāng)前的位置信息。

5? ? 結(jié)語

本文提出了一種水質(zhì)監(jiān)測無人艇控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，完成了艇載系統(tǒng)、手持終端和監(jiān)控中心的方案設(shè)計。由于時間限制，本文只完成了相關(guān)硬件設(shè)計和軟件流程設(shè)計，在后續(xù)研究中，將進(jìn)行實(shí)物測試實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集。期待在大面積的漁業(yè)養(yǎng)殖場中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對水體環(huán)境的監(jiān)測，促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

[1]曾洋泱，匡迎春，沈岳，等.水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2013（1）：40-44.

[2]李家良.水面無人艇發(fā)展與應(yīng)用[J].火力與指揮控制，2012（6）：203-207.

[3]張龍.小型移動在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

[4]廖煜雷，龐永杰，莊佳園.無人水面艇嵌入式基礎(chǔ)運(yùn)動控制系統(tǒng)研究[J].計算機(jī)科學(xué)，2010（9）：214-217.

[5]陳永澤，舒軍勇，王真亮，等.基于GPS定位的無人艇自主導(dǎo)航[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2016（8）：117-121.

[6]劉松斌，王海星，李碩恒.基于STM32的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表，2016（8）：834-837.

[7]李金賜，梁九興.基于ARM Cortex M3內(nèi)核TFT觸摸屏無線遙控設(shè)計[J].福建師大福清分校學(xué)報，2012（5）：12-17.

Abstract：This paper designed the control system for water quality monitoring in unmanned boats， including boat system， handheld terminal and monitoring center. The system involves embedded technology， GPS technology， wireless communication technology， PWM control technology and GPRS communication technology. The system has two control modes： one is to remotely control the unmanned boat through the handheld terminal， GPS and wireless module， and the other is to independently navigate through GPS and electronic compass. The two methods work independently of each other.

Key words：unmanned boat; control system; remote control; autonomous navigation