基于物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)人船水質(zhì)采樣系統(tǒng)

張澤宇，魏 義，劉書(shū)磊，郭李雯，狄 威

（河海大學(xué)，江蘇 常州 213022）

0 引 言

為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃，定期對(duì)河流湖泊等水域進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)和采樣有助于保護(hù)我國(guó)水資源。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)和采樣需要消耗大量時(shí)間和人力，效率也比較低下。相比之下，近幾年興起的無(wú)人船技術(shù)能夠節(jié)省很多資源并提高效率?；谖锫?lián)網(wǎng)的無(wú)人船系統(tǒng)采用現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)水域的全面覆蓋，通過(guò)遠(yuǎn)程終端控制實(shí)現(xiàn)大面積水域的監(jiān)測(cè)。

當(dāng)前已經(jīng)有許多無(wú)人船可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)水域環(huán)境，通過(guò)安裝在船體底部的傳感器采集水體的相關(guān)指標(biāo)信息，將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)給地面監(jiān)測(cè)站。然而，通過(guò)傳感器采集到的水樣數(shù)據(jù)種類(lèi)少，只能根據(jù)傳感器的種類(lèi)識(shí)別水樣的部分參數(shù)。想要詳細(xì)地檢測(cè)水域中水體的具體狀況，必須對(duì)水體進(jìn)行采樣。為此，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)人船水質(zhì)采樣系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)多地點(diǎn)的水體樣本采樣。

1 無(wú)人船驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)人船水質(zhì)采樣系統(tǒng)需要無(wú)人船在指定的水域里航行，地面的操控人員需要知道無(wú)人船的實(shí)時(shí)位置，下達(dá)航行指令，并且能指揮無(wú)人船返航。為此，本文設(shè)計(jì)的無(wú)人船系統(tǒng)以Pixhawk4為無(wú)人船的驅(qū)動(dòng)控制硬件，以Mission Planner作為地面控制站，結(jié)合GNSS（全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)）和無(wú)線數(shù)傳技術(shù)，進(jìn)行無(wú)人船的導(dǎo)航定位。為防止地面基站無(wú)線數(shù)傳控制失效，采用RadioLink遙控器控制為備用控制方案。無(wú)人船整體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)人船控制系統(tǒng)

1.1 Pixhawk4飛行控制板

Pixhawk是一款高性能、低成本的開(kāi)源飛控系統(tǒng)，被不同行業(yè)的開(kāi)發(fā)者用于無(wú)人機(jī)、無(wú)人車(chē)和無(wú)人船控制。Pixhawk開(kāi)發(fā)板可以根據(jù)需要外接電源模塊、GPS模塊、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊等。由于Pixhawk有相關(guān)社區(qū)技術(shù)支持，加上科研人員不斷進(jìn)行開(kāi)發(fā)優(yōu)化，可以直接使用開(kāi)源程序進(jìn)行使用。本文中使用的是最新款Pixhawk4飛控板。

1.2 Mission Planner地面站

地面站通常是在岸基計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的軟件應(yīng)用程序，通過(guò)無(wú)線遙測(cè)與無(wú)人艇進(jìn)行通信。它顯示無(wú)人艇位姿和位置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以作為“虛擬駕駛艙”，通過(guò)基站下達(dá)航行指令，顯示許多與真實(shí)駕駛無(wú)人艇時(shí)相同的儀表數(shù)據(jù)。Mission Planner是Windows系統(tǒng)下APM/PIX標(biāo)配地面站，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和優(yōu)化，已經(jīng)很穩(wěn)定和成熟。Mission Planner操作界面如圖2所示。

圖2 Mission Planner操作界面

1.3 RadioLink遙控器

RadioLink遙控器是樂(lè)迪電子推出的系列遙控器，可用于直升機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)、無(wú)人車(chē)、無(wú)人船的遙控控制。本文無(wú)人船使用的是12通道遙控器AT10II，自帶的USB接口，可用于后續(xù)固件升級(jí)。

1.4 雙船體結(jié)構(gòu)

為保證在水面上的穩(wěn)定性，用于水質(zhì)采樣的無(wú)人船采用雙體船結(jié)構(gòu)，整體模型如圖3所示。連接船體的兩個(gè)支撐架分別用于放置硬件和安裝采樣裝置。船體尾部各自安裝了水下推進(jìn)器，12 V鋰電池電源供電。控制無(wú)人船驅(qū)動(dòng)包括自動(dòng)駕駛和手動(dòng)遙控兩種模式。

圖3 無(wú)人船模型

2 無(wú)人船水質(zhì)采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)人船對(duì)水域的保護(hù)包括水環(huán)境監(jiān)測(cè)和水體采樣。水環(huán)境監(jiān)測(cè)利用安裝在無(wú)人船底部的檢測(cè)裝置采集水體的參數(shù)，包括溶氧量、濁度、含氮量等等；水體采樣則是用安裝在船體上的采樣裝置來(lái)完成，并裝入收集器皿內(nèi)?，F(xiàn)有的一些采樣裝置采集的水體樣本容積大，大量采水容易引起船身的傾斜，影響航行。此外，由于采樣裝置簡(jiǎn)單，采集到的水體樣本數(shù)量少，想要獲得多處水樣需要進(jìn)行多次航行，會(huì)造成不必要的時(shí)間和精力的浪費(fèi)。

2.1 采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對(duì)上述情況，設(shè)計(jì)一種可以進(jìn)行多次采樣的無(wú)人船采樣系統(tǒng)，如圖4所示。采水裝置有多個(gè)漏斗口，步進(jìn)電機(jī)控制抽水泵轉(zhuǎn)動(dòng)，抽水泵的出水口正好對(duì)接漏斗口，從而只要控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度便能夠?qū)崿F(xiàn)多次水體樣本采樣。通過(guò)樹(shù)莓派控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和抽水泵的啟停，輔助以電源模塊、穩(wěn)壓模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。樹(shù)莓派、工控機(jī)之間通過(guò)無(wú)線基站建立局域網(wǎng)，擴(kuò)大控制距離。漏斗口下方用橡膠軟管連接收集皿，并標(biāo)記序號(hào)。

圖4 采樣裝置

2.2 采樣程序

采樣控制由樹(shù)莓派發(fā)送信號(hào)實(shí)現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)和抽水泵開(kāi)關(guān)信號(hào)分別連接對(duì)應(yīng)的I/O口，并通過(guò)程序初始化，相應(yīng)程序如下：

3 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)人船水質(zhì)采樣系統(tǒng)用于河流湖泊水質(zhì)的采樣，采集到的水體樣本可供研究人員研究分析。本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無(wú)人船水質(zhì)采樣系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制無(wú)人船在若干個(gè)不同點(diǎn)位進(jìn)行水質(zhì)采樣和收集，提高水域水質(zhì)采樣的效率。