基于無線通信的水下水質(zhì)檢測機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

覃建業(yè)，喻浩，何仁杰，張富饒，高娟

（電子科技大學(xué)成都學(xué)院智能制造工程系，四川成都 611731）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國水污染問題也日益嚴(yán)重，更加有效的水質(zhì)檢測方法也越來越引起人們的重視。當(dāng)前，國內(nèi)外水質(zhì)檢測的方式主要有以下幾種。1）水質(zhì)監(jiān)測站檢測[1]：在重點(diǎn)的水域和大型的湖泊都設(shè)有水質(zhì)檢測站，但其位置固定、成本過于高昂，且對于不同位置不同深度的水質(zhì)檢測不夠靈活；2）取樣實(shí)驗(yàn)室檢測[2]：野外采集水質(zhì)樣本，在實(shí)驗(yàn)室用相關(guān)化學(xué)試劑或設(shè)備分析各項(xiàng)指標(biāo)，但其檢測周期較長、取樣及各項(xiàng)操作較為繁瑣，不能滿足水質(zhì)檢測廣泛應(yīng)用的迫切需求；3）手持式水質(zhì)檢測儀檢測：手持式移動(dòng)檢測設(shè)備雖然操作簡單、集成度與精度都相對較高，但其單價(jià)較為昂貴，且無法靈活反映不同區(qū)域的水質(zhì)情況；4）船形機(jī)器人[3]：不能靈活檢測不同水深的水文參數(shù)，且漂浮于水面上，影響美觀，即使有下潛式的水質(zhì)檢測機(jī)器人，也多為拖帶線纜式，同時(shí)其價(jià)格較為昂貴，不適合水產(chǎn)養(yǎng)殖、小型湖泊等小型水域使用。

針對以上幾點(diǎn)問題，文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于無線通信的水下水質(zhì)檢測機(jī)器人系統(tǒng)，其具有可下潛、續(xù)航時(shí)間長、成本低、智能化以及能快速有效地檢測不同水域、不同水層水質(zhì)信息的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程智能化控制以及水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸[4]，能有效提高水質(zhì)檢測工作效率，具有較大的開發(fā)潛力和應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

所設(shè)計(jì)的基于無線通信的水下水質(zhì)檢測機(jī)器人系統(tǒng)通過4G 模塊與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺構(gòu)建無線通信系統(tǒng)。采用水下滑翔機(jī)外形，進(jìn)而檢測不同深度的水質(zhì)情況。該系統(tǒng)所采用的主要模塊有STM32 F103ZET6 內(nèi)核處理器、5 V 和12 V 有源電源模塊、4G 通信模塊、TDS 檢測模塊、濁度檢測模塊、pH 檢測模塊、微信小程序上位機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。該系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。水下滑翔機(jī)外形能使其僅在下潛和上浮時(shí)需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)做功消耗電能以外，無需其他動(dòng)能輸出。雙翼內(nèi)置有太陽能電池板，可直接上浮于水面充電，使其擁有更長的續(xù)航時(shí)間。在小程序控制下，無線通信系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、警告報(bào)警系統(tǒng)協(xié)同工作，從而實(shí)現(xiàn)在無人控制的情況下按預(yù)設(shè)路徑巡航，檢測水下各區(qū)域水質(zhì)情況并在上浮時(shí)上傳水質(zhì)信息的功能。水下滑翔機(jī)工作原理如圖2 所示。

圖1 整體硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖2 水下滑翔機(jī)工作原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器人系統(tǒng)

整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)供電后，陀螺儀MPU6050、水壓深度傳感器進(jìn)行自檢、完成必要的初始化設(shè)置。自檢完成后采集水質(zhì)檢測機(jī)器人當(dāng)前的姿態(tài)，如x、y、z軸的傾角數(shù)據(jù)和傾角加速度以及水深信息，采用IIC 數(shù)據(jù)接口發(fā)送給STM32 主控制器。此時(shí)STM32主控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化配置，對所需要的I/O口、4G 模塊進(jìn)行初始化配置，對其數(shù)據(jù)的通信協(xié)議進(jìn)行配置。完成初始化配置后，STM32 主控制器讀取MPU6050 陀螺儀和水深壓力傳感器的原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理，進(jìn)行一系列的濾波算法，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到所需要的正確數(shù)據(jù)。同時(shí)輸出控制電機(jī)的PWM 信號給TB6612FNG 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊[5]，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)進(jìn)行吸水和排水的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，通過改變水下滑翔機(jī)的浮力調(diào)節(jié)水下滑翔機(jī)下潛和上浮的頻率、方向及速度。同時(shí)STM32 主控制器對減速電機(jī)上的霍爾編碼器上的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，將得到的電機(jī)旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)與MPU6050 陀螺儀的數(shù)據(jù)通過串級PID，對電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制[6]。通過設(shè)置控制優(yōu)先級，使機(jī)器人在水下自主運(yùn)動(dòng)時(shí)，用戶也可以調(diào)節(jié)其各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，共同實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。STM32 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖如圖3 所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖

2.2 無線通信系統(tǒng)

系統(tǒng)采用YED-C724 核心板作為4G 通信模塊搭建無線通信系統(tǒng)。該型模塊是由銀爾達(dá)公司基于合宙Air724 模組推出的高性能嵌入式4G Cat1 核心版本，其具有低功耗、超小體積、支持lua 語言進(jìn)行二次開發(fā)、支持TCP/UDP/MQTT/阿里云/實(shí)時(shí)采集透傳等特點(diǎn)[7]，且其實(shí)際測試工作環(huán)境溫度范圍為-35～75 ℃，能在苛刻的溫度條件下正常工作。其進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的連接網(wǎng)絡(luò)的流程如圖4 所示。

圖4 4G模塊連接網(wǎng)絡(luò)流程

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通電后，各種水質(zhì)檢測傳感器首先進(jìn)行自檢，完成必要的初始化設(shè)置。采集數(shù)據(jù)時(shí)，各傳感器模塊將傳感器反饋的電流信號發(fā)送給STM32 主控進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[8]，以獲知當(dāng)前的水質(zhì)參數(shù)，并將獲取的水質(zhì)參數(shù)存儲到flash 芯片中，通過無線傳輸系統(tǒng)傳輸至上位機(jī)。在設(shè)計(jì)中，傳感器類型可根據(jù)實(shí)際檢測需求選擇性搭載，以增強(qiáng)其水質(zhì)檢測類型的廣泛性與多樣性。

2.3.1 渾濁度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

該設(shè)計(jì)中采用了濁度傳感器模塊檢測水質(zhì)的渾濁度。該型傳感器利用光學(xué)原理，通過溶液中的透光率和散射率來綜合判斷水質(zhì)濁度情況。傳感器內(nèi)部為一個(gè)紅外線對管，當(dāng)光線穿過一定量的水時(shí)，光線的透過量取決于該水的污濁程度，即水越污濁，透過的光線越少。光接收端把透過的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電流大小，透過的光越多，電流越大；反之透過的光越少，電流越小。通過讀取接收端的電流值，就可以相應(yīng)計(jì)算出水的污濁程度。其中，濁度值與模塊輸出電壓(U)滿足關(guān)系式為：濁度值=-68.865×U+K(K為截距值，需通過標(biāo)定方法得到)。

2.3.2 溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

DSl8B20 溫度傳感器[9]是一種單總線型溫度測量器件，具有直接的數(shù)字信號，可采用總線供電，同一根總線上可接多個(gè)傳感器，構(gòu)成多點(diǎn)測溫網(wǎng)絡(luò)，是溫度場監(jiān)控系統(tǒng)的理想選擇。該型傳感器精度為0.5 ℃，可提供二進(jìn)制9位溫度讀數(shù)，可在-55～+125 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行溫度測量。因DS18B20 使用的是1-Wire總線協(xié)議方式，因此其對寫數(shù)據(jù)、讀數(shù)據(jù)有嚴(yán)格的時(shí)序要求。使用過程中均以特定通信協(xié)議確保各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和完整性，控制其工作的流程圖如圖5 所示。

圖5 溫度傳感器工作流程圖

2.3.3 pH采集系統(tǒng)

設(shè)計(jì)中的pH 采集系統(tǒng)由pH 傳感器模塊搭配E-201 型pH 復(fù)合電極[10]組成。pH 傳感器模塊上集成有板載電源指示燈、BNC 接口和pH2.0 接口，可以與Arduino、單片機(jī)等控制器相連，具有連線簡單、價(jià)格低廉、使用方便等特點(diǎn)。

該模塊通過BNC 接頭與pH 復(fù)合電極進(jìn)行連接，擴(kuò)展有DS18B20 溫度傳感器接口，方便進(jìn)行軟件溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)[11]。調(diào)節(jié)10K 藍(lán)色電位器的旋鈕可以進(jìn)行放大倍數(shù)調(diào)節(jié)（順時(shí)針調(diào)節(jié)時(shí)針調(diào)節(jié)減小）。使用時(shí)，將pH 傳感器接到板載BNC 接口，將板載pH2.0接口連接到控制器的模擬口，通過相應(yīng)地程序控制，即可以方便地測量水質(zhì)的pH 。pH 電極輸出電壓與pH 的關(guān)系如表1 所示。

2.4 電源系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用12 V 鋰電池組作為總電源，采用LM2596 穩(wěn)壓模塊為電路穩(wěn)壓。LM2596 穩(wěn)壓模塊經(jīng)過其內(nèi)部的LM2596 芯片[12]穩(wěn)壓到5 V 后，再為水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)供電。此類降壓模塊能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)3 A 的電流負(fù)載，并且擁有出色的線路和負(fù)載調(diào)節(jié)性能；可提供3.3、5、12 V 固定輸出電壓和可調(diào)節(jié)輸出電壓類型；集成度高、簡單易用，還具有內(nèi)部頻率補(bǔ)償和固定頻率振蕩器。LM2596 系列在150 kHz 的開關(guān)頻率下運(yùn)行，因此采用的濾波器組件比更低頻率的開關(guān)穩(wěn)壓器所需的組件尺寸更小，更能節(jié)省機(jī)器人內(nèi)部空間。當(dāng)電量較少時(shí)，機(jī)器人可直接上浮于水面，經(jīng)絕緣處理后內(nèi)置于雙翼的太陽能板為電池組充電，也可通過外接12 V 充電器對電池組充電，因此相比于現(xiàn)有的水下水質(zhì)檢測機(jī)器人，擁有更長的續(xù)航時(shí)間。

2.5 視頻采集系統(tǒng)

設(shè)計(jì)的視頻采集系統(tǒng)使用720p（60 幀）無畸變攝像頭，搭配友善之臂nanopi 2fire Linux 開發(fā)板。設(shè)計(jì)中攝像頭與nanopi 2fire 采用USB2.0 連接，nanopi通過使用OpenCV-python 對攝像頭進(jìn)行操作，使用OpenCV 內(nèi)置的函數(shù)庫對攝像頭內(nèi)的畫面進(jìn)行采集，并通過UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議進(jìn)行視頻傳輸[13]。

UDP（User Datagram Protocol）用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議是一種無狀態(tài)的傳輸協(xié)議，它沒有TCP 傳輸控制協(xié)議握手、確認(rèn)、窗口、重傳、擁塞控制等繁瑣機(jī)制，所以它在傳輸數(shù)據(jù)方面是非?？斓模浅＿m合進(jìn)行低延遲視頻流傳輸。使用nanopi 進(jìn)行視頻傳輸?shù)乃悸肥牵翰东@視頻、壓縮視頻數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)；首先初始化攝像頭模塊，再使用cv2.VideoCapture()函數(shù)，此函數(shù)的作用是捕獲攝像頭的畫面，對圖像進(jìn)行獲??；再使用cv2.imencode()函數(shù)將獲取到的圖片編碼成流數(shù)據(jù)，并加入到內(nèi)存緩存中，方便進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸；在圖像被編碼為流數(shù)據(jù)后，使用cv2.sendto()函數(shù)將流數(shù)據(jù)封裝為UDP 包并發(fā)送；接收端上位機(jī)使用cv2.recvfrom()函數(shù)來獲取UDP 包、接收壓縮數(shù)據(jù)，并對其數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓；通過cv2.imdecode()函數(shù)可以把網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)中的圖像數(shù)據(jù)恢復(fù)出來；最后再使用cv2.imshow()對傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)進(jìn)行畫面顯示。其操作流程如圖6 所示。

圖6 視頻數(shù)據(jù)獲取流程

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件部分可采用網(wǎng)頁、Andriod、小程序等多種數(shù)據(jù)展示形式，但為了方便，系統(tǒng)僅提供了其中微信小程序的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式。

系統(tǒng)微信小程序調(diào)用官方MQTT.js 庫和算法庫hex_hmac_sha1.js，自行編寫連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺服務(wù)器代碼，采用三元組連接方式，與阿里云建立基于MQTT 協(xié)議的互通網(wǎng)絡(luò)，并在阿里云上配置相關(guān)主題，互相訂閱和發(fā)布彼此的消息，微信小程序填入阿里云提供的各種參數(shù)并調(diào)用MQTT 通信包即可與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺建立通信。同樣地，4G 模塊采用合宙官方DTU 通信平臺[14]，參考其數(shù)據(jù)手冊配置相關(guān)參數(shù)，與微信小程序相同采用三元組連接方式，互相訂閱和發(fā)布彼此的消息。最后利用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺規(guī)則引擎云產(chǎn)品流轉(zhuǎn)功能，設(shè)置好數(shù)據(jù)格式，相互轉(zhuǎn)發(fā)彼此主題信息，即可達(dá)到4G 模塊和微信小程序[15]的數(shù)據(jù)通信目的。

4 實(shí)物測試

4.1 自動(dòng)巡航模式

水下滑翔機(jī)上電以后，先等待各個(gè)模塊初始化完成，4G 模塊連通網(wǎng)絡(luò)，滑翔機(jī)會自動(dòng)吸水減少浮力沉入水底開始自動(dòng)巡航的第一步，到達(dá)預(yù)定深度之后排水增大浮力浮出水面，并將預(yù)定深度的水質(zhì)信息通過4G 模塊發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行展示。經(jīng)測試，檢測水質(zhì)信息準(zhǔn)確，能夠較好完成預(yù)定任務(wù)。

4.2 手動(dòng)控制模式

微信小程序上位機(jī)可利用手機(jī)4G 或5G 網(wǎng)絡(luò)訪問移動(dòng)基站，與滑翔機(jī)通信。經(jīng)測試，上位機(jī)能很好控制該系統(tǒng)進(jìn)行下潛和上浮的動(dòng)作，較好完成了任務(wù)。以學(xué)校游泳池為例，其檢測的各個(gè)模塊不同深度水質(zhì)情況如表2 所示。

5 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于無線通信的水下水質(zhì)檢測機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡、耗能低、能實(shí)時(shí)反饋各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)信息、檢測效率高、易于控制。對于不同水質(zhì)檢測的數(shù)據(jù)，其變化符合實(shí)際情況，與高精度測量儀器數(shù)據(jù)相差不大，能夠達(dá)到對精度要求不高的水質(zhì)檢測目的。后期還可考慮搭載GPS 系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位反饋[16-18]等功能，有助于工作人員回收并且更加直觀地了解當(dāng)?shù)氐乃臈l件。在當(dāng)前水質(zhì)檢測機(jī)器人功能趨于完善化、多樣化的背景下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的應(yīng)用能力。后續(xù)研究中若能持續(xù)性加以開發(fā)，則該系統(tǒng)會在未來水下水質(zhì)檢測領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。