智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)航船模型研發(fā)

劉晨 杜鵬

摘要：針對(duì)現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測(cè)方式對(duì)小型水體（大池塘或小型水庫(kù)）水質(zhì)監(jiān)測(cè)存在的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)困難、速度慢等缺點(diǎn)，以能遙控并能GPS定位的航船模型為載體，研制具有實(shí)時(shí)進(jìn)行常規(guī)水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)和通訊的智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小型水體水質(zhì)的快速實(shí)時(shí)和移動(dòng)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)。從而保證對(duì)轄區(qū)內(nèi)的水質(zhì)實(shí)施全天候、全時(shí)段的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，隨時(shí)掌握其變化趨勢(shì)，以便控制污染程度。

關(guān)鍵詞：給排水科學(xué)與工程 智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)航船模型 程序集成 智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 航船模型

中圖分類(lèi)號(hào)：R181 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-5349（2018）19-0255-02

智能系統(tǒng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)早已不是什么新鮮事，比如在需要監(jiān)控的地點(diǎn)設(shè)立監(jiān)測(cè)站實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)快速監(jiān)測(cè)。而設(shè)立固定監(jiān)控站，雖然能實(shí)時(shí)對(duì)區(qū)域的監(jiān)控點(diǎn)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但其靈活性差，不能對(duì)監(jiān)控點(diǎn)外的水域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。若要對(duì)一定面積的水域監(jiān)控的話(huà)，則需布設(shè)較多的測(cè)點(diǎn)而導(dǎo)致費(fèi)用上升。另一方面，目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的對(duì)水體移動(dòng)式監(jiān)測(cè)平臺(tái)，均以載人航行的船只為載體，因此，只適用水面寬廣大型水體。對(duì)大型池塘或小型水庫(kù)的水體等不便于載人船舶航行的水體，顯然不適應(yīng)。雖然目前文獻(xiàn)中有漂浮式檢測(cè)裝置的報(bào)道，但其不具行走動(dòng)力而靠人力通過(guò)繩子控制，且無(wú)定位功能。針對(duì)這些缺點(diǎn)，以能遙控并能GPS定位的航船模型為載體，研制具有實(shí)時(shí)進(jìn)行常規(guī)水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)和通訊的智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小型水體水質(zhì)的快速實(shí)時(shí)和移動(dòng)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

一、現(xiàn)代科技支持

（一）產(chǎn)品依托

1.單片機(jī)

把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上，相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)。單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類(lèi)型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、電流、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長(zhǎng)度、硬度、元素、壓力等物理量的測(cè)量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。

2.傳感器

在微處理器和傳感器變得越來(lái)越便宜的今天，全自動(dòng)或半自動(dòng)系統(tǒng)可以包含更多智能性功能，尤其是MEMS（微型機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)，它使數(shù)字傳感器的體積非常微小并且能耗與成本也很低，并能從其環(huán)境中獲得并處理更多不同的參數(shù)。對(duì)于水中部分物質(zhì)指標(biāo)的分析，運(yùn)用傳感器已經(jīng)基本能夠?qū)崿F(xiàn)，隨著科技發(fā)展，傳感器的功能和效率也將有顯著提高，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面的運(yùn)用也將普及。

3.GPS系統(tǒng)

GPS即全球定位系統(tǒng)，目前已廣泛運(yùn)用于工業(yè)、林業(yè)、軍事，在家用這個(gè)領(lǐng)域特別是在定位導(dǎo)航這個(gè)方面發(fā)展迅速。而對(duì)于我們所使用的GPS天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，絕大部分為右旋極化陶瓷介質(zhì)，其組成部分為：陶瓷天線(xiàn)、低噪音信號(hào)模塊、線(xiàn)纜、接頭，它是一種GPS的終端，可用于接收GPS傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。由于其具有體積小、精度高、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，若將GPS模塊安裝在船模上，通過(guò)單片機(jī)及遠(yuǎn)程終端的處理及控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)船模時(shí)間及空間位置的實(shí)時(shí)定位。

（二）技術(shù)手段

在編寫(xiě)軟件之前，首先要確定一些常數(shù)、地址，事實(shí)上這些常數(shù)、地址在設(shè)計(jì)階段已被直接或間接地確定下來(lái)了。如當(dāng)某器件的連線(xiàn)設(shè)計(jì)好后，其地址也就被確定了，當(dāng)器件的功能被確定下來(lái)后，其控制字也就被確定了。然后用文本編輯器（如EDIT、CCED等）編寫(xiě)軟件，編寫(xiě)好后，用編譯器對(duì)源程序文件編譯，查錯(cuò)，直到?jīng)]有語(yǔ)法錯(cuò)誤，除了極簡(jiǎn)單的程序外，一般應(yīng)用仿真機(jī)對(duì)軟件進(jìn)行調(diào)試，直到程序運(yùn)行正確為止。運(yùn)行正確后，就可以寫(xiě)片（將程序固化在EPROM中）。程序系統(tǒng)完成以后，將其燒到單片機(jī)內(nèi)，并進(jìn)行調(diào)試。

二、航船模型的設(shè)計(jì)制作

參考現(xiàn)有的各種市售航船模型，選用并改造，最終形成如圖1系統(tǒng)。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

（一）船模改造

（1）將單片機(jī)安裝在船模內(nèi)部，并將GPS模塊連接到單片機(jī)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)船模的定位功能。為了使船模實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行功能，船模的運(yùn)行靠馬達(dá)和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，船載單片機(jī)直接控制馬達(dá)和舵機(jī)，達(dá)到控制船模航向及速度的目的。

（2）在單片機(jī)上安裝無(wú)線(xiàn)通訊模塊，此模塊除了將傳感器采集的水質(zhì)信息和GPS的位置信息傳輸至遠(yuǎn)程控制終端外，還能接收從遠(yuǎn)程控制終端傳來(lái)的命令。

（3）將小型升降臺(tái)固定在船模前方，將傳感器的數(shù)據(jù)線(xiàn)纏繞在其滑輪上（如圖2）。單片機(jī)能對(duì)小型升降臺(tái)運(yùn)行進(jìn)行控制，從而獲取不同液位水質(zhì)信息（深度信息由液位傳感器提供）。傳感器信息輸入給單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成可處理和傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制終端進(jìn)行處理。

在船模上安裝一個(gè)較大容量的鋰離子電池組，用于單片機(jī)及船模上其他設(shè)備的供電。對(duì)單片機(jī)和其他電子模塊適當(dāng)密封設(shè)計(jì)，并進(jìn)行防水保護(hù)。

（1馬達(dá)，2滑輪，3傳感器）

圖2 傳感器升降臺(tái)示意圖

三、水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制

（一）無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸

船模與遠(yuǎn)程控制終端之間的信號(hào)傳輸通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信完成。單片機(jī)將液位傳感器、濁度傳感器、溫度傳感器、溶解氧傳感器、PH值傳感器以及GPS上的所有信息初步整合并處理后，通過(guò)單片機(jī)將傳感器上原有的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊將信號(hào)發(fā)射出去。無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊采用433MHZ頻段的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊，此頻段下的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)具有成本低廉、適應(yīng)性好、擴(kuò)展性好的特點(diǎn)。而在遠(yuǎn)程控制終端處連接一個(gè)配套的無(wú)線(xiàn)通信模塊，通過(guò)此模塊，可以接收單片機(jī)上傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)所開(kāi)發(fā)的軟件在遠(yuǎn)程終端的界面上顯示出來(lái)，對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

（二）信號(hào)處理與運(yùn)行控制

1.信息處理

用于對(duì)系統(tǒng)信息顯示以及存儲(chǔ)功能的實(shí)現(xiàn)。船載單片機(jī)將船的空間位置及各個(gè)傳感器的水質(zhì)信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程終端。遠(yuǎn)程終端將對(duì)其首先進(jìn)行濾波處理，再將信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖像或數(shù)據(jù)，通過(guò)遠(yuǎn)程終端顯示出來(lái)，并對(duì)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，自動(dòng)生成數(shù)據(jù)報(bào)表，以便工作人員隨時(shí)查閱和分析。

2.船模運(yùn)動(dòng)控制模塊

此模塊用于對(duì)船模運(yùn)行進(jìn)行控制。工作人員在遠(yuǎn)程終端上輸入指令，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信和船載控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)船模運(yùn)行的方向、位置以及傳感器入水深度進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。對(duì)于此船模，我們使用兩種控制方式：

（1）規(guī)劃控制。在個(gè)人終端上我們運(yùn)用GPS對(duì)實(shí)驗(yàn)水域進(jìn)行定位，將船模運(yùn)行的時(shí)間以及路線(xiàn)等指令輸入遠(yuǎn)程終端，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊將指令傳輸至船載單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)相關(guān)指令進(jìn)行處理后可以控制船模按照規(guī)劃指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)定時(shí)定點(diǎn)采集水樣。

（2）遙控控制。當(dāng)所要到達(dá)水域情況復(fù)雜難以提前設(shè)計(jì)時(shí)間路線(xiàn)，或者出現(xiàn)GPS突然損壞等突發(fā)事件時(shí)，可以采用遙控控制。通過(guò)GPS以及控制軟件等相關(guān)組件，可以將船模的位置信息實(shí)時(shí)顯示在遠(yuǎn)程終端上。操作人員在遠(yuǎn)程終端上直接進(jìn)行操作，通過(guò)遠(yuǎn)程終端、單片機(jī)等的處理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)船模的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)遙控，根據(jù)指令實(shí)時(shí)進(jìn)行水樣的采集和船模的運(yùn)行

（3）無(wú)線(xiàn)通訊。此模塊用于對(duì)船模數(shù)據(jù)和相關(guān)信息雙向通訊功能的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)船載單片機(jī)以及遠(yuǎn)程控制終端之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊，即實(shí)現(xiàn)兩者連接的建立，對(duì)其運(yùn)行進(jìn)行管理，以及相關(guān)數(shù)據(jù)、信息、指令的雙向收發(fā)。

四、結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目創(chuàng)新性地提出將航船模型進(jìn)行改造，與常規(guī)水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)集成，研制具有實(shí)時(shí)進(jìn)行常規(guī)水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)和通訊的智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該項(xiàng)目具有如下特點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)對(duì)小型水體水質(zhì)的快速實(shí)時(shí)和移動(dòng)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)。作為水質(zhì)監(jiān)測(cè)的工具，航船模體積小，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控和GPS定位，因此能夠更加靈活、高效、快速地對(duì)小型水體選定水域的選定監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，解決了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的以載人船只為載體的對(duì)水體移動(dòng)式監(jiān)測(cè)平臺(tái)，只適用水面寬廣的大型水體而難于對(duì)小型水體檢測(cè)的問(wèn)題；其GPS定位和動(dòng)力遙控功能又是國(guó)內(nèi)研制的水質(zhì)監(jiān)測(cè)漂浮裝置所不具備的。

（2）目前國(guó)內(nèi)外在水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上的研究和應(yīng)用已經(jīng)從傳統(tǒng)的人力監(jiān)測(cè)發(fā)展到現(xiàn)今的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)具有傳輸數(shù)據(jù)及時(shí)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。本項(xiàng)目運(yùn)用無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)傳輸水質(zhì)信息，不僅保證了原有的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)解決了布線(xiàn)繁瑣、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)困難、人力物力資源消耗量大等問(wèn)題。

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)，尚未發(fā)現(xiàn)兼具上述特色的成果報(bào)道。由于運(yùn)用傳感器獲取水質(zhì)信息，而相關(guān)傳感器類(lèi)型有限，不能對(duì)所有水質(zhì)成分進(jìn)行分析，本系統(tǒng)擴(kuò)展功能有待研發(fā)。

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