水質監測智能巡航船的設計與實現

霍中興 楊永杰 吉約蘭

摘 ?要： 為了有效解決水產養殖等水質檢測領域存在自動檢測系統的布線復雜、靈活性差和成本高等問題，研制一艘搭載水質檢測裝置的智能巡航船。該船按照設定的水面航線自動航行，并在航行過程中采集水質數據，進而減少了布置多個點帶來的資源浪費。巡航船的主控芯片采用STM32F103單片機，輔以UM220?Ⅲ北斗定位模塊、GY?273電子羅盤、BTN7970電機驅動模塊以及PID算法等，實現船在巡航精度2.5 m CEP以內的自動航行。巡航船有兩種工作模式：手動模式和自動駕駛模式。手動模式下，用戶通過配備的遙控器操作船的前進、左轉、右轉和倒退，并設置巡航船的自動駕駛路徑。自動駕駛模式下，巡航船根據預設的路徑自動航行，每到一個點采集一次數據。此方案具有創新性，在解決用戶需求的同時，節約了大量成本。

關鍵詞： 水質監測; 智能巡航船; 數據采集; 自動駕駛; 嵌入式系統; 系統測試

中圖分類號： TN931+.3?34; TP23 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）02?0053?04

Design and implementation of intelligent cruise ship for water quality monitoring

HUO Zhongxing， YANG Yongjie， JI Yuelan

Abstract： An intelligent cruise ship embarked with the water quality detection equipment is developed to effectively solve the problems of complex wiring， poor flexibility and high cost of automatic detection system in aquaculture and other water quality detection fields. The ship navigates automatically according to the given route on water surface， and collects water quality data during the voyage， thus reducing the resources waste caused by placing multiple detecting points. The STM32F103 microcontroller is used as the main control chip of cruising ship， with which the UM220?III positioning module， GY?273 electronic compass， BTN7970 motor drive module， PID algorithm and so on are supplemented to realize the automatic navigation of the ship within the 2.5 m CEP cruising precision. The cruise ship has two operating modes： manual mode and autopilot mode. In manual mode， users can operate the ship forward， left?turn， right?turn and backward by means of the equipped remote controller， and set the autopilot path of the cruise ship. In the autopilot mode， the cruise ship can automatically navigate according to the preset path， and collect water quality data at each point along its cruise route. This scheme has innovativeness and can save a lot of costs while solving users′ demand.

Keywords： water quality monitoring; intelligent cruise ship; data acquisition; autopilot; embedded system; system test

0 ?引 ?言

養殖水域是養殖魚類賴以生存的環境，所以養殖環境的好壞直接關系到魚類的生長和發育，進而決定水產品產量和質量[1]。目前，水上水質監測船的研究也大多是由岸上人員手動控制，無法做到船的自動運行。通常代替人工的水質在線監測系統都采用水面上布置多個節點的方案，這樣的系統實時性好、操作簡單，但是每套傳感器的價格昂貴，超出一些養殖戶的經濟承受能力。現代化的水產養殖戶都需要一套水質監測設備，并且要求價格低廉。

隨著現代通信網絡技術的發展，我國大部分地方都已經覆蓋了GPRS，3G，4G和WiFi等無線網絡[2?3]。網絡的普及不僅為客戶提供了更快的通信服務業務，也為嵌入式遠程監控提供了技術上的支持。本文設計的水質監測智能巡航船，只需要搭載一套水質檢測傳感器，水產養殖戶就可以實時而便捷地檢測水中的溶解氧、pH值、溫度等參數，節省設備成本。

1 ?系統方案

巡航船連接了衛星定位系統，由電子羅盤、遙控器和PC機組成，系統框圖如圖1所示。

衛星定位系統用于巡航船獲取定位信息經度和緯度;電子羅盤用于獲取船的航向;遙控器用于對巡航船的各種操作，使用433 MHz無線與之通信。用戶利用遙控器可以手動控制巡航船進行前進、左轉、右轉和后退操作，也可以設置巡航船自動航行路線，避開水面的障礙物。遙控器設置巡航船進入自動駕駛模式，隨后巡航船按照設定的航線航行，途中實時地采集水質參數數據，采集的數據通過無線網絡發送給用戶。如果在自動駕駛過程中，用戶觸發了前進、左轉、右轉或后退操作，巡航船則退出自動駕駛模式，保證了整個航行操作的靈活性。

2 ?水質監測智能巡航船硬件設計

為了實現智能巡航，巡航船需搭載北斗定位模塊、電子羅盤模塊、舵機、電機驅動電路、433 MHz無線通信模塊和顯示屏模塊，電路框圖如圖2所示。巡航船采用高性能、高性價比的32位STM32F103主控單片機，工作頻率高達72 MHz，代碼執行效率高[4?6]。該芯片擁有51個通用快速I/O端口，I/O端口電平兼容性好，既可以輸入5 V信號也可以輸入3.3 V信號，方便了外圍電路設計。

巡航船的地理位置使用經緯度表示，經緯度通過北斗模塊UM220?Ⅲ獲取。該模塊支持BD2 B1頻點，其跟蹤靈敏度為-160 dBm，捕獲靈敏度為-145 dBm，定位時間短，熱啟動僅需1 s，定位精度在2.5 m CEP左右。模塊工作電源電壓為2.7～3.3 V，功耗僅為120 mW，可利用電池供電，方便使用。該模塊具有兩個串口，獲取的定位信息可以通過串口發送到STM32主控制器。串口1可以用作模塊的升級;串口2與微處理器相連，輸出定位信息。

電子羅盤采用GY?273模塊，工作電壓為3～5 V，測量范圍為±1.3～8 高斯，單片機可以通過IIC協議與該模塊通信，獲得巡航船船頭與地磁北極的角度。結合以上兩個模塊的輸出信息，確定巡航船的運動信息。

S3010舵機用于控制巡航船轉向，扭力大且響應迅速，單片機通過輸出PWM信號對其進行控制。

為了給巡航船提供充足的動力，巡航船的動力驅動芯片采用BTN7970，該芯片正常工作電壓為8～45 V，最大電流高達50 A，驅動信號PWM頻率范圍為1～25 kHz。驅動電路工作時，電路中會經過大電流，驅動芯片的輸入端與處理器直接相連會損壞微處理器致使巡航船失控，需要在電路中加入光電耦合電路，使得兩部分電路完全隔離，保護了電路的核心部分[7?9]。

無線模塊使用433 MHz下的SX1278模塊，用于和巡航船配備的無線遙控器進行通信[10]。此頻率屬于國家規定的免申請頻段，相較于廣泛使用的2 GHz頻率，具有干擾少、穿透性好、傳輸距離長等優點，空曠情況下傳輸距離理論可達8 km，該模塊與單片機串口通信，簡單方便可靠。

巡航船上采用OLED顯示屏，用于調試和顯示船運行狀態信息，如巡航船當前位置的經緯度、航向角等。該屏的每個像素點自帶光源，無需背光源，節省電力，不論晝夜顯示效果良好。

3 ?水質監測智能巡航船軟件設計

3.1 ?巡航船自動駕駛軟件設計

嵌入式程序通過Keil軟件并使用C語言編寫，自動駕駛軟件流程如圖3所示。

軟件啟動后，首先使用Board_Init（）函數對無線模塊、北斗模塊、電子羅盤模塊、顯示屏模塊、舵機、電機驅動部分電路以及STM32內部外設進行初始化設置。初始化完成后通過無線模塊Rec_packet（）接收巡航船遙控器的命令數據，命令分為：“手動駕駛”命令、“設置路徑”命令和“自動駕駛”命令。Get_lc（&hello）函數根據不同的命令執行不同的程序。若是“手動駕駛”命令，巡航船功能則相當于一個玩具遙控船，進行前后左右移動。如果是“設置路徑”命令，則程序首先讀取巡航船所在地點的坐標數據，然后Stm32flash_write（）函數記錄到STM32內部FLASH，并將坐標點標號顯示在顯示屏上。如果是“自動駕駛”命令，則立即進入自動駕駛模式，程序首先讀取電子羅盤和北斗衛星數據，繼而判斷巡航船當前坐標是否在目的地坐標附近。根據北斗模塊的精度，如果距離小于2.5 m，則表示到達目的地，在偌大的水面上，此精度完全符合實際要求。如果巡航船到達目的地，則使用存儲的下一個坐標作為目的地。然后根據以上信息，計算出巡航船需要調整的角度。最后將計算結果輸入PID算法，由PID算法的輸出控制巡航船移動。通過以上過程的不斷循環，不斷調整巡航船的運動軌跡，繼而實現了巡航船的智能巡航功能。

3.2 ?自動駕駛算法設計

在進入自動駕駛模式之前，需要遙控器為巡航船設定行駛路線。設置完所有的地點后，遙控器控制巡航船進入自動駕駛模式。為了實現巡航船的自動駕駛，巡航船需要在行駛過程中不斷地調整巡航船的行駛方向和目的地點方向一致。巡航船的行駛方向的獲取采用GY273指南針模塊，輸出值范圍為0°～360°，巡航船船頭指向正北方時為0°，順時針增加，用β表示。目的地方向的數據由用戶事先設定，數據的獲取采用了北斗定位模塊，模塊定位成功后輸出數據格式為：$GPGLL，3 158.523 389，N，12 054.576 636，E，235 947.400，V，N*47。其中，3 158.523 389可以轉換為緯度，等于31°+58.523 389/60，N表示北緯;12 054.576 636可以轉換為精度，等于120°+54.576 636/60，E表示東經。為了方便程序處理，規定北緯范圍為90°～180°，南緯范圍為0°～90°，東經范圍為0°～180°，西經范圍為180°～360°。目的地方向角為巡航船所在地坐標到目的地坐標連接形成的直線與正北方向的順時針夾角，即位置偏角表示為θ，范圍0°～360°。現規定巡航船的所在地的經緯度表示為（s_j，s_w），目的地經緯度（d_j，d_w）。船轉向角度示意圖如圖4所示。

為了巡航船以最近的路徑在地球上航行，必須求出最短路徑方向的夾角。因為地球為球體，所以下面分為兩大類進行分析：

1） 距目的地最短路徑經過0°經線，即|s_j-d_j|≤180°。

2） 距目的地最短路徑不經過0°經線，即|s_j-d_j|>180°。

因為在地球上，小范圍的情況距離計算可以使用勾股定理，于是地球上兩點距離可以表示為m：

[（s_j-d_jcos（s_w-d_w）111）2+（s_w-d_w111）22] （1）

為了得到最小的位置偏角δ，范圍為0°～180°。現討論第一種情況：

1） d_w>s_w。當d_j≤s_j，α=360°-θ;當d_j>s_j，

α=θ。

2） d_ws_j，α=180°-θ。

3） d_w=s_w。當d_j

第二種情況：

1） d_w>s_w。當s_j<180°，α=360°-θ;當s_j≥180°，α=θ。

2） d_w

3） d_w=s_w。當s_j<180°，α=90°;當s_j≥180°，α= 270°。

通過以上運算得出了最小的位置偏角δ，接下來使用δ和β求出巡航船調整船頭方向的最小角度ε。令temp=δ-β。若|temp|≤180°，當temp<0°時，ε=|temp|·（-1）;當temp≥0°時，ε=|temp|。若|temp|>180°，當temp<0°時，ε=360°-|temp|;當temp≥0時，ε=（360°-|temp|）·（-1）。

ε的范圍在-180°～180°之間，最后將ε傳入PID進行運算，算出的ε傳入PID算法后，PID_realize（）函數將輸出一個PWM值用于巡航船的方向[11?12]。

4 ?系統測試

根據以上設計方法制作一艘智能巡航船，其內部結構如圖5所示。

將巡航船組裝完畢后，使用遙控器將巡航船駕駛至目標點，到達目標點后按下設置路徑按鈕，巡航船即記錄下了當前坐標，重復以上動作即可記錄整個運行路徑。本次測試使用了3個目標點組成一個三角形，每個點相距約10 m。目標點設置完畢后，使用遙控器控制巡航船進入自動駕駛模式，實測行駛路徑如圖6所示。

巡航船自動行駛過程中計算到達下一目標點的距離，小于2.5 m，則認為到達，并繼續下一坐標點的行駛。在實驗過程中對每次巡航船距離目標點的距離進行記錄，共記錄4次，該數據利用數據采集部分的GPRS發送到用戶PC機，結果如表1所示。

由表1表明，巡航船能夠正確到達每個目標點，并且距離誤差在2.5 m以下，這樣的精度在水面上完全滿足要求，可以使用，應用前景良好。

5 ?結 ?語

本文實現了一種水質參數智能巡航船，并采用新穎的“多點一船”方式實時地采集整個水域的水質參數信息，節約大量物力資源，滿足水產養殖業對水質測量的需求。本文巡航船與嵌入式技術相融，性價比高，在水產養殖業具有一定的推廣應用價值。

注：本文通訊作者為楊永杰。

參考文獻

[1] 單中華.淺談水產養殖技術推廣存在的問題及應對策略[J].南方農機，2018，49（9）：94?96.

[2] 董錚，張其林，項東升.水產養殖監測系統設計與實現[J].農村經濟與科技，2018（3）：77?78.

[3] 王巧藝.物聯網技術在我國水產養殖上的應用發展對策[J].農村經濟與科技，2018，29（2）：53.

[4] 丁力，宋志平，徐萌萌，等.基于STM32的嵌入式測控系統設計[J].中南大學學報，2013，44（z1）：260?265.

[5] 吳靜珠，劉倩，董文菲，等.基于STM32的便攜式直鏈淀粉測定儀設計[J].傳感器與微系統，2015，34（10）：51?53.

[6] 李曉丹.基于STM32的物聯網嵌入式網關的設計[J].計算機工程與應用，2015，51（4）：61?65.

[7] 宋利輝.光電耦合器在接口電路中的應用[J].現代經濟信息，2017（5）：369.

[8] 劉熹，劉迎春，邵珠楓.光電耦合器選型與應用[J].工程機械與維修，2014（1）：128?129.

[9] 熊建云.基于光電耦合器的智能儀器I/O接口電路設計[J].工業儀表與自動化裝置，2013（5）：51?52.

[10] 倪忠俊，麻紅昭.基于433 MHz的智慧農業無線測控系統的設計與實現[J].工業控制計算機，2016，29（3）：69.

[11] 郝少杰，方康玲.基于模糊PID參數自整定的溫度控制系統的研究[J].現代電子技術，2011，34（7）：196?198.

[12] 張原，黃文靜，桑路路.PID控制在火箭炮伺服系統中的仿真實現：改進的專家自適應PID控制[J].計算機工程與應用，2013，49（8）：241?244.

作者簡介：霍中興（1993—），男，碩士，主要研究方向為嵌入式、物聯網、通信。

楊永杰（1968—），男，博士，主要研究方向為嵌入式、物聯網、通信。

吉約蘭（1994—），女，碩士，主要研究方向為嵌入式、物聯網、通信。