特殊水體下水環(huán)境參數(shù)自動(dòng)采集裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

向虹坤 王孔嘉 張曉慧

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南232001）

0 引言

水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)是保護(hù)環(huán)境的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)，在我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過了幾十年的實(shí)踐與發(fā)展，取得了很大的進(jìn)步。傳統(tǒng)的水質(zhì)檢測(cè)需要人工實(shí)地取樣，再拿回實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)取樣需要耗費(fèi)大量的人力和物力，尤其是某些特殊水體或者環(huán)境惡劣的條件下傳統(tǒng)水質(zhì)檢測(cè)方法往往無法實(shí)現(xiàn)。近些年，隨著社會(huì)不斷發(fā)展各種環(huán)境問題接踵而至，國(guó)家也加大了對(duì)水環(huán)境監(jiān)測(cè)[1]和保護(hù)方面的監(jiān)管和投入，大批學(xué)者在水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]、水質(zhì)監(jiān)測(cè)無人船[3]和水質(zhì)監(jiān)測(cè)無人機(jī)[4]等方面進(jìn)行了深入的研究，提出了不少水環(huán)境的監(jiān)測(cè)方法[5]。目前大型水域水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由眾多微型傳感器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)即WSN，加無線通信模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成，可以將實(shí)時(shí)水體數(shù)據(jù)通過云端傳輸?shù)浇K端，從而達(dá)到水質(zhì)監(jiān)測(cè)的目的。目前，主流的數(shù)據(jù)傳輸方式都是采用2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)，這些傳輸方式在一般水域大大方便了水環(huán)境的監(jiān)測(cè)，但是在某些特殊水體尤其是沒有網(wǎng)絡(luò)的偏遠(yuǎn)地區(qū)就沒有用武之地。因此，需要設(shè)計(jì)一些能對(duì)處于特殊環(huán)境的水體快速測(cè)試其水的裝置，以便有效獲取水環(huán)境參數(shù)，為水生態(tài)及其質(zhì)量評(píng)估提供支撐。

本文實(shí)現(xiàn)了一種水環(huán)境參數(shù)自行走式測(cè)試裝置，可以在無網(wǎng)絡(luò)的情況下一次采集多個(gè)水體數(shù)據(jù)，并且加裝了太陽能電池板增加系統(tǒng)的續(xù)航時(shí)間，其使用便捷且效果良好。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

在《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中，共列出24項(xiàng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)參數(shù)指標(biāo)[6]，由于傳感器技術(shù)的限制，目前大部分水質(zhì)監(jiān)測(cè)參數(shù)的獲取仍需人工取樣，少部分可用電化學(xué)傳感器監(jiān)測(cè)的水參數(shù)在很大程度上也受傳感器精度的限制。本文選用電化學(xué)傳感器測(cè)量精度相對(duì)較高的四種參數(shù)作為裝置監(jiān)測(cè)參數(shù)，即溫度、濁度、pH和電導(dǎo)率，裝置分為數(shù)據(jù)采集端和手持端兩大部分。

數(shù)據(jù)采集端以浮動(dòng)式船體為載體[7]，船體內(nèi)安置有主控模塊、電源模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、GPS模塊、無線通信模塊，以及電導(dǎo)率TDS傳感器、溫度傳感器、pH傳感器、濁度傳感器。船體上方安裝有小型太陽能電池板，與電源模塊相連接，增加裝置在野外的續(xù)航時(shí)間。數(shù)據(jù)采集端接收手持端的指令，根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。若為運(yùn)動(dòng)控制指令則根據(jù)指令控制船體前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和暫停；若為數(shù)據(jù)采集指令則采集水體數(shù)據(jù)發(fā)送給手持端。

手持端主要包括電源模塊、顯示屏、無線通信模塊和主控模塊。手持端設(shè)置有不同的按鍵用以代表不同的指令，包括運(yùn)動(dòng)控制指令和數(shù)據(jù)采集指令，指令通過無線通信模塊發(fā)送給數(shù)據(jù)采集端；手持端也可以接收數(shù)據(jù)采集端發(fā)送的水體數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行顯示，同時(shí)可以通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

1.2.1數(shù)據(jù)采集端硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集端選用STC12C5A60S2為主控制器，STC12C5A60S2完全兼容51系列單片機(jī)，內(nèi)置8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換可為傳感器采集信息的模數(shù)轉(zhuǎn)換提供方便，相比51系列其速度平均增加8～12倍[8]，增加了SPI接口可以和NRF24L01實(shí)現(xiàn)快速傳輸，且看門狗可以防止船體因程序崩潰而失控；GPS模塊選用NEO-7N，可提供精確的時(shí)間和經(jīng)緯度信息，和單片機(jī)的RX引腳連接，將接收到的衛(wèi)星信息發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)提取其中的經(jīng)緯度信息通過無線模塊發(fā)送給手持端；溫度傳感器選用DS18B20，將讀取到的溫度信息以數(shù)字信號(hào)的形式發(fā)送給單片機(jī)；TDS傳感器和濁度傳感器選用維可思公司開發(fā)的傳感器模塊，和單片機(jī)的ADC引腳連接，讀取到的信息以模擬信號(hào)的形式發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)再通過無線模塊發(fā)送給手持端。

所有傳感器都采用防水型探頭，探頭從船身兩側(cè)放入水中。由于裝置需要在水面工作，必須要保證運(yùn)動(dòng)控制指令穩(wěn)定傳輸，綜合考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、傳輸距離和價(jià)格等因素，采用NRF24L01+PA+LNA無線透?jìng)髂K作為數(shù)據(jù)采集端和手持端的無線通信模塊，可靠傳輸距離達(dá)到500m。NRF24L01是Nordic公司的無線收發(fā)器芯片，工作于2.4～2.5GHz的ISM頻段上，和STC12C5A60S2以SPI接口相連接，具有低功耗、傳輸速度快和穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集端硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集端硬件結(jié)構(gòu)圖

裝置選用L298N模塊作數(shù)據(jù)采集端的電機(jī)驅(qū)動(dòng)來控制船體的運(yùn)動(dòng)，L298N內(nèi)含有兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器和光電耦合器，采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制，具有兩個(gè)使能控制端，可以在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作[9]。Vss為信號(hào)電源輸入端，接5 V使L298N通電；Vs為電機(jī)電源輸入端，輸入12 V電壓直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，模塊內(nèi)的78M05也可以將12 V電壓轉(zhuǎn)為5 V使L298N通電。ENA和ENB為使能端，IN1、IN2、IN3和IN4與單片機(jī)I/O口連接，OUT1和OUT2連接一個(gè)電機(jī)，OUT3和OUT4連接另一個(gè)電機(jī)，其電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。L298N工作時(shí)發(fā)熱較大，為了盡量減少發(fā)熱，本裝置共選用兩個(gè)L298N模塊，每個(gè)L298N模塊驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

數(shù)據(jù)接收端選用帶過充保護(hù)的12 V電源，和太陽能電池板相連接。電源模塊的電路圖如圖3所示，12 V電壓經(jīng)7805轉(zhuǎn)為5 V為主控制器和傳感器供電，5 V電壓再經(jīng)ASM1117轉(zhuǎn)為3.3 V為NRF24L01供電。

圖3 電源電路

1.2.2手持端硬件設(shè)計(jì)

手持端也選用STC12C5A60S2為主控制器，將數(shù)據(jù)采集端傳回的數(shù)據(jù)處理后在顯示屏上顯示，選用11.0592MHZ晶振，電源模塊的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集端一樣，顯示器選用LCD12864。手持端按鍵后通過NRF24L01向數(shù)據(jù)采集端發(fā)送指令，為整個(gè)系統(tǒng)控制端，數(shù)據(jù)采集端為執(zhí)行端。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

1.3.1數(shù)據(jù)采集端軟件設(shè)計(jì)

采用C語言完成程序的編寫，開發(fā)環(huán)境為Keil。NRF24L01可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)一和多對(duì)一的通信，但是在同一時(shí)刻只能一端發(fā)送一端接收，數(shù)據(jù)采集端無法在接收手持端控制信息的同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，因此NRF24L01在雙向收發(fā)時(shí)極易出現(xiàn)收發(fā)混亂而造成程序卡死的情況。針對(duì)此問題本裝置將數(shù)據(jù)采集端當(dāng)作執(zhí)行端，即在任意時(shí)刻都將NRF24L01設(shè)置為接收模式，根據(jù)接收的指令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，只有在接收到采集數(shù)據(jù)的指令后才轉(zhuǎn)換為發(fā)送模式發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完成后再轉(zhuǎn)換為接收模式。在程序編寫時(shí)，配置NRF24L01發(fā)送端和接收端的頻率、通道、地址一致，其程序流程圖如圖4所示。

1.3.2手持端軟件設(shè)計(jì)

手持端和數(shù)據(jù)采集端一樣，將NRF24L01設(shè)置為接收模式，只有檢測(cè)到按鍵時(shí)才轉(zhuǎn)換為發(fā)送模式，發(fā)送指令完成后再將其轉(zhuǎn)換為接收模式，接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并在顯示屏顯示，其流程圖如圖5所示。

2 裝置測(cè)試實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用

通過對(duì)NRF24L01雙向收發(fā)信息的功能進(jìn)行調(diào)試[10]，保證數(shù)據(jù)采集端和手持端穩(wěn)定的雙向收發(fā)數(shù)據(jù)，再根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)手冊(cè)對(duì)濁度傳感器和TDS傳感器進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，最后到水域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集端和手持端的實(shí)際測(cè)試，如圖6所示。

利用設(shè)計(jì)的自行走測(cè)試裝置，選定20×19 m范圍的研究區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)采集方法為：按照1 m間隔，對(duì)水域方格網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)包括電導(dǎo)率、pH酸堿度、溫度及濁度等。為了模擬不同的水環(huán)境，實(shí)驗(yàn)時(shí)分別在該水域長(zhǎng)寬為7m和10 m處、長(zhǎng)寬為15 m和5 m處、長(zhǎng)寬為15 m和15 m處加入35%的食鹽水溶液3 kg、1.5 kg和1.5 kg，目的是觀測(cè)其電導(dǎo)率的差異。加入水溶液后立即遙控該裝置按照上述方式采集整個(gè)水域的水環(huán)境參數(shù)。在本次實(shí)驗(yàn)中，不同區(qū)域的電導(dǎo)率變化明顯，以該水域的長(zhǎng)寬分別為x軸和y軸構(gòu)建坐標(biāo)系，將采集得到的電導(dǎo)率作為z參數(shù)，通過數(shù)據(jù)分析軟件繪制出該水域的電導(dǎo)率等值線圖，如圖7所示，通過等值線圖可以清晰地看出水域內(nèi)各處的電導(dǎo)率特征分布，以上對(duì)電導(dǎo)率的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)其余水環(huán)境參數(shù)同樣適用。

圖4 數(shù)據(jù)采集端程序流程圖

3 結(jié)論與建議

本文實(shí)現(xiàn)了一種水環(huán)境參數(shù)檢測(cè)裝置并完成了相關(guān)水環(huán)境參數(shù)采集實(shí)驗(yàn)，該裝置可以在無網(wǎng)絡(luò)的情況下通過遠(yuǎn)程遙控完成數(shù)據(jù)采集。完成對(duì)溫度、濁度、電導(dǎo)率和GPS參數(shù)的采集，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)該裝置可以穩(wěn)定應(yīng)用，尤其適合在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)或者環(huán)境惡劣的情況下采集水體參數(shù)，具有成本低廉、穩(wěn)定可靠和操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

利用本裝置可輕松得到水域內(nèi)各點(diǎn)的水環(huán)境參數(shù)，從而得到各個(gè)水環(huán)境參數(shù)的特征分布，由特征分布可以更好地分析水域內(nèi)各點(diǎn)的變化情況，根據(jù)不同的變化情況對(duì)水域采取不同的處理措施，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水域的全方位監(jiān)控。

本裝置也存在一些不足，比如采集的水環(huán)境參數(shù)有待增加，功能需更為完善，要進(jìn)一步增加可采集的水體參數(shù)及其測(cè)量精度。

圖5 接收端程序流程圖

圖6 裝置實(shí)物圖

圖7 電導(dǎo)率等值線圖