基于GPRS DTU的遠(yuǎn)程可控水質(zhì)監(jiān)測船

李秋慧 李潔 王傳敏 孫洋

（濱州學(xué)院航空工程學(xué)院 山東省濱州市 256600）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人口的不斷增加，城市化進程加快，我國的水環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重。大部分湖泊污染嚴(yán)重，富營養(yǎng)化加劇。由于城鎮(zhèn)工業(yè)超量排放污水導(dǎo)致許多中小河流嚴(yán)重污染，無法被人類所使用。近年來國家對水污染問題越來越重視，環(huán)保部發(fā)布了《國家環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》，國家要求重污染企業(yè)對工業(yè)廢水進行集中處理，禁止偷排污水。但一些企業(yè)為節(jié)約成本，偷排工業(yè)污水，導(dǎo)致水資源污染嚴(yán)重。

針對水質(zhì)污染問題，本文設(shè)計了一款遠(yuǎn)程可控水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。特點是提高水質(zhì)監(jiān)測的效率，可實時傳輸水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在上位機上實時顯示監(jiān)測船的位置軌跡，并實現(xiàn)對監(jiān)測船行駛方向的控制，采用太陽能供電，使其可長期在外工作。

國外的無人監(jiān)測船發(fā)展較早，主要是利用網(wǎng)絡(luò)同步以及衛(wèi)星通信等技術(shù)來實現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的傳輸。如葡萄牙波爾圖大學(xué)研發(fā)的“劍魚”，可完成對多種水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集。國內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測船的研究也在蓬勃發(fā)展，比如珠海云洲智能科技有限公司研發(fā)的移動水質(zhì)監(jiān)測船，該監(jiān)測船采用RF 無線視頻點對點雙向通信方式,可實現(xiàn)導(dǎo)航和自主定位功能，以及對水體富營養(yǎng)化的監(jiān)測和對地表水進行采樣。

1 總體設(shè)計方案

本文設(shè)計的遠(yuǎn)程可控水質(zhì)監(jiān)測船主要由水質(zhì)監(jiān)測模塊（溫度傳感器、PH 傳感器、濁度傳感器、電導(dǎo)率傳感器）、STM32F103ZET6控制芯片、GPRS DTU通信模塊、螺旋槳電機模塊、太陽能電池板供電系統(tǒng)等部件構(gòu)成。水質(zhì)監(jiān)測模塊可實時檢測水域溫度、PH、濁度、電導(dǎo)率等水質(zhì)數(shù)據(jù)。STM32F103ZET6 控制芯片將傳感器檢測到的水質(zhì)數(shù)據(jù)通過GPRS DTU[1]傳輸?shù)皆釉粕希⒃谏衔粰C上實時顯示水質(zhì)數(shù)據(jù)及監(jiān)測船在地圖上的定位軌跡。上位機發(fā)送指令由GPRS DTU 通信模塊傳輸?shù)絪tm32f103zet6 控制芯片來控制水質(zhì)監(jiān)測船的行駛方向，并在監(jiān)測船上安裝超聲波測距模塊來規(guī)范監(jiān)測船的行駛路徑，能使監(jiān)測船有效的躲避障礙物，提高了監(jiān)測船的工作效率。由太陽能板給監(jiān)測船提供電能，可使監(jiān)測船長期在外工作。圖1 為水質(zhì)監(jiān)測船的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。

2 硬件介紹

2.1 STM32F103ZET6最小系統(tǒng)

STM32F103ZET6 的最高工作頻率為72MHz，內(nèi)嵌8MHz的RC 振 蕩 器， 芯 片 具 有64KB SRAM 和512KB FLASH。STM32F103ZET6 采集水質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過串口通信傳輸給GPRS DTU。

2.2 GPRS DTU通信模塊

GPRS DTU 通信模塊來實現(xiàn)STM32 與服務(wù)器端的雙向數(shù)據(jù)透傳，圖2 為該系統(tǒng)中GPRS DTU 模塊采用的通信方式。GPRS DTU通信模塊將監(jiān)測船檢測到的數(shù)據(jù)傳輸給原子云，以及將監(jiān)測人員發(fā)出的控制信息通過原子云傳輸給STM32。STM32 采用RS232 接口與GPRS DTU 通信模塊進行通信。

2.3 PH、溫度傳感器

本系統(tǒng)采用DS18B20 溫度傳感器和PH 檢測傳感器[2]來采集水域溫度和PH 值。DS18B20 溫度傳感器將溫度值轉(zhuǎn)化為數(shù)字溫度信號，溫度信號采用串行通信傳送給CPU。PH 傳感器采用圖3 所示的信號放大電路放大PH 信號，提高了PH 測量的精確度和溫度穩(wěn)定性。PH 電極輸出電壓信號，通過電位器調(diào)節(jié)使電壓轉(zhuǎn)換為0-3V模擬量輸出，STM32 通過模數(shù)轉(zhuǎn)換使之轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的PH 值。

圖1：系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖2：GPRS DTU 網(wǎng)絡(luò)透傳模式

圖3：PH 信號放大電路

圖4：濁度與電壓關(guān)系曲線

圖5：上位機軟件界面

圖6：PH 測量結(jié)果

圖7：濁度測量結(jié)果

圖8：電導(dǎo)率測量結(jié)果

2.4 濁度傳感器

濁度傳感器[3]利用光學(xué)原理，通過測定水環(huán)境中微粒的散射光強度來測量水樣的渾濁度。當(dāng)光線通過被測液體時產(chǎn)生了隨濁度變化的電信號，濁度傳感器模塊將傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，圖4 為濁度與電壓的關(guān)系曲線，STM32 通過模數(shù)轉(zhuǎn)換使模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的濁度值。

2.5 電導(dǎo)率傳感器

電導(dǎo)率傳感器電極采用DJS-1C 鉑黑電極，增加了電極的有效面積，有效降低了電極的極化。初次使用模塊前對電導(dǎo)率模塊進行校準(zhǔn)提高了測量精確度。

2.6 供電模塊

該系統(tǒng)供電方式為兩種，供電方式主要是由太陽能電池板給可充電鋰電池充電，然后由可充電鋰電池為系統(tǒng)提供電能。當(dāng)太陽能電池板無法提供電能且鋰電池電量較少，則由預(yù)備鋰電池為系統(tǒng)提供電能。

3 軟件設(shè)計

3.1 上位機設(shè)計

該水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)上位機由Visual Studio[5]軟件編寫，主要功能包括水質(zhì)數(shù)據(jù)的實時顯示、監(jiān)測船位置顯示、監(jiān)測船運動控制。圖5 為上位機軟件界面，上位機填入監(jiān)測船所連接的原子云token，點擊獲取數(shù)據(jù)，若設(shè)備列表顯示原子云連接的所有設(shè)備，即表示完成了上位機與原子云的連接。GPRS DTU 通信模塊將監(jiān)測船數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆釉粕希帉懮衔粰C原子云API 接口[6]，則原子云將接收到的溫度、PH 值、濁度值、電導(dǎo)率等水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C上，并在上位機上實時顯示。通過編寫百度地圖API 接口，即可在上位機上實時顯示監(jiān)測船的經(jīng)緯度并顯示監(jiān)測船在地圖上的位置，便于觀察水質(zhì)監(jiān)測船的運動軌跡。在上位機上可控制監(jiān)測船的運動方向，并顯示監(jiān)測船當(dāng)前運動狀態(tài)。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸

GPRS DTU 插入SIM 卡，并設(shè)置GPRS DTU 的參數(shù)信息，寫入對應(yīng)原子云的設(shè)備編號與設(shè)備密碼，完成初始化配置。GPRS DTU 通信模塊通過MODBUS RTU[7]傳輸協(xié)議實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備與原子云通信，使用keil 軟件編寫STM32 的串口通信程序，STM32和GPRS DTU 均由RS232 串行通信接口連接進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)監(jiān)測船數(shù)據(jù)包的傳輸。GPRS DTU 可在網(wǎng)絡(luò)透傳模式下使用心跳包機制[8]，GPRS DTU 支持?jǐn)嗑€重連功能，可使水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)與服務(wù)器穩(wěn)定連接，使水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸更加穩(wěn)定可靠。

3.3 控制系統(tǒng)

STM32 接收來自上位機傳輸?shù)南鄳?yīng)信號，并通過改變螺旋槳電機的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向來改變水質(zhì)監(jiān)測船的運動軌跡。為了提高監(jiān)測船在外工作的實用性和可靠性，除了可人為對監(jiān)測船的方向進行控制，我們在監(jiān)測設(shè)備上安裝避障[9]模塊，監(jiān)測船可自行對行駛方向進行細(xì)微調(diào)整，并且系統(tǒng)的電機控制程序采用PID 算法[10]，可避免水域環(huán)境劇烈變化導(dǎo)致的監(jiān)測船偏航。

4 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)完成了相關(guān)設(shè)計要求，并在湖泊中進行了相關(guān)參數(shù)的測試。經(jīng)測試，系統(tǒng)上位機可及時接收監(jiān)船發(fā)出的水質(zhì)數(shù)據(jù)及監(jiān)測船地圖位置，并可實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測船運動軌跡的控制以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集。圖6、圖7、圖8 分別為PH、濁度、電導(dǎo)率在五處地點水質(zhì)監(jiān)測船測量數(shù)據(jù)與專業(yè)水質(zhì)測量儀器測量數(shù)據(jù)的曲線圖，根據(jù)測量曲線圖所示，該水質(zhì)測量模塊所測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)測量結(jié)果誤差較小，滿足水質(zhì)測量要求。圖9 為該系統(tǒng)的系統(tǒng)流程圖。

圖9：系統(tǒng)流程圖

5 結(jié)論

本文針對水質(zhì)污染問題設(shè)計了一款水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，該水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)可實時檢測水域污染情況，監(jiān)測設(shè)備可將溫度、PH、濁度、電導(dǎo)率等水質(zhì)數(shù)據(jù)及監(jiān)測船位置實時傳輸給監(jiān)測人員，并且監(jiān)測人員可通過上位機控制監(jiān)測船運動軌跡。該系統(tǒng)可有效提高水質(zhì)監(jiān)測人員的工作效率，減少監(jiān)測設(shè)備成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。