面向地表水水質(zhì)檢測的無人船上位機軟件設(shè)計與實現(xiàn)＊

費曉昕，吳述園，朱紅生，馬志堅，唐 萌

(1.中冶華天工程技術(shù)有限公司，安徽 馬鞍山 243005；2.南京理工大學(xué)自動化學(xué)院)

0 引言

水是生命之源，是人類自身生存和人類社會發(fā)展不可或缺的資源。我國重視對水資源的保護(hù)，在針對河流、湖泊的日常水質(zhì)檢測方面，通過獲取水質(zhì)數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)的匯總分析來制定治理方案。

傳統(tǒng)的水質(zhì)信息獲取方法有人工取樣、浮標(biāo)定點檢測和遠(yuǎn)程遙測等方式。人工取樣方式費時費力，受天氣影響很大，往往還需將樣本帶回實驗室檢測，時效性差，數(shù)據(jù)管理與跟蹤也有難度；浮標(biāo)定點檢測方式可長時間連續(xù)地對特定區(qū)域進(jìn)行檢測，但靈活性差、系統(tǒng)建造性價比不高；遠(yuǎn)程遙測方式智能化程度高，但測量精度不高，檢測結(jié)果方差偏大，可信度偏低。

針對以上難題，本課題組在自主構(gòu)建的無人船平臺上搭載多種水質(zhì)檢測傳感器，實現(xiàn)靈活的自主航行和水質(zhì)檢測，針對可航行水域，基于Qt 5.12.1 設(shè)計了一款無人船水質(zhì)檢測系統(tǒng)的上位機軟件，軟件可以與無人船進(jìn)行遠(yuǎn)程無線通訊，實時獲取無人船坐標(biāo)信息，實時接收無人船搭載的傳感器信息，并能夠?qū)v史水質(zhì)信息進(jìn)行顯示、保存和查閱等操作。方便環(huán)境保護(hù)工作人員對不便于人工取樣的水域進(jìn)行檢測，并能夠?qū)崟r獲取目標(biāo)檢測點水質(zhì)信息，根據(jù)歷史水質(zhì)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、評估以便確定污染源，針對相關(guān)污染水域制定治理方案。經(jīng)過實驗測試，本軟件與無人船之間通訊狀況良好，界面簡潔易于操作，人機交互性好，具有很好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計

無人船選用單體式結(jié)構(gòu)，材質(zhì)由韌性優(yōu)良的塑料制成，方便后期開模加裝傳感器。根據(jù)水質(zhì)檢測種類的需要，為船體加裝溫度傳感器、溶解氧傳感器、化學(xué)需氧量傳感器和氨氮傳感器四種傳感器，無人船主要設(shè)備清單、性能指標(biāo)和船體示意圖如表1、表2 和圖1所示。

圖1 船體示意圖

表1 設(shè)備清單

表2 無人船性能指標(biāo)

Qt 是由挪威的奇趣科技軟件公司于1991 年開發(fā)的基于圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，其跨平臺性好且具有很強的擴展性。Qt 是面向?qū)ο髞磉M(jìn)行程序的編寫，Qt 自帶的編譯器Qt Creater 提供了三個基類：QMainWindow、QWidget 和QDialog，所有子類都從這三個基類繼承而來。Qt 的核心機制是信號和槽，對象的內(nèi)部狀態(tài)改變，會向其所連接的槽發(fā)射信號，從而調(diào)用槽函數(shù)，實現(xiàn)所需功能。

本文基于現(xiàn)有的無人船為對象，以Qt作為設(shè)計工具，在Windows 系統(tǒng)下開發(fā)設(shè)計程序。該上位機軟件主要實現(xiàn)以下功能：

⑴上位機與無人船之間通訊功能的實現(xiàn)；

⑵無人船坐標(biāo)的實時地圖顯示；

⑶無人船采集的水質(zhì)信息實時傳輸和顯示；

⑷水質(zhì)信息的保存和歷史水質(zhì)信息的查閱。

上位機軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 上位機軟件總體結(jié)構(gòu)圖

2 軟件通訊功能的實現(xiàn)

基于中興MF79U模塊，利用FRP反向代理和組網(wǎng)技術(shù)搭建無人船和上位機軟件間的通訊網(wǎng)絡(luò)。通過建立socket套接字來進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

當(dāng)無人船與上位機軟件通信連接時，先使用FRP軟件工具進(jìn)行內(nèi)網(wǎng)穿透，獲得可以直連的IP 地址。然后使用TCP/IP協(xié)議通信，按IP地址與軟件端口號組成的socket 套接字發(fā)送數(shù)據(jù)。通信子系統(tǒng)連接框架如圖3所示。

圖3 通信子系統(tǒng)框架圖

無人船航行到指定水域檢測點時，傳感器開始采集數(shù)據(jù)并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機端。此時上位機在設(shè)置好的Qt程序中遠(yuǎn)程接收、解析數(shù)據(jù)并進(jìn)行實時的顯示。

3 軟件界面的設(shè)計

上位機軟件由軟件界面、通訊和數(shù)據(jù)庫等模塊共同構(gòu)成，采用低耦合、高內(nèi)聚的設(shè)計思想，設(shè)計軟件界面簡介美觀，人機交互性強。

3.1 軟件界面的設(shè)計

上位機軟件由水質(zhì)信息顯示界面、歷史信息顯示界面、航跡顯示界面組成。其中水質(zhì)信息顯示界面包含功能區(qū)和檢測信息顯示界面等；歷史信息顯示界面包含檢測線路的命名、保存等；航跡顯示界面由百度地圖和無人船航行坐標(biāo)點等構(gòu)成。主界面如圖4所示。

圖4 主界面設(shè)計圖

3.2 地圖構(gòu)建與顯示

百度地圖是由百度公司開發(fā)，集智能定位、導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、實時路況顯示等功能為一體的新一代AI地圖。百度地圖開發(fā)工具包提供了一套免費應(yīng)用程序接口方便開發(fā)者在網(wǎng)頁中構(gòu)建各式各樣的特色地圖。Qt 中也提供了QtWebEngine Widgets 控件實現(xiàn)Web功能，在百度注冊賬號，然后將獲取的密鑰配置在Qt程序中，在上位機軟件界面端添加百度地圖。無人船的經(jīng)緯度坐標(biāo)通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳送給上位機，上位機對經(jīng)緯度坐標(biāo)進(jìn)行解析，解析后通過構(gòu)建Json 數(shù)組傳值的方式將無人船的經(jīng)緯度坐標(biāo)傳遞給前端接口，關(guān)聯(lián)相關(guān)檢測點，最后將經(jīng)緯度坐標(biāo)顯示在地圖上。顯示效果如圖5所示。

圖5 百度地圖坐標(biāo)點顯示

4 數(shù)據(jù)的保存和展示

無人船采集的水質(zhì)信息需要根據(jù)檢測點分時、分類保存，并能夠滿足軟件使用者隨時隨地對歷史信息進(jìn)行查看的需求。本節(jié)基于以上幾點設(shè)想搭建了數(shù)據(jù)庫，并通過ECharts 動態(tài)顯示數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，從而提高了數(shù)據(jù)的可讀性。

4.1 數(shù)據(jù)庫搭建

MySQL是一個基于關(guān)系的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，可以將不同數(shù)據(jù)分類保存在預(yù)設(shè)的不同表中，MySQL數(shù)據(jù)庫體積小且運行速度快，其開源的特性降低了開發(fā)成本，因此本設(shè)計基于MySQL 設(shè)計了數(shù)據(jù)庫。檢測信息的存儲可以在數(shù)據(jù)庫中設(shè)計三張表分別保存檢測線路、檢測線路對應(yīng)的檢測點，以及檢測點對應(yīng)的水質(zhì)信息，如圖6 所示，三張表之間使用外鍵相連，可以實現(xiàn)快速保存和查詢數(shù)據(jù)。根據(jù)船體檢測點、日期和搭載傳感器的種類等設(shè)計每張表內(nèi)容，詳情如圖7所示。

圖6 數(shù)據(jù)庫頁表設(shè)計

圖7 數(shù)據(jù)庫頁表內(nèi)容

4.2 實時水質(zhì)信息的保存

根據(jù)上位機軟件的設(shè)計可知，通過Qt功能模塊連接部署在云服務(wù)器中MySQL 數(shù)據(jù)庫，檢測線路完成后，將水質(zhì)檢測信息按照檢測線路保存至MySQL 數(shù)據(jù)庫。Qt 中提供了QtSql 模塊操作數(shù)據(jù)庫，QtSql 模塊主要由用戶接口層、SQL 接口層、驅(qū)動層三部分組成，如表3所示。

表3 QtSql模塊組成

數(shù)據(jù)庫模塊通過驅(qū)動層和接口層提供的接口連接部署在云端服務(wù)器上的MySQL 數(shù)據(jù)庫。通過實例化QSqlDatabase 類的對象，然后設(shè)置MySQL 用戶名、密碼和IP 地址，連接云服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫。連接完成后可以使用QSqlQuery 類對檢測線路進(jìn)行增、刪、查、改等管理操作，檢測線路管理如圖8所示。

圖8 檢測線路管理

4.3 歷史檢測信息查閱

為了滿足數(shù)據(jù)的直觀、可視化且易讀的需求，軟件使用基于JavaScript 開發(fā)的開源可視化庫ECharts。在Qt 前端頁面使用script 標(biāo)簽引入ECharts 依賴庫，在繪制圖表前準(zhǔn)備一個DOM 容器，然后對圖表實例進(jìn)行初始化，從云端服務(wù)器中取出數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)并構(gòu)建Json數(shù)組，最終通過AJax解析并在上位機動態(tài)的顯示，效果如圖9所示。

圖9 水質(zhì)數(shù)據(jù)圖

5 結(jié)束語

通過對比傳統(tǒng)水資源保護(hù)手段優(yōu)缺點，根據(jù)復(fù)雜水域水質(zhì)檢測應(yīng)用場景的需求，本文基于Qt框架設(shè)計了一款適配無人船的水質(zhì)檢測系統(tǒng)的上位機軟件，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程通訊、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)保存、歷史信息查閱和動態(tài)顯示等功能，為河流、湖泊水質(zhì)檢測、勘探提供了新的解決方案，具有很高的應(yīng)用價值。