基于單片機技術(shù)的無人船濕地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

摘" 要：針對當前濕地環(huán)境監(jiān)測工作耗時耗力、安全系數(shù)低、成本高和采樣難度大的問題，提出基于STC89C52RC和HC-12的無人船濕地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以STC89C52RC單片機為主控單元，使用便攜式移動電源供電，通過導線連接由nRF905無線通信模塊、HC-12無線通信模塊、電機驅(qū)動系統(tǒng)、舵機驅(qū)動系統(tǒng)、水樣采集系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)（global position system， GPS）和水質(zhì)指標監(jiān)測系統(tǒng)等構(gòu)成的濕地環(huán)境監(jiān)測無人船系統(tǒng)硬件部分，通過串口分別連接和燒寫使用C#、keil軟件制作上位機程序與nRF905單片機驅(qū)動程序，實現(xiàn)計算機通過串口通信方式完成單片機之間的無線通信和AT指令集的收發(fā)，從而達成計算機遠距離實時遙控無人船進行定點水樣采集與pH、濁度、溫度指標監(jiān)測的目的。野外實驗結(jié)果證明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，且水質(zhì)指標測定結(jié)果精準。

關(guān)鍵詞：無線遙控;水樣采集;水質(zhì)指標監(jiān)測;無人船;環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號：TP368.2" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）09-0050-07

Abstract： This paper proposes an unmanned ship-based wetland environmental monitoring system based on STC89C52RC and HC-12， aiming to address the current issues with time-consuming， labor-intensive， low safety factor， high cost and the difficulties in sampling in wetland environmental monitoring work. The system takes STC89C52RC MCU as the main control unit， uses a portable mobile power supply for power， and connects wires to the hardware parts of the wetland environmental monitoring unmanned ship system， including the nRF905 wireless communication module， HC-12 wireless communication module， motor drive system， steering control drive system， water sample collection system， global positioning system （GPS）， and water quality index monitoring system. The system further connects and programs the upper computer program and nRF905 MCU driver program using C# and Keil software through serial ports， enabling the computer to complete wireless communication between microcontrollers and the transmission and reception of AT commands through serial port communication， thus achieving the purpose of remote real-time remote control of the unmanned ship for fixed-point water sample collection and pH， turbidity， and temperature monitoring. Field experimental results have proven that the system runs stably and the determination results of water quality indices are accurate.

Keywords： wireless remote control; water sample collection; water quality index monitoring; unmanned ship; environmental monitoring

長期以來，濕地遭到人們過度開發(fā)和破壞，濕地面積和生態(tài)功能迅速下降，許多濕地面臨退化威脅[1-2]。濕地環(huán)境監(jiān)測可以準確掌握濕地資源的現(xiàn)狀及其動態(tài)變化[3]，為濕地保護、管理和科學研究提供及時、準確的數(shù)據(jù)和科學依據(jù)[4-5]，而傳統(tǒng)的監(jiān)測方式主要依賴于人工現(xiàn)場進行，耗時費力、成本高、難度大及危險系數(shù)高[6-7]，為解決傳統(tǒng)方式的弊端，結(jié)合了無線通信技術(shù)的便攜式無人船系統(tǒng)被廣泛應用[8-10]。文獻[11]設計的便攜式遙控船，是以STM32單片機作為主控芯片，搭載無線網(wǎng)絡通信技術(shù)（wireless fidelity，Wi-Fi）與通用無線分組業(yè)務（general packet radio service， GPRS）無線傳輸技術(shù)。而STM32芯片相對于STC89C52RC芯片成本高、開發(fā)難度高[12]、Wi-Fi技術(shù)傳輸距離近、抗干擾能力差[13]及難以適應大范圍監(jiān)測，GPRS技術(shù)雖然通信距離長，覆蓋范圍廣，但是功耗高、成本高，部分偏遠濕地環(huán)境存在網(wǎng)絡掉線的可能[13-14]。結(jié)合當前研究現(xiàn)狀，本文設計了一種基于nRF905和HC-12的無人船濕地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，使用STC89C52RC單片機作為主控芯片，利用Keil μVision5與C#進行軟件編程，搭配硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)了計算機遠距離遙控定位無人船進行水樣采集與指標監(jiān)測。

1" 無人船濕地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)以STC89C52RC芯片為主控制芯片，由nRF905無線通信模塊、HC-12無線通信模塊、電機驅(qū)動系統(tǒng)、舵機驅(qū)動系統(tǒng)、水樣采集系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)和水質(zhì)指標監(jiān)測系統(tǒng)等構(gòu)成（圖1）。系統(tǒng)通電后，可通過上位機軟件界面觀察GPS數(shù)據(jù)變化實時遙控船只到達固定監(jiān)測點，按下計算機相應按鍵進行水樣定時采集與水質(zhì)監(jiān)測。

2" 硬件設計

2.1" 無線通信系統(tǒng)

無線通信系統(tǒng)的硬件部分包括STC89C52RC單片機、nRF905無線通信模塊，以及HC-12無線通信模塊。

2.1.1" STC89C52RC單片機

系統(tǒng)使用了超低功耗、抗干擾能力強、低輻射和超低成本的8位單片機STC89C52RC，該單片機完全兼容8051單片機，內(nèi)置8 K的Flash程序存儲器、512 B的隨機存取存儲器（random access memory， RAM）和2 K的帶電可擦可編程只讀存儲器（electrically erasable programmable read only memory， E2PROM），內(nèi)部有3個定時器/計數(shù)器，可進行8、13、16位的定時/計數(shù)，同時具有2個串行中斷、2個外部中斷、32個輸入/輸出口（input/output， I/O）[15-16]，完美滿足系統(tǒng)設計需求。

2.1.2" nRF905無線通信模塊

nRF905是挪威Nordic公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片（圖2），工作電壓為1.9～3.6 V，可以工作于433/868/915 MHz三個無線電的頻段（industrial scientific medical， ISM），且?guī)в袠藴实拇型庠O接口（serial peripheral interface， SPI）總線接口，可與單片機實時通信[17-18]。本設計為滿足濕地大水域監(jiān)測要求，采用的是計算機通過串口與單片機進行實時通信，并采用傳輸距離最長、信號衰減最少的433 MHz通信頻段，通信距離可達500 m，丟包率不足1%[17-18]，且不受通信網(wǎng)絡限制，克服了GPRS的掉線風險與Wi-Fi、藍牙技術(shù)的通信距離短，丟包率高的缺陷。

2.1.3" HC-12無線通信模塊

HC-12無線通信模塊工作頻段為433.4～473.0 MHz，可設置多個頻道，模塊最大發(fā)射功率為100 mW（20 dBM），5 000 bps空中波特率下接收靈敏度為-116 dBm。共有4種工作模式，4種模式下平均工作電流分別為3.6 mA，80 μA，16 mA和16 mA[19]，功耗極低，工作原理如圖3所示。為滿足電腦上位機軟件與各傳感器之間的遠距離無線通信需要，本設計使用的是第三種工作模式，工作頻段為433.4 MHz，串口波特率設為9 600 bps。

2.2" 航速航向控制系統(tǒng)

硬件部分包括舵機驅(qū)動系統(tǒng)與電機驅(qū)動系統(tǒng)。

2.2.1" 舵機驅(qū)動系統(tǒng)

硬件部分包括舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機和控制電路。工作電壓為直流（direct current， DC）24 V，空載電流小于500 mA，最大扭矩為500 kg·cm，可識別脈沖寬度調(diào)制信號（pulse width modulation， PWM）。在工作時，舵機控制電路（圖4）識別來自單片機接收端I/O口的周期為20 ms，間隔為2 ms，高電平為0.5～2.5 ms的角度控制脈沖信號驅(qū)動舵板轉(zhuǎn)動相應角度（表1）實現(xiàn)船只轉(zhuǎn)向。PWM信號由接收通道進入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓，其內(nèi)部有一個基準電路，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差，從而驅(qū)動舵機內(nèi)部電機正反轉(zhuǎn)[20-21]，實現(xiàn)電壓差歸0。

2.2.2" 電機驅(qū)動系統(tǒng)

硬件部分包括DC 24 V無刷電機與電機驅(qū)動板。電機額定功率為60 W，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，峰值扭矩為0.6 N·m;驅(qū)動板支持內(nèi)置電位器、外接電位器、模擬電壓和PWM調(diào)速，具備電子快速制動功能，并帶有速度反饋信號輸出。電機驅(qū)動系統(tǒng)與舵機驅(qū)動系統(tǒng)類似，均是由驅(qū)動板識別來自單片機的0%～100%占空比[17]的PWM控制信號，從而實現(xiàn)無人船的遠程實時啟停與轉(zhuǎn)速調(diào)整。

2.3" 水樣采集系統(tǒng)

硬件部分包括4路光耦隔離繼電器，4個DC 24 V無刷潛水泵。系統(tǒng)電路原理如圖5所示。

2.3.1" 光耦隔離繼電器

繼電器是由光耦驅(qū)動三極管，控制光耦端構(gòu)成，可選擇高電平或者低電平信號觸發(fā)，靈敏度高，工作電壓為DC 24 V，最大負載交流（alternating current， AC）250 V/A，通過識別來自接收端單片機I/O口的高低電平信號進行潛水泵的啟停控制。

2.3.2" 直流無刷潛水泵

無刷潛水泵由轉(zhuǎn)子、葉片、耐磨陶瓷軸承、電機與泵頭構(gòu)成，功率為10 W，最大流量12 L/min，最高揚程為6 m，工作電壓為DC 24 V，耐酸堿。在系統(tǒng)中通過識別光耦繼電器的啟停信號，實現(xiàn)水樣的采集與停止。

2.4" 水質(zhì)指標監(jiān)測系統(tǒng)

硬件部分包括DSB18B20溫度傳感器[22]、E-201-C酸堿度（pondus hydrogenii， pH）電極[23]、濁度傳感器[24]，以及對應傳感器模塊（圖6）。pH監(jiān)測范圍為0～14，溫度監(jiān)測范圍為-55～125 ℃，pH傳感器產(chǎn)生的模擬電壓值與顯示讀數(shù)成線性關(guān)系，換算公式為y=-5/14x+5;濁度傳感器顯示濁度值與模擬電壓的換算關(guān)系為y=-1 120.4x2+574.3x-4 352.9;DSB18B20型溫度傳感器直接輸出數(shù)字信號，無轉(zhuǎn)換關(guān)系，由采集模塊直接讀取。溫度、pH、濁度的測定均是通過采集模塊接收到HC-12接收端的AT指令，進行相應動作，完成溫度、pH、濁度數(shù)據(jù)采集過程。

3" 系統(tǒng)程序設計

3.1" 功能需求

上位機軟件要實現(xiàn)上述功能，需要滿足以下功能：①實現(xiàn)船只航速航向?qū)崟r控制與調(diào)整;②實現(xiàn)采集瓶定時長遠程采集水樣;③實現(xiàn)水質(zhì)指標傳感器實時監(jiān)測。

3.2" 下位機程序設計

舵機角度的控制、電機轉(zhuǎn)速的控制主要由單片機接收端產(chǎn)生PWM控制信號根據(jù)占空比的不同調(diào)節(jié)對應角度和轉(zhuǎn)速實現(xiàn)[25-26]。而PWM信號的產(chǎn)生與單片機定時器初始化與中斷函數(shù)編寫方式密切相關(guān)。本次使用的單片機晶振為11.059 2 MHz，信號頻率為100 Hz，單片機定時器T0和T1全部工作于方式1，隨后對單片機定時器高位和低位進行賦值，并開啟總中斷與定時器T0、T1中斷，隨后打開定時器T0與T1（圖7），編寫單片機定時器T0與T1的中斷程序，其中定時器T0可產(chǎn)生0%～100%占空比脈沖信號，用于控制電機轉(zhuǎn)速，定時器T1產(chǎn)生舵機可識別的PWM脈沖信號，用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動角度。

3.3" 上位機程序設計

上位機軟件（圖8）使用C#進行編程，重點在于串口通信的實現(xiàn)，搭載nRF905模塊的單片機通信軟件使用Keil μVision5進行編程，實現(xiàn)了遠距離定點水樣采集與水質(zhì)指標數(shù)據(jù)實時監(jiān)測功能，并設置有數(shù)據(jù)緩存區(qū)。

4" 功能試驗

在實驗室與安徽巢湖濕地公園進行了功能實驗（圖9為測試模型結(jié)構(gòu)圖，圖10為水樣采集效果圖，圖11為船只航速航向調(diào)整，圖12為船只返航效果圖）。結(jié)果證明，500 m水面范圍內(nèi)實現(xiàn)了船只實時控制且水樣采集效果良好，實現(xiàn)了4組采集瓶同時或分別定時采樣，同時驗證了濁度、水溫、pH指標數(shù)據(jù)的準確度。

4.1" 溫度對比實驗

在實驗室進行溫度測定，實驗過程中準備了500 mL燒杯，向其加入300 mL自來水，并放置于水浴鍋中，同時置入溫度傳感器與JJG 161—2010《標準水銀溫度計》規(guī)定的標準水銀溫度計進行溫度測量[27]。實驗結(jié)果在23～51 ℃測定范圍內(nèi)，無人船溫度計與標準水銀溫度計的連續(xù)測定50次的測定結(jié)果對比，誤差范圍為-0.4～0.2 ℃，滿足現(xiàn)場水溫測定要求。

4.2" 濁度對比實驗

在實驗室中進行濁度測定，測定過程中加入少量土壤膠體，調(diào)節(jié)濁度大小。同時將50組濁度傳感器連續(xù)測定3次得到的平均值與同條件下HJ 1075—2019《水質(zhì) 濁度的測定 濁度計法》測得的標準值[28]進行對比分析，誤差最高不超過±5 NTU，可滿足日常野外測定的要求。

4.3" pH測定實驗

pH測定直接在野外環(huán)境下進行，將采樣船實時測定的結(jié)果與岸上人員使用GB 6920—86《水質(zhì)pH值的測定 玻璃電極法》測得的標準結(jié)果[29]進行對比。結(jié)果顯示，50組不同采樣點連續(xù)測定結(jié)果中，最大誤差不超過±0.11，精準度高，能在滿足在常規(guī)野外環(huán)境條件下使用。

5" 結(jié)束語

本文設計了一種無人船濕地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，集合上位機軟件、傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)和潛水泵技術(shù)于一體，用于彌補傳統(tǒng)監(jiān)測方式耗時長、成本高、安全性差的缺點，同時克服了Wi-Fi技術(shù)通信距離短，GPRS技術(shù)受地域限制，STM32單片機成本高、功耗高的不足。系統(tǒng)由上位機軟件與搭載nRF905的單片機之間的無線通信進行船只航速航向以及水樣采集過程控制;由上位機軟件與HC-12之間的無線通信進行GPS定位以及水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的收發(fā)。實驗證明，水樣采集順利進行，監(jiān)測數(shù)據(jù)準確度高。系統(tǒng)提高了工作效率，提高危險地帶的監(jiān)測工作安全性，既實用又經(jīng)濟，但是對于水草茂盛地區(qū)，可能會出現(xiàn)螺旋槳卡死的問題，需進一步調(diào)整以適用于多種復雜環(huán)境。

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基金項目：安徽高校協(xié)同創(chuàng)新項目（GXXT-2021-061）

第一作者簡介：黃濤（1995-），男，碩士，研究實習員。研究方向為環(huán)境監(jiān)測。