基于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的水質(zhì)檢測無人船

賴俊委，岑佳潼

（廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院計(jì)算機(jī)系，廣東 廣州510990）

0 引 言

無人船具有體積小、易操控、效率高、成本較低、使用方便、對監(jiān)控環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)。目前，市面上大多數(shù)的無人船并非真正的“無人船”。第一，無線通信方案單一且距離近。多使用遙控器控制的方案，通信距離很難達(dá)到3 km以上。第二，水質(zhì)檢測。大多仍采用人工取樣分析的方式，即時(shí)性差、耗時(shí)費(fèi)力[1]。第三，水質(zhì)環(huán)境檢測的數(shù)據(jù)未被合理利用，沒有依據(jù)國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838-2002分析水域的水質(zhì)評定標(biāo)準(zhǔn)[2]。

針對以上問題，本文研發(fā)一種可以實(shí)現(xiàn)自主巡航、一鍵返航、3G/4G遠(yuǎn)程通信、實(shí)時(shí)檢測水質(zhì)和垃圾收集等功能的無人船控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠契合用戶所需進(jìn)行功能擴(kuò)展，使系統(tǒng)更能適應(yīng)不同水域的需要。

1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)功能

無人船系統(tǒng)按功能可分為4部分：負(fù)責(zé)自主巡航、定位及避障的無人船體控制系統(tǒng)，其中包括船體避障單元和航行控制單元；負(fù)責(zé)水質(zhì)環(huán)境綜合信息獲取分析的水質(zhì)檢測系統(tǒng)；負(fù)責(zé)通信服務(wù)、遠(yuǎn)程操控、信息管理查詢等應(yīng)用的地面站監(jiān)控系統(tǒng)；負(fù)責(zé)在水面上收集垃圾的垃圾收集系統(tǒng)。無人船設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括視頻傳輸單元、船體避障單元、航行控制單元、垃圾收集單元和水質(zhì)檢測單元等。其中，控制設(shè)備的地面站監(jiān)控系統(tǒng)包括PC端地面站、手機(jī)APP地面站和遙控設(shè)備。

圖1 無人船的總體結(jié)構(gòu)

1.2 無人船運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

采用小水線面雙體船設(shè)計(jì)，船體控制核心開發(fā)板以STM32芯片為核心，并融合了MPU6000模塊、GPS NEO-M8N定位模塊、電子調(diào)速器、無線通信模塊等硬件。通過PID算法、姿態(tài)解算、GPS航點(diǎn)定位，進(jìn)一步糾正了船體的航行軌跡。PWM輸出至電子調(diào)速器來調(diào)整船槳的運(yùn)行，而船體尾舵方向的控制則通過磁力計(jì)、陀螺儀具體調(diào)整[3]。

1.3 無人船船體避障系統(tǒng)

比對紅外線探測和超聲波檢測兩種避障方式，因紅外線受雨霧天氣的影響很大，故船體避障系統(tǒng)采用超聲波避障方式[4]。當(dāng)超聲波檢測到周圍環(huán)境有障礙物時(shí)，中間層Arduino核心板向STM32核心板發(fā)送信號(hào)，通過處理接收到的脈沖信號(hào)，檢測PWM值是否小于設(shè)定值。進(jìn)一步處理后，重新計(jì)算PWM值并輸出，使尾舵控制航行方向，而電子調(diào)速器控制航行速度。避障系統(tǒng)采用四方位監(jiān)測、多種避障策略，使船體航行更加穩(wěn)定且有效地避過障礙物，以免船體發(fā)生碰撞。

1.4 無人船水質(zhì)檢測系統(tǒng)

水質(zhì)檢測裝置直接接觸水體，實(shí)時(shí)獲取水體指標(biāo)，同時(shí)將拍攝到的水面情況傳輸至地面站。影響水質(zhì)的關(guān)鍵檢測指標(biāo)有水溫（T）、電導(dǎo)率（TDS）、渾濁度（COD）、酸堿度（pH）、氧化還原能力（ORP）和溶解氧（DO）等[5]。對水域水質(zhì)的情況進(jìn)行檢測，利用TCP/IP通信協(xié)議將傳感器數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫，初步對水質(zhì)檢測指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最后將數(shù)據(jù)分析情況通過Web網(wǎng)頁端實(shí)時(shí)顯示。數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果顯示的方式主要有兩種——熱點(diǎn)圖和統(tǒng)計(jì)圖表。

1.5 無人船垃圾收集系統(tǒng)

垃圾收集系統(tǒng)結(jié)合超聲波傳感器物體檢測原理，觸發(fā)船體安裝的機(jī)械滾軸葉片向內(nèi)撥動(dòng)，將固體垃圾（塑料瓶、包裝盒等）聚攏收入船體垃圾收集倉。工作過程中，船體收集倉與水面有一定的距離，受水面阻力影響小，不會(huì)影響超聲波的檢測工作。

2 無人船地面站監(jiān)控系統(tǒng)

地面站監(jiān)控系統(tǒng)分為手機(jī)APP地面站和PC上位機(jī)地面站兩種。手機(jī)端地面站有四種連接方式與船體通信，即WiFi、USB（3DR）、GPRS和藍(lán)牙。系統(tǒng)有四種控制工作模式，即HOLD停止模式、AUTO自主巡航模式、RTL自動(dòng)返航模式和MANUAL遙控模式，以此提供多元化的遠(yuǎn)程操作方式。手機(jī)端和PC端地面站都可調(diào)整船體航行狀態(tài)參數(shù)，如設(shè)置PID值、選取船體控制模式、設(shè)置預(yù)航行路線等。

3 系統(tǒng)測試

將本系統(tǒng)應(yīng)用在校園內(nèi)的人工湖泊進(jìn)行無人船控制系統(tǒng)的性能測試和水體環(huán)境檢測，分為通信測試、定位精度測試和測量傳感器測試。

3.1 通信及定位測試

下水測試前，選擇3G/4G遠(yuǎn)程通信的方式。登錄APP端的遠(yuǎn)程服務(wù)器，移動(dòng)設(shè)備與無人船通信成功后，在APP界面上繪制巡航路徑，并將巡航任務(wù)發(fā)送至無人船。無人船能夠根據(jù)巡航路線進(jìn)行工作，點(diǎn)擊RTL模式回到出發(fā)點(diǎn)。經(jīng)過地理位置測試表明，本系統(tǒng)能在正常的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下將數(shù)據(jù)有效回傳至APP，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)360～650μs。定位返航結(jié)果表明，在空曠水域，系統(tǒng)誤差小于0.6 m，非空曠水域?yàn)?.2～2 m。

3.2 測量傳感器測試

無人船系統(tǒng)搭載的測量傳感器進(jìn)行5 s冷啟動(dòng)后，對當(dāng)前水域進(jìn)行水質(zhì)環(huán)境檢測，并將傳感器數(shù)值上傳至網(wǎng)頁顯示界面，測試結(jié)果如圖2所示。數(shù)據(jù)回傳結(jié)果表明，檢測數(shù)值每隔25s上傳一次。結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖，可初步評判該區(qū)域的水質(zhì)情況?？梢?，測量傳感器能夠在航行狀態(tài)下對水質(zhì)環(huán)境進(jìn)行檢測。

圖2 傳感器數(shù)值的網(wǎng)頁端顯示界面

4 結(jié) 語

本文實(shí)現(xiàn)以STM32開發(fā)板為核心的無人船系統(tǒng)的研制，無人船系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對無人船航向、速度、路徑的跟蹤，涉及自主導(dǎo)航系統(tǒng)、智能避障、模塊化設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程通信、小水線面雙體船船體設(shè)計(jì)等項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)，并依據(jù)巡航模式設(shè)置實(shí)現(xiàn)一鍵返航、自主巡航等，通過超聲波模塊智能避障。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無人船可以協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取水質(zhì)和環(huán)境參數(shù)，通過地面站即可遠(yuǎn)程操作無人船，用戶無需專業(yè)的培訓(xùn)即可使用無人船系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孟祥寶，黃家懌.基于自動(dòng)巡航無人駕駛船的水產(chǎn)養(yǎng)殖在線監(jiān)控技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46（3）：276-281.

[2] 中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部.GB 3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[Z].2002-06-01.

[3] 李 瑞.基于DSP和GPRS的無人船運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].石家莊：河北大學(xué)，2016：1-57.

[4] 肖儒亮.植保無人機(jī)避障技術(shù)應(yīng)用研究[D].西安：西京學(xué)院，2016：23-29.

[5] WANG Ying-zhi，TONG Yi-cheng，YANG Jia.Design of Control Terminal for Water Quality Detection Based on the Beidou Satellite Navigation System[J].Applied Mechanics & Materials，2015，（733）：666-669.