基于機器魚的內陸湖泊水質在線監測系統設計

童曉紅，陳 玲，華 艷，楊 磊

(1.合肥職業技術學院 信息中心，合肥 238000；2.安徽斯瑪特物聯網科技有限公司，合肥 231000)

基于機器魚的內陸湖泊水質在線監測系統設計

童曉紅1，陳 玲1，華 艷1，楊 磊2

(1.合肥職業技術學院 信息中心，合肥 238000；2.安徽斯瑪特物聯網科技有限公司，合肥 231000)

僅依賴無線傳感器網絡在線實測是利用多跳式通信實現遠程發送與存儲數據丟包率高,實驗階段設計的二維結構仿真機器魚巡游避障性能差,GPRS全天候數據采集與傳送所需的流量費用高，針對以上這些問題，設計了一套可進行實測的機器魚自動巡游避障、水質環境實時監測系統平臺；該系統通過移動終端程序設計、利用三維采集路徑跟蹤算法及WSNs與Wifi熱點技術對機器魚群實現遠程精準控制，按照設定深度、路徑規劃的采集點進行水溫水位、PH值、溶解氧、電導率、濁度等常五類水質環境數據實時采集、處理、遠程存儲、顯示、分析及預警，給出了系統的總體設計、機器魚的結構與控制系統設計、終端節點與協調器的硬件系統及上下位機軟件系統設計；利用這套系統對巢湖5個取樣點實測，水溫、溶解氧、PH值平均誤差率分別為0.18%、0.5%及0.01%，遠高于其他水質在線監測的精度要求，達到了預期成果；同時對水庫及精細水產養殖業等水質在線監測與預警具有很高的推廣價值。

WSNs；WiFi；機器魚；內陸湖泊；水質在線監測；系統設計

0 引言

內陸湖泊一般位于人口與產業聚集區，是區內珍貴的水源地，資源短缺。因此對水質進行監測特別是實時監測顯得非常重要，一旦出現突發性問題需及時報警并采取相應措施。傳統的基于國家級的基站多參數水質檢測儀無法實現全天候實時監測，過去的485現場總線模式不適合移動多點監測。王士明等人研究設計的基于ZigBee的大水域水質環境監測系統僅依靠ZigBee網絡進行遠程多跳式通信，數據發送與存儲丟包率高[1]，且構建大范圍無線傳感器網絡的算法復雜，節點布局難；付煥森等人研究設計的基于ZigBee和GPRS的仿真機器魚水質監測系統設計[2]雖然引入機器魚巡游系統，但二維結構設計的機器魚巡游避障性能差，利用GPRS模塊對數據收集、傳輸、存儲其穩定性不夠、全天候數據采集與傳送所需的流量費用也非常昂貴。

本文綜合上述思路，研發設計的機器魚能按照規劃的三維采集路徑算法實現精準的巡游避障；攜帶多種傳感器艙體及浮標球氣泵設計使機器魚用途更廣、維護更便利；機器魚嵌入的網關節點的WiFi模塊，利用智慧城市免費的wifi熱點連接把基于WSNs集成的多傳感器各節點數據及時穩定地發送到遠程數據庫服務器，通過設計的平臺就可以實現對水質實時數據監測、分析與預警。利用該系統對巢湖選定的具有代表性的污染源入口多次實測，并通過與精密水質分析儀現場測定數據比對、算法校正，基本實現了預定的水質在線監測目標。這套系統實施成本低，可操作性便利，目前與企業合作，除內陸湖泊外，在大范圍的飲用型水庫、精細水產養殖業等水質監測得到廣泛的推廣應用。

1 系統總體設計

系統的網絡結構的設計包括監測中心、通信基站、網關、傳感器節點等。其分層結構是由物理鏈路感知層、網絡數據傳輸層、數據分析處理應用層組成[3]，如圖1所示。物理鏈路感知層主要由機器魚載體及其內嵌的常五類傳感器、RS232-485模塊、數據采集器組成；網絡數據傳輸層是由協調器及網關節點、Wifi通信模塊、無線路由等組成，對傳感器采集的數據以加密包的形式向上位機進行數據分割、傳送，并通過Web Service接口，利用網關節點的負載均衡與存儲管理實時存放到對應的數據表內；數據分析處理應用層是利用算法、.NET框架設計出Web系統平臺供遠程用戶登錄、實現查詢、控制及預警；移動終端(手機)移植并安裝機器魚控制系統可實現對機器魚節點定位巡游，同時也可以利用手機的APP系統對水質實時查詢。在數據傳輸方法上規避了總線傳輸受限固定節點、GPRS實時遠程傳送帶寬低、丟包率高、全天候費用昂貴等缺陷，讓機器魚節點間采用WSNs技術組網，網關協調器增加WiFi模塊，加上近年來免費的Wifi熱點覆蓋率及帶寬呈幾何級數遞增、無縫漫游技術日趨成熟為機器魚遠程巡游、多點采集與數據實時傳輸提供了保障，基于wifi模塊與熱點技術是本系統在設計上區別于國內外其他系統的一個顯著特點。

圖1 系統結構圖

2 機器魚的結構與控制系統設計

2.1 機器魚結構設計

近年來，國內外許多研究機構和高等院校對機器魚進行了大量的研究，并且在各個領域中得到了實際運用。英國埃塞克斯大學的研究人員向泰晤士河投放專門設計的機器魚，用于探測水中的污染物，并繪制河水的3D污染圖；日本三菱重工也已經將研究的機器魚玩具批量生產；中國北京航空航天大學和中國科學院研制的SPC-II機器魚也成功地用于水下考古探測。目前國內外研究機構研制的機器魚的結構不盡相同，但基本都是通過模仿和控制魚鰭的運動來達到運動目的[4]，到達設定目標完成設定任務后返航或巡游進入下一個測量點。考慮到湖泊水體水質采集點對機器魚適用性及控制性的要求，在機器魚的設計上結合國內外機器魚的特點，設計出適應于內陸湖泊水質監測的機器魚結構模型。如圖2所示。

圖2 機器魚結構

其內部結構可分解為視頻模塊、導航模塊、任務調度模塊、運動控制模塊、通信模塊、電源模塊和鰭部運動模塊等。視頻模塊設計放在頭部，主要對水下環境進行攝像處理；導航模塊可利用GPS定位及數字地圖規劃路徑，配合伺服電機驅動螺旋槳、及運動控制模塊實現自主巡游；任務調度模塊除了協調機器魚的各個模塊之間作業，主要是完成多參數水質環境的傳感器數據采集、存儲與傳送；通信模塊是實現機器魚與上位機、服務器、數據庫存儲系統之間信息交互；電源模塊包含蓄電池組、逆變器、控制器、串口服務器及供電模塊；鰭部除了常備的尾鰭外，為了巡游與避障考慮，特別增加了左右腹鰭及背鰭部分，真正實現三維結構的路徑設計。各鰭部模塊包括鰭關節電機、傳動機構、鰭翼、水箱及水箱泵組成，其中尾鰭擺動或波動是機器魚的主要巡游工具，潛水控制模塊、水箱及氣泵除協助背鰭、左右腹鰭上浮、下潛及左右轉向外，可實現排空水箱后使機器魚升至水面以便維護與維修。

2.2 巡游避障系統與算法設計

巡游避障系統是通過紅外線漫反射式避障傳感器(即紅外傳感器)實現的。這種傳感器是由紅外接收管和發射管、發射和接收處理電路組成。電路設計時考慮有障礙物時，接收電路端口輸出高電平，無障礙時則輸出低電平。通過高低電平來識別是否有障礙物[5]。考慮到機器魚在水中光衰減明顯使得距離分辨率低，因此除在常設的魚眼及嘴部外，在背鰭、左右腹鰭增加紅外傳感器，確保巡游過程中的避障與快速逃逸能力。其三維空間節點分布如圖3所示。由于增加多點空間布局，參考離散域蟻群算法[6]，利用空間等分網格方法[7]，將機器魚避障傳感器節點設計如下：

圖3 傳感器節點分布

假設6個傳感器的信號向量為Smi(左腹鰭)、Smr(右腹鰭)、Smf(嘴)、Smb(背鰭)、Smif(左眼)及Smrf(右眼)，垂直三層分布，嘴、左右腹鰭為水平底層，左右眼為中間層(為方便計算，設定與水平底面及垂直剖面夾角都為β等于450)，背鰭為頂層。機器魚實時運動的線速度為υ，電子羅盤N的偏角為θ，各傳感器與所對的實時運動軌跡相對分辨率為αi，αr，αf，αb，αif，αrf，設定αi=αif，αf=αb，αr=αrf，定義機器魚在單位時刻t的碰撞函數[8]為Riskt，利用路徑優化搜索算法[9]得到：

Riskt=-(Smi,t·αi,t+Smr,t·αr,t+Smf,t·αf,t+Smb,t·αb,t+

Smif,t·αif,t+Smrf,t·αrf,t)=

-[(Smi,t+Smif,t)·(90°-θt)+Smr,t+Smrf,t·

(90°+θt)+(Smf,t+Smb,t)·|θt|]

(1)

如果Riskt值越小，機器魚碰撞可能性越小。巡游與障礙、傳感器信號向量、Riskt值相對應，設巡游規則線性集合為φAction，巡游實時指令為Actiont，依據三維空間路徑規劃算法[10]得出：

φAction={Action|υ{υt},θ{θt}，α{αl,t，αr,t，αf,t，

αb,t，αlf,t，αrf,t}}

(2)

minActiontεφAction{Riskt}=minActiontεφAction[(Sml,t+Smlf,t)·

(90°-θt)+(Smr,t+Smrf,t)·(90°+θt)+(Smf,t+Smb,t·

|θt|)]

(3)

表1 巡游避障線性集定義

3 系統硬件設計

集成了多傳感器的機器魚構成了WSNs的終端節點群，終端節點群通過CC2530的RF射頻模塊與網絡協調器通信，嵌入WiFi模塊的網絡協調器(已設計成機器魚)是構成ZigBee網絡的網關或路由節點，當終端節點群正常加入到自組建ZigBee網絡后，便開始把多參數傳感器數據幀發送到路由節點上，路由節點接收數據是通過OSAL操作系統機制將數據封裝成一個消息，然后放入消息隊列中。嵌入WiFi模塊的網關從消息隊列中取得所需要的數據，利用WiFi模塊獲得Web服務器遠程IP地址的高端端口，并發送到數據庫服務器對應的表中，其他工作全部交給ZigBee協議棧自動完成，從而實現了多傳感器數據的自動采集與上傳[12]。

3.1 終端節點(EndDevice)的設計

終端節點設備安裝在機器魚的頭部及胸腔部位，包括避障、水質采樣與控制模塊(傳感器、采集模塊、模數轉換設備、繼電器、總線模塊、通訊轉換器)、電源模塊、通信與定位導航模塊、支持RF射頻的主控模塊及電路等。

傳感器采集的信號首先要進行信號放大電路及多路信號抗干擾電路處理，模擬量是通過多通道采集模塊(16路4～20 mA直流信號)利用RS485接口連接通訊轉換器轉RS232接入片上系統(SoC)CC2530對應的信號I/O引腳，開關量采集的傳感器信號量主要用來控制機器魚輸出信號與接收指令，所不同的是采用多通道的數字開關量采集模塊。

3.2 協調器(Coordinator)的設計

由終端節點與協調器組成的機器魚群是利用ZigBee協議自組建網絡的，協調器利用WiFi通信模塊把數據發送到上位機數據庫服務器上，并能夠接收上位機通訊指令控制機器魚群避障巡游。協調器作為魚群一員除具有普通機器魚結構外，另外增加WiFi通信模塊及熱點自動漫游切換功能以實現數據的遠程全天候無線傳輸[13]。在設計信道傳輸數據時，是把數字量模塊和模擬量模塊采集到的數據進行封裝組成一個數據包，考慮到現場采集信號過程的干擾與冗余，需要進行信號放大、抗擾及算法加密，通過通信模塊并輔以采集點GPS定位導航模塊發送到數據處理中心。協調器的結構設計如圖4所示[14-15]。

圖4 協調器結構設計

4 系統軟件設計

4.1 下位機機器魚巡游控制系統設計與WSNs魚群流程設計

本系統首先設計出所有機器魚巡游控制，使之能到達設計路徑指定地點，并通過ZigBee網絡，使處于協調器與終端節點狀態下的各機器魚自組構建機器魚群網絡，并在TOP圖上能夠顯示所有機器魚的正常連接狀態。其設計流程[16]如圖5所示。

圖5 組網流程圖

下位機終端巡游控制與顯示系統是利用安卓程序設計，實現手動控制機器魚的運動軌跡，并能屏顯水質傳感器的實時數據，其基本設計流程[17-18]如圖6所示。

圖6 Android程序流程圖

Android 客戶端的開發工具為Eclipse，開發環境為其內嵌的AndroidSDK及JDK容器。其編程方法首先通過自主知識產權的中間件技術(專利號ZL201521063155.6)讓終端機器魚節點通過協調器注冊并允許自組建ZigBee網絡，然后設計出監測界面線性布局，最后在主程序文件中按照設計流程進行程序設計，程序運行的客戶端界面如圖7所示。這里的啟動按鈕是開始接收傳感器實時數據信息，并在對應的控件上顯示數值，停止按鈕是中止數據采集使機器魚巡游進入下一測定地點，其它按鈕為控制機器魚的巡游軌跡[19-20]。

圖7 Android客戶端程序界面

4.2 上位機數據庫系統設計及過程實現

遠程數據處理中心數據庫管理系統選擇MSSQL2008R2并開放上位機外網IP地址的14333端口使之可以遠程數據連接與服務，設計過程如下。

4.2.1 數據庫的創建

創建datainfo(上傳傳感器原始數據并處理)及device(包括傳感器在內的所有系統設備管理)數據庫并附加到SQL Server2008中。

4.2.2 數據表的設計

dbo.DataInfo表結構包括ID、Code、DeviceID、OriginalData、ProcessData、WriteTime、IsValid、Upload及備注等字段名，通過網關中間件上傳獲取的實時記錄如圖8所示。

圖8 datainfo數據表結構及記錄

Dbo.Device數據表結構包括ID、Code、Name、WsnNodesID、SensorId、RegistersId、LatestValue、ProtocalTypeID、LatestProcessedValue、Upload、LatestTime、DeviceTypeID、FirstID、SecondID及備注等字段名等，圖9給出不同傳感器數據采集相關的實時記錄。

圖9 device數據表結構及記錄

各傳感器表結構(以溶解氧dbo.AlarmInfo為例)包括SerialNum、DeviceSerialNum、Data、Unit、Max、Min、CreateTime、IsProcessed、ProcessTime、ID及備注等字段名及傳感器每隔一定時間(目前設定為3秒)實時狀態值如圖10所示。

圖10 傳感器表結構與記錄

其他還包括設備運行日志表(dbo.DeviceLog)、設備類型表(dbo.DeviceType)、傳感器參數配置(dbo.ParmeterConfig)、傳感器及所有設備基礎定義(dbo.Sensor)、節點信息與控制表(dbo.WsnNodes)、協議類型定義(dbo.ProtocalType)、傳感器注冊設定(dbo.Registers)及Web設計相關表如系統調用的函數定義(dbo.SysFunction)、Web站點遠程登錄(dbo.SysLogin)、報警的語音定義(dbo.TTSData)等，用設備ID和采集時間作為主鍵索引。

4.3 上位機水質在線監測系統的功能設計與案例實現

上位機Web服務器利用IIS構架及XML Web Service構建，Web界面采用Microsoft Visual Studio 2015設計。

水質實時監測系統設計的功能模塊包括：水質監測實時環境、設備控制及控制記錄、水質數據查詢及預警子系統。系統基于.NET框架進行的Web系統設計，B/S模式實現過程[21]，主要包括系統遠程登錄管理、節點管理、實時監測與顯示及圖表數據管理等。水質預警與峰值報警在.NET系統可設計基線閾值范圍，預警也可以進行移動終端設計，開發基于Android平臺的APP在移動終端及短信接口，利用WLAN或GPRS接入到遠程服務器數據中心后臺就可以實時了解水質動態值及報警短信提醒。

基于上述設計，現選定區域內陸湖泊巢湖進行實測，對系統實現的主要功能進行演示。

在主頁面通過注冊用戶合法登錄后，在Web系統頁面選定“實時環境”選項，可以查看并搜索各傳感器監測的實時數據“設備控制與控制記錄”選項，“手動控制”可以對機器魚水箱內水泵、增氧泵進行控制以實現機器魚上升與下潛及水質溶解氧補給，“預警設置”可以對各傳感器閾值進行設定上下臨界點，“控制信息”及“報警記錄”是操控相關的日志信息“數據查詢”選項主要是選定傳感器類型按采集的起止日期對傳感器的實時數據進行圖表形式的動態顯示，為峰值預警及數據分析、數據模型建立提供服務如圖11所示。

圖11 傳感器歷史數據查詢

4.4 測試樣本分析

設計的系統是通過區域選定，在內陸湖泊巢湖的東岸、中心島、西岸、兩條主要入湖河流河口篩選5個巡游內測點進行試驗。

首先讓終端節點機器魚及攜帶WiFi通信模塊與網關的協調器機器魚用手機終端APP程序控制到達設定的路徑采集點附近，查看WSNs的節點TOP圖，確定終端節點與協調器機器魚群自組網成功后，按手機APP界面上的“開始”按鈕開始測量該點附近的水質參數，包括水溫水位、溶解氧、PH 值、電導率、濁度和測量點對應的經緯度等信息，同時實測點投放一臺高精度Hydrolab多參數水質實測分析儀、一臺恩智浦陀螺經緯儀(可以很方便地轉換成Matlab坐標)用于實時采集數據備本，以便對測得的經緯度、水質實測數據與系統獲取的數據進行對比分析，每個采集點每天都是從早晨10左右開始連續取樣30分鐘后(設定每2分鐘自動取樣一次，每個采集點取樣本15次)，按“停止”按鈕，利用APP程序其他控制按鈕可以讓機器魚群巡游到下一個采集點進行實測試驗。通過對5個巡游點八種參數實測與設計開發的系統取值量值(表2至表5)數據對比可繪制出線性圖，5個點圖形基本一致，現選定中心島測定點樣本圖(如圖12所示)進行分析。

從圖12可以得到，水溫、溶解氧、PH值、電導率測定值與實際值也有一定的誤差，其中水溫、溶解氧、PH值平均誤差率分別為0.18%、0.5%及0.01%相比王士明等人提出的僅利用WSNs網絡的0.79%、2.7%和0.52%具有明顯的測定精度優勢。

從多因素分析確定引起誤差是由于實測后期機器魚在水中受風產生的波浪的影響最大，另外算法、選定的傳感器品質、采集與上傳時延、樣本選址等也會產生一定的閾值變化，且差異相比初值的梯度誤差隨采集時間有逐步增大的現象，后期還須深入研究，找出原因并給予校正。其他傳感器與經緯度數據的實測值與實際值，經過多次實測、算法修正與較驗，目前離散性極小，幾乎忽略不計，系統測量顯示的數據與高精度水質分析儀、陀螺儀獲得的數據基本一致，系統基本能夠滿足水質在線監測的需求。

圖12 樣本線性圖

表2 水溫、水位實測值及誤差

表3 溶解氧與PH值實測值及誤差

表4 電導率、濁度實測值及誤差

表5 經緯度實測值及誤差

與該系統相關的自動巡游軌跡及避障算法研究、機器魚自動導航與定位實現、多水質傳感器的研發、實測樣本差異性分析與優化、多樣本大數據挖掘與預警模型再造等研究也取得預期的進展，確保了平臺實用性、精準性與可延展性。

5 結束語

大范圍河湖特別是“三河三湖”水環境智能及遠程監測系統目前主要還是采用國家級固定基站為主、區域二級布點加上移動節點、航標船只等采樣獲得，成本高，實時性差，數據采樣精度不高。利用基于WSNs技術的機器魚，攜帶多參數傳感器，通過遠程WiFi通信實現對區域內水質實時監測，不僅集成了固定節點與移動節點諸多優點，而且成本低，布點、數據采集與傳送靈活。同時機器魚巡游、自組網、受控便捷，采集點路徑規劃及到達率高，受天氣等外環境影響小，對水環境監測特別是水下實時監測非常實用。同時移動終端的設計對機器魚巡游控制非常方便，Web桌面開發使得水質環境實時顯示、分析、水箱控制及峰值預警提供的方案實用、有效、可行。目前通過在十多家企事業單位(包括飲用型水庫、大規模精細水產養殖場等)推廣應用，系統穩定可靠，監測、預警預報、增氧等措施及時便捷，值得推廣應用。

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Design on Monitoring System for Inland Lake Water Quality Based on Robotic Fish

Tong Xiaohong1，Chen Ling1，Hua Yan1，Yang Lei2

(1.Information Center，Hefei Vocational and Technical College，Hefei 238000，China； 2.Anhui Smart Internet of things Technology Co., Ltd.，Hefei 231000，China)

online measurement of transmission and storage data packet loss rate is high due to the remote multi hop communication rely only onWireless sensor networks. The obstacle avoidance ability of the simulation robot fish in the two-dimensional structural design stage is poor. data acquisition and transmission costs of GPRS traffic is high all weather.in order to solve the above problems, a set of rea-time monitoring system of water quality for automatic obstacle avoidance is designed. the system is designed by using the mobile terminal program, using 3D acquisition path tracking algorithm and WSNs and Wifi hot spot technology to realize the precise control of the robot fish, according the set depth and planning of acquisition point, achieve five water quality environmental datas including of water level and temperature, pH, dissolved oxygen, conductivity, turbidity, etc in real-time acquisition, processing, remote storage, display, analysis and warning. the overall design of the system, the structure and control system design, the hardware system of the terminal node and coordinator, the software design of the upper and lower computer are given.the application of the system to the five sampling points in the Chaohu Lake,the average error rate of water temperature, dissolved oxygen and pH value were 0.18%, 0.5% and 0.01%, respectively,much higher than other water quality on-line monitoring accuracy requirements,to achieve the expected results. It has a very high value for the on-line monitoring and early warning ofreservoir and fine aquaculture.

WSNs; WiFi; robotic fish; inland lake; water quality monitoring; system design

2017-02-04；

2017-03-13。

安徽省自然科學研究重點基金項目(KJ2014A219)

童曉紅(1965-)，男，安徽合肥人，工學碩士，副教授，研究方向為物聯網技術與應用

1671-4598(2017)05-0056-06

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.017

TP273

A