基于機器艇與ZigBee的湖泊水質監測系統設計

黃培燦, 徐欽桂

(東莞理工學院 計算機學院，廣東 東莞 523808)

基于機器艇與ZigBee的湖泊水質監測系統設計

黃培燦, 徐欽桂

(東莞理工學院 計算機學院，廣東 東莞 523808)

湖泊是地表水資源的重要載體，為了全面、實時、高效地監測湖泊水環境，設計一種湖泊水質自動監測系統尤為重要;多艘機器艇搭載水溫、pH值、溶解氧等傳感器，在湖面上組成基于ZigBee的無線傳感器網絡進行數據采集;水質數據通過無線傳感器網絡傳輸到上位機進行分析顯示;基于GPS和姿態傳感器的運動控制算法實現了機器艇自主航行到指定監測點的功能；實驗結果表明，系統實現了對湖泊水質的較大范圍實時監測，能滿足實際應用需求。

機器艇；ZigBee網絡；自主航行；水質監測

0 引言

湖泊是地表水資源的重要載體，是維系生態系統健康的重要因子。隨著社會經濟的發展以及工業化、城市化進程的加快，由工業發展帶來的環境污染問題越來越嚴重。水環境污染已經影響到人們生活的方方面面，同時人們日益增強的環保意識對水資源保護提出了更高的要求，因此加強對湖泊水質及周邊環境的監測顯得尤為重要[1]。

目前，湖泊水環境監測的主要方式有人工采樣分析、建立監測站和遙感監測。其中采用人工采樣、實驗室分析方式無法實現水質參數的遠程實時監測，且存在監測周期長、時效性差、勞動強度大以及數據采集速度慢等問題。通過建立由監控中心和若干監測子站組成的自動監測系統，能實現自動連續監測和數據的遠程傳輸，但需建立多個監測子站，易破壞監測區域的生態環境，并且監測范圍有限、系統投資成本高。另外采用遙感技術進行監測，以非接觸方式對水體進行電磁波譜特性福射、反射和散射探測，通過對所獲得的圖、譜進行信息處理，達到識別目標理化特性的目的。但其監測精度還有待提高，并且測量時易受地形地貌的限制[2]。為解決現有技術的不足，本文設計了一種湖泊水質自動監測系統。使用機器艇搭載水溫、pH值、溶解氧等傳感器，在湖面上組成無線傳感器網絡，通過GPS定位并自主航行到指定的監測點進行數據采集。水質數據通過無線傳感器網絡傳輸到上位機進行分析顯示。

1 系統結構

湖泊水質監測系統主要由PC機與多艘機器艇構成，分別作為上位機與下位機，系統整體結構框圖如圖1所示。每艘機器艇都裝配有機器艇控制與數據采集平臺硬件以實現運動控制和數據采集功能，另外機器艇與PC機都連接有ZigBee模塊用于組成無線傳感器通信網絡。由于使用在線的GIS系統，因此PC端需通過WIFI網絡連接4G無線路由器，實現接入互聯網，同時使用了GPS模塊，實現自身的定位。

圖1 系統整體結構框圖

2 硬件設計

2.1 機器艇控制與數據采集平臺

機器艇控制與數據采集平臺的硬件主要由STM32F103ZET6微控制器、電機驅動器和各種傳感器模塊組成，如圖2所示。STM32F103ZET6是基于ARM Cortex-M3核的32位微控制器，主頻最高可達72 MHz，配置了64 KB SRAM和最高512 KB Flash，而且內部集成了豐富的功能部件，包括5個USART、3個SPI、2個I2C、3個12位ADC以及1個CAN，可滿足系統應用需求。電機驅動器采用L298N芯片實現兩路直流電機的控制。傳感器模塊分兩類，一類是空氣和水質監測傳感器，包括空氣溫濕度、水溫、pH值、溶解氧傳感器；另一類為運動控制相關傳感器，包括姿態傳感器、電子羅盤、超聲波測距模塊和GPS模塊。

圖2 機器艇控制與數據采集平臺硬件結構

2.1.1 水質傳感器

水溫、pH值和溶解氧是地表水環境質量標準的基本項目，是水質監測的主要指標項目。機器艇搭載有水溫傳感器、pH傳感器和溶解氧傳感器，它們分別與STM32微控制器相連接。其中水溫傳感器采用數字化溫度傳感器DS18B20，外部使用導熱性能高的密封膠進行灌封，保證了傳感器的高靈敏性和很小的溫度延遲。該傳感器的測量范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃，精度為±0.5℃。pH傳感器由復合電極和帶溫度補償的信號處理模塊組成，采用電位法原理測量溶液的pH值[3]。該傳感器的測量范圍為0～14，測量精度0.01，工作溫度范圍：5～60℃，響應時間小于5秒。溶解氧傳感器采用GW WQ401水質溶解氧傳感器，其測量范圍是0～20 mg/L，工作溫度范圍：-40～+55℃，精度為±0.5%。以上各傳感器性能指標全部滿足測量要求。

2.1.2 GPS模塊

GPS(全球定位系統)利用接收衛星信號實現導航、定位與授時的技術，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力，當前民用定位精度約為10米。本系統選用的GPS模塊輸出的數據格式采用NMEA-0183標準。NMEA-0183是一套定義接收機輸出的標準信息，有幾種不同的格式，每種都是獨立相關的ASCII格式，使用逗號隔開數據，數據流長度從30～100字符不等，通常以每秒間隔輸出，最常用的格式為GGA，它包含了定位時間，緯度，經度，高度，定位所用的衛星數等[4]。

2.1.3 姿態傳感器

本系統選用InvenSense公司生產的MPU-6050姿態傳感器。MPU-6050是全球首例9軸運動處理傳感器。它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計，以及一個可擴展的數字運動處理器DMP(Digital Motion Processer)，可用I2C輸出一個9軸信號。MPU-6050內置ADC可直接把測量的模擬量轉化為可輸出的數字。陀螺儀可測范圍為±250°/秒，±500°/秒，±1 000°/秒，±2 000°/秒，加速度計可測范圍為±2 g，±4 g，±8 g，±16 g[5]。使用MPU-6050的用于計算出物體的姿態，用歐拉角表示，分別是俯仰角θ(pitch)、橫滾角φ(roll)與偏航角ψ(yaw)。

2.2 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks, WSNs)是由部署在監測區域內大量傳感器節點相互通信形成的多跳自組織網絡系統，是物聯網底層網絡的重要技術形式[6]。ZigBee網絡協議具有組網靈活方便、成本低廉、低功耗等特點，所以WSNs通常采用該網絡協議作為其無線通信標準[7]。

本系統選用的ZigBee網絡通信模塊由2.4 G射頻收發芯片CC2530與帶功率放大射頻前端芯片CC2591組成，可實現全透明、高穩定、低功耗、遠距離、大規模ZigBee無線傳感網絡的組網。模塊分為三種類型：協調器、路由節點和終端設備節點。協調器負責建立與維護網絡，一個ZigBee網絡中只能有一個協調器。終端設備節點是普通的傳感器數據采集節點。而路由節點除了具備終端設備節點的功能外，還可以提供數據轉發功能，擴展通信范圍。當主機建立起網絡之后，路由設備與終端設備即可自動加入網絡。通信模式有三種分別是廣播模式、一對多模式、點對點模式。

本系統協調器連接PC機，路由器節點連接到機器艇，采用一對多透明傳輸模式。在這種工作模式下PC機通過串口發送的數據會完全透明地傳輸到所有路由節點，接著從路由節點的串口輸出到機器艇的STM32控制器；同理，機器艇的STM32控制器通過其串口發送的數據會完全透明地傳輸到協調器串口從而輸出到PC機。

3 軟件設計

3.1 下位機軟件

下位機軟件基于μCOSII操作系統，通過多任務實現整個系統功能。μCOSII是一個可移植、可定制、搶占式、實時、多任務的操作系統內核[8]。使用μCOSII的主要目的是利用其多任務特性，實現系統的各部分功能的模塊化，使得各功能模塊協調有序運行。每個功能模塊對應一個系統任務，被操作系統調度執行。系統中的任務分為系統任務與業務任務。系統任務是指通用的非業務相關的任務，包括工作指示燈、升級下載、系統復位任務；業務任務包括運動控制、數據采集和定時報警任務。

3.2 上位機軟件

機器艇控制與湖泊水質監測系統是運行在PC端的上位機軟件，負責傳感器數據采集、顯示與機器艇控制。系統主要包括三大功能，包括環境數據采集與顯示、位置與姿態顯示以及機器艇控制。環境數據采集實現傳感器數據的單次采集、周期采集以及周期檢測報警功能。當啟動某個傳感器的周期檢測報警功能后，機器艇會啟動周期采集任務，當采集到的數據值超過閾值，則主動發送報警信息到上位機。位置方向姿態功能指實時顯示與運動控制相關的傳感器數據，包括加速度、陀螺儀、羅盤與超聲波測距，另外把機器艇當前的GPS位置信息標記在地圖中。本系統采用了開放的高質量的在線地圖，保證了地圖的信息的準確性以及本系統的可應用范圍。機器艇控制功能主要包括手動控制、設定目標位置、計算航向角和距離以及發送到達目標位置命令等功能。上位機軟件的總體功能如圖3所示。

3.3 通信報文格式設計

通信報文是指節點間消息傳遞的內容。考慮使用廣播傳輸模式發送報文，因此報文包含源地址與目的地址字段。當節點收到報文后會先判斷報文是否發給本機，如果報文的目的地址與該節點的地址不匹配則丟棄報文。傳感器字段指定了要響應命令的任務模塊所負責的傳感器或設備控制器。由于有些命令帶有參數，并且參數長度不確定，因此除了有參數字段外，還附加了參數長度字段。

4 航行到目標位置的算法

為了實現機器艇的自主航行功能，機器艇搭載了GPS模塊、姿態傳感器、電子羅盤與超聲波測距模塊。姿態、電子羅盤等傳感器可提供加速度、船體姿態等信息作為運動控制算法的參數。同時這些信息也會傳輸到PC端的控制系統中實時顯示。機器艇使用GPS獲取自身的位置信息，并通過ZigBee網絡把位置信息發送到PC端，最終其所在位置會被標注在控制系統的地圖上。操作者先在地圖上標注目標位置，然后發出到達目標位置的命令。接收到命令的機器艇在運動控制算法的作用下自主航行到目標位置。

4.1 航向角與距離計算

雖然目標位置的經緯度在地圖上可直接獲取，但是國家對地理信息有嚴格的保密要求，地圖上拾取的目標位置經緯度不等于其在GPS坐標系中的經緯度，兩者有一定的偏移量，實際距離誤差可達數公里，因此只能使用在地圖坐標系中計算得到的目標位置相對當前位置的航向角與距離來描述目標位置，然后在GPS坐標系中進行逆運算，求得目標位置在GPS坐標系中的經緯度。航向角是指從機器艇當前所在位置指向目標位置的方向與正北方向的夾角，范圍是0°～360°。在小范圍區域內，且對精度要求不高的情況下，可把經緯度坐標系看作平面坐標系，以簡化運算處理。設定緯度為y軸，經度為x軸，y軸方向指向正北，航向角α與距離d，如圖5所示(x1,y1)是機器艇所在位置，(x2,y2)是目標位置坐標。

航向角需根據目標位置坐標進行分析計算，在圖6中S(x1,y1)為機器艇的起點坐標，A、B、C、D表示目標位置，其中A點的坐標為(x2,y2)。航向角的計算方法如下：

先計算S點到目標位置點方向與x軸夾角β，公式如下：

Δy=|y2-y1|

(1)

Δx=|x2-x1|

(2)

(3)

其中:0≤β<π/2，轉換為度，需乘以180/π，目標位置相對機器艇原位置坐標可能在第一、二、三、四象限，因此航向角α的計算公式如下：

(4)

計算當前位置距離目標位置的距離d，即己知兩點的經緯度，求兩點之間的距離。先根據兩點間經度或緯度的夾角與半徑，利用弧長計算公式，算出兩點間經度圈上和緯度圈上的弧長。對于經度圈，半徑即為地球半徑；而對于緯度圈，半徑為地球半徑乘以基準點緯度值的余弦。由于在小范圍內地球表面可以視為平面，因此可將弧長近似為弦長，最后利用勾股定理求出兩點間的距離，即可近似等于地球球面兩點間的距離[9]。計算公式如下：

l=R×cos(y1)×|x2-x1|×π/180

(5)

s=R×|y2-y1|×π/180

(6)

(7)

式中，R表示為地球半徑，l表示為緯度圈上的弧長，s表示為經度圈上的弧長，d表示坐標點間的距離。

4.2 算法

機器艇接收到到達目標位置的命令后，先根據命令參數中的航向和距離計算出目標位置的GPS坐標(x2,y2)。計算公式如下：

Δx=d×sin(α)

(8)

Δy=d×cos(α)

(9)

(10)

(11)

式中，R表示為地球半徑，d表示與目標位置的距離，α表示航向角。此公式組計算得到的目標位置坐標與機器艇自身坐標同屬于GPS坐標系。

機器艇在航行過程中，由于受船體結構、負載以及水流、風向影響，不可能直線前進，必須動態調整航向[10]。其基本的控制算法如圖7所示。

圖7 航行到目標位置算法

5 系統測試

5.1 通信測試

無線傳感器網絡的可靠性是本系統的重要性能指標。為了測試基于ZigBee技術的無線傳感器網絡的通信可靠性，采取定時發送采集命令，統計返回結果的方法進行測試。測試過程中的通信距離為200 m，命令長度為48字節，按不同的發送周期定時發送命令，其測試結果如表1所示。測試結果表明，當發送周期為0.20 s時成功率明顯下降，而大于等于0.25 s時，通信可靠性高，可滿足本系統應用需求。

表1 通信測試數據

5.2 功能測試

本設計方案的原型系統，主要包括兩艘機器艇機與上位機軟件。機器艇安裝了主控制器、ZigBee通信模塊以及環境水質、運動控制相關傳感器。水質傳感器安裝在機器艇船底側面，船頭裝有超聲波測距模塊，用于避障。另外還加裝了OLED顯示屏幕以顯示機器艇的工作狀態。GPS模塊安裝在船體甲板中部，白色陶瓷天線朝上。

測試過程是先由上位機軟件發送指令讓兩艘機器艇分別到達不同的目標位置，然后周期采集水質數據。測試結果表明采集結果能實時傳輸到上位機軟件，同時在地圖上正確標出機器艇所在位置。采集到的水質數據如表2所示。測量數據與實際值相比有一定的誤差，但都在傳感器誤差范圍內，另外兩艘機器艇的數據結果有較小的差值，考慮到實驗時它們相距不遠，因此傳感器本身的誤差仍然是兩艘機器艇的數據結果不盡相同的主要因素。

表2 水質傳感器數據

6 結論

本文分析了目前湖泊水環境監測的技術現狀，設計了一種基于機器艇與ZigBee網絡的湖泊水質監測系統。通過機器艇在湖面航行，監測點靈活可變，擴大對湖面水質的監測范圍，并可實時傳輸監測數據；利用無線傳感器網絡技術使得多艘機器艇可在湖面組成監測網絡，提高了監測效率。實驗結果表明，本系統實現了對湖泊水質的較大范圍實時監測，能滿足實際應用需求。

[1] 梁承美.基于物聯網的湖泊水質監測系統的研究[D].上海: 華東理工大學, 2014.

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Design of Lake Water Quality Monitoring System Based on Robot Boat and ZigBee

Huang Peican，Xu Qingui

(School of Computer Science, Dongguan University of Technology,Dongguan 523808, China)

In order to monitor the lake water environment in a comprehensive, real-time and high efficient way, it is very important to design a lake water quality automatic monitoring system. Many robot boats carry water temperature, pH, dissolved oxygen sensors and construct ZigBee based wireless sensor network for data acquisition. The water quality data is transmitted to the host computer through the wireless sensor network for analysis and display. The robot boat can autonomously navigates to the specified monitoring point using GPS and attitude sensor based motion control algorithm. The experimental results show that the system realizes the automatic real-time monitoring of the lake water quality to satisfy the practical application requirements.

robot boat；ZigBee network； autonomous navigation；water quality monitoring

2017-02-15；

2017-03-06。

東莞市無線傳感網絡系統重點實驗室資助項目(20151985)。

黃培燦(1983-)，男，廣東東莞人，碩士，實驗師，主要從事嵌入式系統方向的研究。徐欽桂(1967-)，男，湖南長沙人，博士，教授，主要從事計算機體系結構與信息安全方向的研究。

1671-4598(2017)08-0024-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.08.007

TN915；TP249

A