基于Exynos 4412的小型移動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹宏桂

摘要：針對目前我國水域污染頻發(fā)這一現(xiàn)狀，現(xiàn)有的移動(dòng)監(jiān)測設(shè)備體積太大且成本高昂，無法在偏遠(yuǎn)水域普及的問題，文章設(shè)計(jì)了一套基于Exynos4412的小型水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，在Linux操作系統(tǒng)下利用3G無線通信技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控。該系統(tǒng)搭載電子羅盤、超聲波測障模塊、GPS定位等模塊實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)的4?20mA標(biāo)準(zhǔn)接口，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)5常數(shù)（pH、溫度、電導(dǎo)率、濁度、溶解氧）的采集，對于突發(fā)水域污染的應(yīng)急處理有一定的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測；突發(fā)水域污染；嵌入式Linux；Exynos4412

移動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測是近代計(jì)算機(jī)技術(shù)和嵌入式技術(shù)迅猛發(fā)展的結(jié)果。比如：Matthew等[1]介紹了一個(gè)在高度非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的水下監(jiān)測和測量的新的機(jī)器人裝置-水文AUV，可以在分布式的傳感網(wǎng)絡(luò)和協(xié)作機(jī)器人的幫助下實(shí)現(xiàn)低功耗的搜索、自主導(dǎo)航和數(shù)據(jù)采集。Robert等[2]研發(fā)了水下機(jī)器人并開發(fā)了配套的軟件，該機(jī)器人可以在惡劣的天氣和環(huán)境條件下完全自動(dòng)化工作和遠(yuǎn)程控制，但是成本較高。Shangchao等[3]設(shè)計(jì)了一種低成本的移動(dòng)在線監(jiān)測裝置。采用Cortex-A8作為核心處理器，通過GPS獲取位置信息，并通過3G無線傳輸與遙控中心進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)圖像及其長距離傳輸?shù)念伾卣饕约拔廴驹吹母櫋hu等[4]為解決水質(zhì)檢測手動(dòng)分析實(shí)時(shí)性差的問題，采用基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)參數(shù)的遠(yuǎn)程探測和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。吳宇[5]設(shè)計(jì)了小型移動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)

現(xiàn)視屏輔助避障和3G無線通信。謝歡[6]利用遙感技術(shù)獲取地表水的顏色資料，然后大面積地對地表水的污染情況進(jìn)行監(jiān)測。

綜上所述可以發(fā)現(xiàn)對于移動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測裝置的研究現(xiàn)在主要存在的問題是造價(jià)昂貴，不夠靈活，在突發(fā)水域污染的情況下沒有溯源能力。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

船體上搭載的功能模塊包括：太陽能充電板、3G無線通信模塊、水質(zhì)檢測模塊、GPS定位模塊、超聲波測障模塊、電子羅盤模塊。其組成框圖如圖1所示。

移動(dòng)平臺使用Lmux操作系統(tǒng)，且系統(tǒng)所掛接的模塊較多，故選擇三星公司生產(chǎn)的Exynos4412微處理器。水質(zhì)檢測模塊選擇RX71-0.2560D±0.05%精密電阻作為采樣電阻，將4?20mA電流轉(zhuǎn)換為0.24?1.2V，實(shí)現(xiàn)對溫度、PH值、溶解氧量、電導(dǎo)率、濁度等水質(zhì)參數(shù)的采樣；電子羅盤模塊，選用霍尼韋爾公司推出的3軸數(shù)字羅盤HMC5883來測量移動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測平臺的運(yùn)動(dòng)方向，為系統(tǒng)的控制和導(dǎo)航提供基礎(chǔ)；GPS定位模塊和3G無線傳輸模塊，選用華為的MU609芯片來實(shí)現(xiàn)；超聲波測障模塊，根據(jù)聲波反射原理測量移動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測平臺前進(jìn)方向和兩側(cè)是否存在障礙物，本文采用SRF05模塊實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模塊和水泵控制模塊，選用常用的L298N搭建驅(qū)動(dòng)電路；電源模塊，選用AMS1117系列電壓轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)7V和5V的轉(zhuǎn)換，通過電壓轉(zhuǎn)換芯片S5M8767A實(shí)現(xiàn)3.3V，1.8V，1.2V，1V等電壓的管理，采用CN3722實(shí)現(xiàn)鋰電池的太陽能智能充電。

2 系統(tǒng)工作流程

由于整個(gè)系統(tǒng)搭載的功能模塊太多，如果僅僅執(zhí)行裸機(jī)程序難以實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊之間穩(wěn)定有序的運(yùn)行，因此本文對開發(fā)板移植Linux操作系統(tǒng)，以管理和協(xié)調(diào)好各項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。系統(tǒng)開始工作后，首先初始化各項(xiàng)數(shù)據(jù)，然后等待監(jiān)控中心的指令，如果監(jiān)控中心選擇的是手動(dòng)模式則按照接收到的指令完成水質(zhì)參數(shù)的采集，若接收到的指令為自動(dòng)導(dǎo)航模式，則根據(jù)溯源算法獲取的坐標(biāo)點(diǎn)，自動(dòng)導(dǎo)航到該點(diǎn)進(jìn)行采樣工作，然后將數(shù)據(jù)自動(dòng)傳回監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心計(jì)算下一個(gè)采樣坐標(biāo)點(diǎn)，依次循環(huán)直到到達(dá)污染源所在位置，系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

2.1 水質(zhì)采樣流程

水質(zhì)采樣獲取的數(shù)據(jù)是監(jiān)控中心進(jìn)行操作的基礎(chǔ)，故水質(zhì)采樣的精確性至關(guān)重要，本文設(shè)計(jì)了8路水質(zhì)采樣通道，當(dāng)接收到采樣命令后，給傳感器供電然后延時(shí)1分鐘讓傳感器預(yù)熱達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，然后依次選通8路模擬開關(guān)完成8路模擬水質(zhì)米樣通路的數(shù)值彳目息米集。其流程如圖3所示。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制流程

如圖4所示，通過發(fā)送PWM信號即可控制小船上的兩個(gè)直流無刷電機(jī)動(dòng)作，帶動(dòng)移動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測平臺尾部的螺旋槳產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，推動(dòng)移動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測平臺實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和不同的運(yùn)動(dòng)速度。

3 結(jié)語

針對目前突發(fā)水域污染存在的問題，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的小型移動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，具有體積小、成本低、精度高、可自主導(dǎo)航等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于日常的水域水質(zhì)巡檢，尤其對于突發(fā)水域污染的應(yīng)急處理有一定的實(shí)際意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1JMATTHEWD？JONATHANR？KANEU9etal.AhybridAUVdesignforshallowwaterreefnavigation[C].Barcelona：Proceedingsofthe2005InstituteofElectricalandElectronicEngineers，InternationalConferenceonRoboticsandAutomation，2005（4）：2105-2110.[2JROBERTK？ZYGMUNTW，KLESZCZA9etal.Mobilesailingrobotforautomaticestimationoffishdensityandmonitoringwaterquality[J].BioMedicalEngineeringOnline，2013（12）：60.

[3JSHANGCHAOD？JIANGY，YUW？etal.Researchonsmallmobilewaterqualityonlinemonitoringdevice[J].InternationalConferenceonControlandAutomation，2013（10）：351-356.

[4]WANGZ？WANGQ？HAOX.ThedesignoftheremotewaterqualitymonitoringsystembasedonWSN[C].Nanjing：InternationalConferenceonWirelessCommunications，InstituteofElectricalandElectronicEngineersPress，2009：3612-3615.

[5]吳宇.小型移動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[6]謝歡.基于遙感的水質(zhì)監(jiān)測與時(shí)空分析[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2006.endprint