基于物聯網通信技術的水質檢測無人船

賴俊委，岑佳潼

（廣州大學華軟軟件學院計算機系，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、對監控環境要求低等優點。目前，市面上大多數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，通信距離很難達到3 km以上。第二，水質檢測。大多仍采用人工取樣分析的方式，即時性差、耗時費力[1]。第三，水質環境檢測的數據未被合理利用，沒有依據國家地表水環境質量標準GB3838-2002分析水域的水質評定標準[2]。

針對以上問題，本文研發一種可以實現自主巡航、一鍵返航、3G/4G遠程通信、實時檢測水質和垃圾收集等功能的無人船控制系統。本系統采用模塊化設計，能夠契合用戶所需進行功能擴展，使系統更能適應不同水域的需要。

1 控制系統的設計方案

1.1 系統功能

無人船系統按功能可分為4部分：負責自主巡航、定位及避障的無人船體控制系統，其中包括船體避障單元和航行控制單元；負責水質環境綜合信息獲取分析的水質檢測系統；負責通信服務、遠程操控、信息管理查詢等應用的地面站監控系統；負責在水面上收集垃圾的垃圾收集系統。無人船設備的總體結構如圖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檢測單元等。其中，控制設備的地面站監控系統包括PC端地面站、手機APP地面站和遙控設備。

圖1 無人船的總體結構

1.2 無人船運動控制系統

采用小水線面雙體船設計，船體控制核心開發板以STM32芯片為核心，并融合了MPU6000模塊、GPS NEO-M8N定位模塊、電子調速器、無線通信模塊等硬件。通過PID算法、姿態解算、GPS航點定位，進一步糾正了船體的航行軌跡。PWM輸出至電子調速器來調整船槳的運行，而船體尾舵方向的控制則通過磁力計、陀螺儀具體調整[3]。

1.3 無人船船體避障系統

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，故船體避障系統采用超聲波避障方式[4]。當超聲波檢測到周圍環境有障礙物時，中間層Arduino核心板向STM32核心板發送信號，通過處理接收到的脈沖信號，檢測PWM值是否小于設定值。進一步處理后，重新計算PWM值并輸出，使尾舵控制航行方向，而電子調速器控制航行速度。避障系統采用四方位監測、多種避障策略，使船體航行更加穩定且有效地避過障礙物，以免船體發生碰撞。

1.4 無人船水質檢測系統

水質檢測裝置直接接觸水體，實時獲取水體指標，同時將拍攝到的水面情況傳輸至地面站。影響水質的關鍵檢測指標有水溫（T）、電導率（TDS）、渾濁度（COD）、酸堿度（pH）、氧化還原能力（ORP）和溶解氧（DO）等[5]。對水域水質的情況進行檢測，利用TCP/IP通信協議將傳感器數據上傳至云服務器的數據庫，初步對水質檢測指標進行數據分析，最后將數據分析情況通過Web網頁端實時顯示。數據分析處理結果顯示的方式主要有兩種——熱點圖和統計圖表。

1.5 無人船垃圾收集系統

垃圾收集系統結合超聲波傳感器物體檢測原理，觸發船體安裝的機械滾軸葉片向內撥動，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，不會影響超聲波的檢測工作。

2 無人船地面站監控系統

地面站監控系統分為手機APP地面站和PC上位機地面站兩種。手機端地面站有四種連接方式與船體通信，即WiFi、USB（3DR）、GPRS和藍牙。系統有四種控制工作模式，即HOLD停止模式、AUTO自主巡航模式、RTL自動返航模式和MANUAL遙控模式，以此提供多元化的遠程操作方式。手機端和PC端地面站都可調整船體航行狀態參數，如設置PID值、選取船體控制模式、設置預航行路線等。

3 系統測試

將本系統應用在校園內的人工湖泊進行無人船控制系統的性能測試和水體環境檢測，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遠程通信的方式。登錄APP端的遠程服務器，移動設備與無人船通信成功后，在APP界面上繪制巡航路徑，并將巡航任務發送至無人船。無人船能夠根據巡航路線進行工作，點擊RTL模式回到出發點。經過地理位置測試表明，本系統能在正常的網絡環境下將數據有效回傳至APP，網絡延時360～650μs。定位返航結果表明，在空曠水域，系統誤差小于0.6 m，非空曠水域為1.2～2 m。

3.2 測量傳感器測試

無人船系統搭載的測量傳感器進行5 s冷啟動后，對當前水域進行水質環境檢測，并將傳感器數值上傳至網頁顯示界面，測試結果如圖2所示。數據回傳結果表明，檢測數值每隔25s上傳一次。結合數據統計圖，可初步評判該區域的水質情況。可見，測量傳感器能夠在航行狀態下對水質環境進行檢測。

圖2 傳感器數值的網頁端顯示界面

4 結 語

本文實現以STM32開發板為核心的無人船系統的研制，無人船系統能夠實現對無人船航向、速度、路徑的跟蹤，涉及自主導航系統、智能避障、模塊化設計、遠程通信、小水線面雙體船船體設計等項目創新點，并依據巡航模式設置實現一鍵返航、自主巡航等，通過超聲波模塊智能避障。實驗結果表明，無人船可以協調各子系統實時獲取水質和環境參數，通過地面站即可遠程操作無人船，用戶無需專業的培訓即可使用無人船系統。

參考文獻：

[1] 孟祥寶，黃家懌.基于自動巡航無人駕駛船的水產養殖在線監控技術[J].農業機械學報，2015，46（3）：276-281.

[2] 中華人民共和國環境保護部.GB 3838-2002地表水環境質量標準[Z].2002-06-01.

[3] 李 瑞.基于DSP和GPRS的無人船運動控制系統設計[D].石家莊：河北大學，2016：1-57.

[4] 肖儒亮.植保無人機避障技術應用研究[D].西安：西京學院，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.