智能水質監測航船模型研發

劉晨 杜鵬

摘要：針對現有水質監測方式對小型水體（大池塘或小型水庫）水質監測存在的實時監測布點困難、速度慢等缺點，以能遙控并能GPS定位的航船模型為載體，研制具有實時進行常規水質參數監測和通訊的智能水質監測系統，實現對小型水體水質的快速實時和移動定點監測。從而保證對轄區內的水質實施全天候、全時段的動態監控，隨時掌握其變化趨勢，以便控制污染程度。

關鍵詞：給排水科學與工程 智能水質監測航船模型 程序集成 智能水質監測系統 航船模型

中圖分類號：R181 文獻標識碼：A 文章編號：1009-5349（2018）19-0255-02

智能系統用于水質監測早已不是什么新鮮事，比如在需要監控的地點設立監測站實現實時快速監測。而設立固定監控站，雖然能實時對區域的監控點水質進行監測，但其靈活性差，不能對監控點外的水域進行實時監測。若要對一定面積的水域監控的話，則需布設較多的測點而導致費用上升。另一方面，目前國內外現有的對水體移動式監測平臺，均以載人航行的船只為載體，因此，只適用水面寬廣大型水體。對大型池塘或小型水庫的水體等不便于載人船舶航行的水體，顯然不適應。雖然目前文獻中有漂浮式檢測裝置的報道，但其不具行走動力而靠人力通過繩子控制，且無定位功能。針對這些缺點，以能遙控并能GPS定位的航船模型為載體，研制具有實時進行常規水質參數監測和通訊的智能水質監測系統，實現對小型水體水質的快速實時和移動定點監測。

一、現代科技支持

（一）產品依托

1.單片機

把一個計算機系統集成到一個芯片上，相當于一個微型的計算機。單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優點，廣泛應用于儀器儀表中，結合不同類型的傳感器，可實現諸如電壓、電流、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數字電路更加強大。

2.傳感器

在微處理器和傳感器變得越來越便宜的今天，全自動或半自動系統可以包含更多智能性功能，尤其是MEMS（微型機電系統）技術，它使數字傳感器的體積非常微小并且能耗與成本也很低，并能從其環境中獲得并處理更多不同的參數。對于水中部分物質指標的分析，運用傳感器已經基本能夠實現，隨著科技發展，傳感器的功能和效率也將有顯著提高，在水質監測方面的運用也將普及。

3.GPS系統

GPS即全球定位系統，目前已廣泛運用于工業、林業、軍事，在家用這個領域特別是在定位導航這個方面發展迅速。而對于我們所使用的GPS天線來說，絕大部分為右旋極化陶瓷介質，其組成部分為：陶瓷天線、低噪音信號模塊、線纜、接頭，它是一種GPS的終端，可用于接收GPS傳輸的數據。由于其具有體積小、精度高、價格低等優點，若將GPS模塊安裝在船模上，通過單片機及遠程終端的處理及控制，可以實現對船模時間及空間位置的實時定位。

（二）技術手段

在編寫軟件之前，首先要確定一些常數、地址，事實上這些常數、地址在設計階段已被直接或間接地確定下來了。如當某器件的連線設計好后，其地址也就被確定了，當器件的功能被確定下來后，其控制字也就被確定了。然后用文本編輯器（如EDIT、CCED等）編寫軟件，編寫好后，用編譯器對源程序文件編譯，查錯，直到沒有語法錯誤，除了極簡單的程序外，一般應用仿真機對軟件進行調試，直到程序運行正確為止。運行正確后，就可以寫片（將程序固化在EPROM中）。程序系統完成以后，將其燒到單片機內，并進行調試。

二、航船模型的設計制作

參考現有的各種市售航船模型，選用并改造，最終形成如圖1系統。

圖1系統結構方案

（一）船模改造

（1）將單片機安裝在船模內部，并將GPS模塊連接到單片機上，實現對船模的定位功能。為了使船模實現自主運行功能，船模的運行靠馬達和舵機驅動，船載單片機直接控制馬達和舵機，達到控制船模航向及速度的目的。

（2）在單片機上安裝無線通訊模塊，此模塊除了將傳感器采集的水質信息和GPS的位置信息傳輸至遠程控制終端外，還能接收從遠程控制終端傳來的命令。

（3）將小型升降臺固定在船模前方，將傳感器的數據線纏繞在其滑輪上（如圖2）。單片機能對小型升降臺運行進行控制，從而獲取不同液位水質信息（深度信息由液位傳感器提供）。傳感器信息輸入給單片機，由單片機進行A/D轉換，轉換成可處理和傳輸的數字信號，通過無線通訊模塊傳輸到遠程控制終端進行處理。

在船模上安裝一個較大容量的鋰離子電池組，用于單片機及船模上其他設備的供電。對單片機和其他電子模塊適當密封設計，并進行防水保護。

（1馬達，2滑輪，3傳感器）

圖2 傳感器升降臺示意圖

三、水質監測系統研制

（一）無線信號傳輸

船模與遠程控制終端之間的信號傳輸通過無線通信完成。單片機將液位傳感器、濁度傳感器、溫度傳感器、溶解氧傳感器、PH值傳感器以及GPS上的所有信息初步整合并處理后，通過單片機將傳感器上原有的模擬信號轉換為數字信號，并通過無線數傳模塊將信號發射出去。無線數傳模塊采用433MHZ頻段的無線數據傳輸模塊，此頻段下的無線通信系統具有成本低廉、適應性好、擴展性好的特點。而在遠程控制終端處連接一個配套的無線通信模塊，通過此模塊，可以接收單片機上傳輸過來的數字信號，并通過所開發的軟件在遠程終端的界面上顯示出來，對相應數據進行分析處理。

（二）信號處理與運行控制

1.信息處理

用于對系統信息顯示以及存儲功能的實現。船載單片機將船的空間位置及各個傳感器的水質信息通過無線通信模塊發送至遠程終端。遠程終端將對其首先進行濾波處理，再將信號轉換成圖像或數據，通過遠程終端顯示出來，并對信息進行存儲，自動生成數據報表，以便工作人員隨時查閱和分析。

2.船模運動控制模塊

此模塊用于對船模運行進行控制。工作人員在遠程終端上輸入指令，通過無線通信和船載控制系統，可實現對船模運行的方向、位置以及傳感器入水深度進行遠程控制。對于此船模，我們使用兩種控制方式：

（1）規劃控制。在個人終端上我們運用GPS對實驗水域進行定位，將船模運行的時間以及路線等指令輸入遠程終端，再通過無線模塊將指令傳輸至船載單片機，單片機對相關指令進行處理后可以控制船模按照規劃指令進行運動，實現定時定點采集水樣。

（2）遙控控制。當所要到達水域情況復雜難以提前設計時間路線，或者出現GPS突然損壞等突發事件時，可以采用遙控控制。通過GPS以及控制軟件等相關組件，可以將船模的位置信息實時顯示在遠程終端上。操作人員在遠程終端上直接進行操作，通過遠程終端、單片機等的處理，可實現對船模的遠程實時遙控，根據指令實時進行水樣的采集和船模的運行

（3）無線通訊。此模塊用于對船模數據和相關信息雙向通訊功能的實現，實現船載單片機以及遠程控制終端之間的點對點通訊，即實現兩者連接的建立，對其運行進行管理，以及相關數據、信息、指令的雙向收發。

四、結語

本項目創新性地提出將航船模型進行改造，與常規水質檢測系統集成，研制具有實時進行常規水質參數監測和通訊的智能水質監測系統。該項目具有如下特點：

（1）實現對小型水體水質的快速實時和移動定點監測。作為水質監測的工具，航船模體積小，并可實現遠程操控和GPS定位，因此能夠更加靈活、高效、快速地對小型水體選定水域的選定監控點進行實時監測，解決了國內外現有的以載人船只為載體的對水體移動式監測平臺，只適用水面寬廣的大型水體而難于對小型水體檢測的問題；其GPS定位和動力遙控功能又是國內研制的水質監測漂浮裝置所不具備的。

（2）目前國內外在水質監測系統上的研究和應用已經從傳統的人力監測發展到現今的在線監測，在線監測具有傳輸數據及時、運行穩定可靠的特點。本項目運用無線通訊技術傳輸水質信息，不僅保證了原有的優點，同時解決了布線繁瑣、網絡維護困難、人力物力資源消耗量大等問題。

根據有關文獻與數據庫查詢，尚未發現兼具上述特色的成果報道。由于運用傳感器獲取水質信息，而相關傳感器類型有限，不能對所有水質成分進行分析，本系統擴展功能有待研發。

參考文獻：

[1]常曉敏.水質監測系統的研究與設計[J].太原理工大學，2007.

[2]奚旦立，孫裕生，劉秀英.環境監測[M].北京：高等教育出版社，1995.

[3]劉麗.基于Zigbee技術的無線傳感器網絡在水質監測系統中的應用[J].安徽職業技術學院學報，2009（1）.

[4]羅東云，蔡苗苗，李麗霞.鄱陽湖水質檢測的無線傳感網絡設計[J].電子技術應用，2009，35（10）：113-115.

[5]百度百科.水質檢測[OL].http：//baike.baidu.com/view/2143132.htm.

[6]百度百科.單片機[OL].http：//baike.baidu.com/view/1012.htm. 責任編輯：張蕊