基于互聯網環保水質監測船的研究與實現

譚萬威 沈洪銳 吳建伸 吳海英

摘要：近年來，我國面臨著嚴峻的水質污染問題，嚴重威脅著人們的飲水安全，且傳統水質檢測監測系統存在自動化程度低、成本高等問題。為此我們設計了一套基于互聯網環保水質監測船系統。該系統以太陽能為動力源，建立一套完善的水質監測系統，全方位采集水質數據，對數據進行處理后為治理水質提供支持。

關鍵詞：水質監測;互聯網;數據采集

一、引言

近年來，水質污染問題日益得到重視。目前，我國水質污染嚴重，威脅著人們的飲水安全，對此，國家及環保部門相繼出臺政策，加強了對水質的檢測與治理。傳統的水質監測主要依賴于人工，存在著諸如成本高、監測范圍小、數據處理周期長等問題。

本論文研發設計了一套基于互聯網的環保水質檢測船系統，通過無線通信來實現遠程控制與數據的傳輸，并結合GPS/北斗衛星導航系統來實現移動與定位。該系統操控方便、工作水域廣，可實現水質參數的實時采集、傳輸與分析。

二、系統硬件設計

本論文設計的水質監測系統主要包含六大硬件模塊：

（一）主控模塊。該模塊以Arduino平臺為核心并包含其它模塊的各種接口，全面負責整個系統的協調工作，收集各類傳感器獲得的數據并通過互聯網模塊完成數據的傳輸。Arduino 是一個源自意大利的開源電子硬件項目，它包括有I/O 功效的硬件電路板和一個開源的軟件開發環境，設計者可通過編程對Arduino電路板進行控制，結合各類傳感器及其他功能模塊，可實現多樣識別和數據處理等功能。Arduino的優點是操作簡單，并且隨著Arduino的使用者越來越多，其軟硬件資源也越來越豐富，能滿足絕大多數智能產品的原型設計需要[1]。

（二）動力模塊。考慮到本設計的使用場景，我們采用清潔能源——太陽能作為整個系統的驅動源。太陽能資源的利用過程中，耗用的是陽光福射，不會對氣候環境造成污染。太陽能作為一種綠色能源，在利用過程中不會產生常規能源利用過程中所產生的NOx、SOx等有害物質，所以太陽能在保護環境方面具有廣泛的應用前景[2]。

該模塊主要實現太陽能源向電能的轉換，以實現驅動監測船的正常工作和移動，并且還能存儲太陽能，為船體夜間行駛提供能量，克服以往設備能量消耗快、需頻繁更換電源的缺點。本論文設計的監測船搭載的太陽能板可自動跟隨陽光方向，實現最大程度地收集陽光，提高能源的轉換效率。

（三）傳感器模塊。該模塊主要包含各類傳感器，用于收集各類水質參數，如水溫、PH值、TOC、COD化學需氧量、電導率、渾濁度、氨氮磷濃度等。該模塊能動態探測多種污染物，自動檢測識別水面污染源并結合主控模塊和互聯網模塊及時向使用者發出警報。各傳感器將收集的數據通過蜂窩無線網絡發送到控制終端，控制終端收集到數據后進行分析處理并形成可視化圖表。

（四）GPS/北斗衛星導航系統。要實現檢測船的路徑規劃和定點采樣，則船體上必須具有定位系統。本論文設計中采用GPS定位方案，通過優化算法，可規劃出船體最優行動路線，進而實現定點采樣。

（五）互聯網模塊。船體在完成路徑規劃、定點采樣后，將傳感器收集的數據經主控模塊緩沖后通過互聯網模塊傳輸至云端，以便后期的數據處理與數據庫的建立。

在數據下行傳輸中，操作員通過控制端的應用程序下達指令，控制終端通過無線蜂窩網絡傳輸命令給船體的主控芯片，主控模塊根據指令完成傳感器采集與船體移動等指令。整個過程無需人為操作，全面實現終端的自主控制，不僅方便快捷也實現了及時響應。

（六）控制端。控制端完成人機交互，分PC終端和移動終端。全部控制端采用觸屏設計，操作簡單方便快捷。移動端的控制方式自由性更高，便利性更好。通過該模塊即可實現遠程控制，因此，本設計系統不僅擁有水樣采集、數據與分析，還可根據所得的數據進而實現快速響應、實時處理等功能。另外，通過建立數據庫，可利用大數據分析為環境治理提供支持。

三、系統軟件設計

本系統的軟件部分主要包括船體移動路徑規劃、定位算法，以及頂層人機交互界面和數據處理。

（一）蟻群算法。本文采用優化的蟻群算法來實現船體的路徑規劃。螞蟻通過蟻群的共同行為來尋找行動的最優路徑。螞蟻在移動時，會將一定的信息要素留在其經過的路徑中，其后的螞蟻會根據這些信息要素的強弱來選擇最佳路徑[3]。

（二）蟻群算法的缺點。蟻群算法有兩個缺點：首先，每只螞蟻隨機運動，即釋放的信息素也隨機，這就導致了當需要的檢索路徑較多時，蟻群需要較長的時間來尋找最優路徑;其次，由于螞蟻在初始選擇路徑時是隨機的，當檢索量過大時，算法可能過早結束并未實現最佳優化，即出現早熟現象[4]。

（三）優化算法。本論文設計時充分考慮上述缺陷，對算法做了改進，具體執行步驟如下：（1）根據障礙物的大小，利用矩陣法對環境進行建模;（2）設置初始參數，并確定初始及終點位置;（3）將船體移動在初始位置上，計算啟發信息并開始檢索路徑;（4）計算移動到矩陣中的某個柵格;（5）等到全部檢索完畢后依據自適應公式更新加權值;（6）記下每次檢索路線的長度;（7）重復上述步驟（4）至（6）直至迭代完畢，然后輸出最優路徑。

（四）頂層交互軟件。本系統收集的數據在上位機完成處理與分析，即上位機需要設計頂層應用軟件來完成數據的可視化分析與對船體的控制。本論文在PC端使用Python語言編程對數據進行可視化分析與處理，移動端則是基于Android系統進行人機交互界面的設計，完成數據的處理與對船體的控制。

通過上述軟件開發，本系統會根據搭載的GPS導航設備自動實現船體路徑規劃、自動避障，實現定點采樣，并將數據傳回基站，以便后續分析與備份。這種創新的方法一改傳統監測點固定的狀態，使用移動平臺搭載監測設備，減少了固定監測點的數量，從而節省了成本。

四、實驗結果

本論文設計，可通過互聯網實現24小時實時水質參數監測;在監測到水質數據超標、水質分析設備故障等異常時實現自動報警功能;對數據進行可視化處理后自動生成統計報表和趨勢曲線。

參考文獻：

[1]楊楠. 基于Arduino的智能產品原型設計研究[D]. 江南大學， 2014.

[2]沈義. 我國太陽能的空間分布及地區開發利用綜合潛力評價[D]. 蘭州大學， 2014.

[3]許川佩，蔡震，胡聰. 基于蟻群算法的數字微流控生物芯片在線測試路徑優化[J]. 儀器儀表學報， 2014， 35（06）： 1417-1424.