基于Arduino 的水質監測和水質改善無人航行器設計

謝辰旻，陳凌軒，強嘉鈺，馬帥華

（上海海洋大學工程學院，上海 201306）

環境中的中小型水域包括以河流湖泊為主的自然環境水域和以人工池塘、人工蓄水池（缸）為主的人工水域。近年來，隨著人民生活水平的提高，一方面對于部分水產品的需求增加，水產養殖業發展速度加快，水產養殖面積不斷擴大，同時帶來不少環境污染問題；另一方面，大量興建泳池、蓄水池，購置大型魚缸等帶來了水質清潔的問題。

水質的惡化將會帶來生態效益和經濟效益的退化。在水質監測設備中能夠進行實時采集的指標包括：水溫、pH 值、電導率和溶氧量[1]。為了監控水質污染問題，社會主流手段為引入監測站或浮標作為監測點進行定點監測和引入無人船進行動態監測。針對水質檢測及數據反饋研發的一種大環境水域監測無人船[2]，其主要基于多傳感器和雙通信鏈路，可對傳感器采集到的水質數據進行實時傳輸和反饋。另外，在環境水域監測方面，水質監測浮標也發揮著重要作用，中科院南海海洋研究所曹文熙博士[3]提出了一種高度集成化的全天候數據采集和接收水質監測浮標裝置，可以實現全天候的定點水質監測?，F代水質監測手段明顯存在自動化不足、站點不足、專業性缺乏的問題。從本團隊的觀點出發，前文所述兩種手段均具有一定的優勢，但存在以下三方面缺點：一是無法對深水水域進行水質監測并獲取相應信息；二是所需空間大，適用于大中型水域；三是現有技術難以集水質改善和水質監測于一體。針對上述問題，該文設計制作了一款模塊化的“水寶”裝置。

1 方案綜述

1.1 系統組成

水下機器人誕生已久，在日常生活中卻很少出現，功能化的水下機器人更是少之又少。文獻[4]描述的是一種用于探測、打撈的安保水下機器人；文獻[5]根據仿生學原理，對魚類進行仿生學分析設計了一種水下機器人。水下機器人或航行器的設計不同于地面駕駛工具的推進方式和機械結構，控制方式也有所不同，其用途正處于探索和開發階段。該項目將水下航行器應用于水質監測和水質改善，給業界拓展了新思路。

“水寶”尺寸約為45 cm×20 cm×10 cm（長×寬×高）（圖1）。裝置采用膠囊型設計，配有紫外線燈殺毒以及清潔設備，采用模塊化架構以實現更多的功能，設計三視圖如圖2 所示。“水寶”主要設計思路如下：

（1）膠囊狀外形可使其在水中受壓相同，適用于全水深作業。

（2）該裝置可按照既定的路線，實現自主巡航。

（3）裝置配備超聲波傳感器系統（聲吶），可實現水下避障，在水下行駛更加高效、可靠。

（4）該裝置的模塊化結構可根據不同需求，搭載多種不同類型的模塊，如各種傳感器及自身運動姿態模塊等各種其他功能模塊。

對“水寶”裝置的控制主要由下位機部分完成，下位機部分將Arduino Mega2560 作為主控制器，實現對衛星定位模塊、深度計裝置、動力推進系統、避障系統、傳感器系統和水質改善系統等子系統的控制。將編寫好的程序燒錄到主控制板中，所有的系統都可發揮作用：衛星定位模塊可確定自身所處的位置并為路徑規劃提供支持；深度計裝置反饋所處深度；動力推進系統使得航行器可以在水下運動；避障系統確?！八畬殹痹谒卤荛_障礙安全航行；傳感器系統針對周圍水環境作出分析，并將數據反饋至上位機平臺；水質改善系統包括紫外線燈和pH值調節裝置，用于改善水環境。下位機系統詳細構成如圖3 所示。

1.2 工作原理

“水寶”裝置采用Arduino 作為裝置主控制器，完成對各個模塊的控制?！八畬殹毖b置搭載GPS+BDS雙模衛星定位系統和深度計裝置，通過程序設定航行的終點和運行深度，“水寶”裝置啟動后自動向終點方向航行。航行過程中“水寶”裝置搭載的多傳感器可實現相應的功能：超聲波傳感器發射超聲波用于實現水下自動避障；pH 傳感器選用PHJ-100B 型pH 電極[6]，可采集周圍水環境pH 值數據，將數據傳輸給主控制器，通過將數值和標準值分析比對，“水寶”將向周圍水環境釋放酸性或堿性試劑用于改善局部水環境pH 值；同時溫度傳感器、濁度傳感器、溶氧量傳感器均可正常工作并采集相應數據。

2 功能設計

2.1 運動控制

定位模塊采用GPS+BDS 雙模定位系統結合深度計檢測模塊完成“水寶”自主巡航部分，與Arduino 單片機相連時，對應的引腳相連，PPS 引腳空出，即可和主控制器實現信息的交互。在“水寶”航行過程中，GPS 不斷向外界發射位置信息，并交由控制器（單片機）進行數據處理，由此保證了“水寶”按照既定的路線航行。具體方法如圖4、圖5 所示：通過程序設定終點（C）后，得到若干預設點（A、B、C），在GPS 的作用下獲取自身位置，并判斷與結束點最近預設點的相對位置，做出行駛動作，重新獲取自身位置，如此往復循環直至達到目標點，跳出循環。

深度檢測模塊感受水中壓力測得深度，反饋給控制器，并根據當前深度和所需工作深度對螺旋槳朝向進行調整，實現“水寶”的上浮和下沉。

2.2 水質監測及水質改善

pH 值的測定通過pH 值檢測采集傳感器模塊實現，當檢測的pH 值趨近于0 時，電壓為電源電壓（5V）；當pH 值上升時，模塊輸出電壓下降，且模擬輸出電壓與pH 值呈線性關系。外接溫度補償電路部分可對pH 值進行校正，消除了溫度對傳感器準確性的影響。

該裝置采用雙蠕動泵進行pH 值改善，泵1 接酸性試劑，泵2 接堿性試劑。需要實現的pH 值目標值由軟件輸入，Arduino 主控制器分析外部水環境中檢測所得到的pH 值數據。若水環境中pH 值較大，泵1 打開，釋放一定劑量的酸性試劑，反復測定水域pH 值直到接近目標值時停止。若測出水環境中的pH 值較目標值小，則繼電器閉合，泵2 打開，為反應液加堿性試劑直至達到目標值。具體流程框圖如圖6 所示。

3 試驗

3.1 水質監測試驗

水質監測試驗通過收集巡航路線上采樣點間的pH 值和溫度值數據，驗證“水寶”裝置是否能夠在不同水深條件下高效地測得相應的數據。該試驗選取0 m（水面）、0.5 m（水下）和1 m（水下）三種深度分別進行測量。“水寶”裝置的優越性在于在相同時間內測得多組數據，同時實現了全水深的高效工作。

水質監測試驗獲取數據如表1 所示。

表1 水質監測采樣數據表

3.2 酸性水域模擬調節試驗

利用膠頭滴管稀釋配置pH 值為10.27 的NaOH溶液20 mL，倒入反應瓶A，向另外稀釋用的瓶中加入經稀釋后的NaOH（記為B 瓶）和HCl（記為C瓶）。將pH 計插入A 瓶，由于pH 值大于7.50，所以會立刻聽到與C 瓶相連蠕動泵轉動。將C 瓶中的酸液加入反應瓶A 中，直至pH 值小于7.50 時，停止轉動。完成整個試驗僅10 秒左右，試驗所得數據如圖7 所示，試驗數據采集頻率0.2 s/次。

3.3 堿性水域模擬調節試驗

利用膠頭滴管稀釋配置pH 值為4.15 的HCl溶液20 mL，倒入反應瓶A，向另外稀釋用的瓶中加入經過稀釋后的NaOH（記為B 瓶）和HCl（記為C瓶）。將pH 值計插入A 瓶，由于pH 值小于6.50，所以會立刻聽到與B 瓶相連蠕動泵啟動。將B 瓶中的堿液加入反應瓶A 中，直至pH 值大于6.50 時，停止轉動，從而達到試驗目的。試驗所得數據如圖8 所示。

利用該裝置，我們又取用了其他化學用液進行了試驗測定，各次記錄如下表2。

綜上所述，可見“水寶”所攜帶的水質改善裝置具有極高的效率，能夠應對各種廢液及各種pH 值環境。大大減少了改善水環境酸堿度所需要耗費的時間和人工成本，在中小型水域水質改善過程中可起到較大的作用。

4 結論

水質監測已經歷了人工監測、儀器監測階段，正在走向自動化監測階段[7]。該文設計了一種基于Arduino 的水下航行器，“水寶”外觀呈膠囊型，確保全身受力均勻可承載較大水壓，適用于全水深工作環境；具備水質改善裝置，能夠以極高的效率將中小型水域的局部pH 值調節至正常范圍；融合了多傳感器技術，能夠對中小型水域的pH 值等數據進行實時監測；結合了GPS 定位算法，通過超聲波傳感器實現自動避障，保證了“水寶”的穩定和正常工作。

表2 處理實驗室溶液記錄表

“水寶”為各類型中小型水域提供全水深水質檢測和水質改善服務，提高了中小型水域水環境檢測效率，降低成本，對推廣應用農業技術與裝置和進行水質環境檢測有促進作用，同時能使人們的生活質量得到保障和提升。