基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程操控水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人船系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高翔 熊偉杰 徐韜穎 余豐 吳壘

摘 要：項(xiàng)目所設(shè)計(jì)研制的水質(zhì)檢測(cè)無(wú)人船是一款基于IoT技術(shù)，以各類中小型湖泊或河流為場(chǎng)景，將遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)路徑巡航、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)和預(yù)警功能結(jié)合為一體的水質(zhì)檢測(cè)無(wú)人船系統(tǒng)。該無(wú)人船調(diào)用百度地圖中的API，讓用戶可以遠(yuǎn)程在網(wǎng)頁(yè)端的地圖上繪制路徑、發(fā)送指令，使無(wú)人船根據(jù)指定繪制路徑自動(dòng)巡航，同時(shí)在微信小程序上實(shí)時(shí)獲取傳感器數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)集成自動(dòng)坐標(biāo)巡航、水質(zhì)檢測(cè)，數(shù)據(jù)交互傳輸和微信小程序開(kāi)發(fā)。通過(guò)測(cè)試，已實(shí)現(xiàn)在小型湖泊的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中無(wú)人船按指定軌跡巡航，實(shí)時(shí)在小程序中檢測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)功能。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);繪制路徑巡航;微信小程序;數(shù)據(jù)傳輸;低成本

中圖分類號(hào)：U674 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）05-041-04

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.05.020

湖泊作為人類的一種寶貴的自然資源，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展中起著重要作用。然而，由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，人類對(duì)湖泊資源的掠奪性開(kāi)采和開(kāi)發(fā)已經(jīng)對(duì)湖泊造成了嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致湖泊現(xiàn)狀十分嚴(yán)峻，如湖面萎縮、水質(zhì)惡化、生態(tài)功能退化、資源急劇減少等[1]。對(duì)此，建立詳細(xì)可靠的水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)并及時(shí)做出應(yīng)對(duì)措施，就顯得極為重要。

然而，目前市面上的水質(zhì)檢測(cè)無(wú)人船系統(tǒng)，大多具有搭建和維護(hù)成本高昂，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，巡航功能較為單一等問(wèn)題，對(duì)于漁業(yè)、林業(yè)等領(lǐng)域的個(gè)體用戶不是很友好。所以，針對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題，文章結(jié)合國(guó)內(nèi)外移動(dòng)在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一個(gè)集遠(yuǎn)程通信、微信小程序平臺(tái)監(jiān)控、坐標(biāo)定位、自定義繪制路徑自主巡航等技術(shù)于一體，基于物聯(lián)網(wǎng)的可遠(yuǎn)程操控的水質(zhì)檢測(cè)無(wú)人船系統(tǒng)。

1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人船系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路

整體系統(tǒng)大致分為兩大部分，硬件部分設(shè)計(jì)和軟件部分設(shè)計(jì)。如果按照功能來(lái)分類，可分為數(shù)據(jù)傳輸部分和自定義路徑巡航和控制部分。數(shù)據(jù)部分涉及到船體的姿態(tài)及位置數(shù)據(jù)的獲取和水質(zhì)檢測(cè)傳感器數(shù)據(jù)的獲取，以及姿態(tài)位置數(shù)據(jù)的處理和傳感器數(shù)據(jù)的傳輸問(wèn)題。自定義繪制坐標(biāo)路徑巡航和控制系統(tǒng)，由網(wǎng)頁(yè)端和樹(shù)莓派中筆者搭建的服務(wù)器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)文件實(shí)現(xiàn)。水質(zhì)檢測(cè)無(wú)人船系統(tǒng)的基本框架如圖1所示。

2 無(wú)人船硬件設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)人機(jī)硬件結(jié)構(gòu)組成

無(wú)人船主要由密封防水船殼、電機(jī)、傳感器、控制主板、電源等部分構(gòu)成，以下是一些部件的具體信息和功能介紹。

主控芯片：樹(shù)莓派4B。樹(shù)莓派負(fù)責(zé)承載驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的腳本文件，用bottle庫(kù)建立的電機(jī)控制服務(wù)端，應(yīng)用在坐標(biāo)巡航的Nginx網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，以及各個(gè)水質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)和姿態(tài)位置傳感器的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存文件。目前，在互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，Nginx作為一款開(kāi)源的高效解決高并發(fā)、高負(fù)載問(wèn)題的Web反向代理服務(wù)器而被廣泛應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)集群負(fù)載均衡技術(shù)的有效方式[2]。

Arduino：Arduino結(jié)合傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)提取，利用Arduino作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，再利用Arduino和樹(shù)莓派的串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，使用戶能更加方便地修改傳感器和代碼，只需要在Arduino替換上傳商家的新傳感器數(shù)據(jù)提取和串口傳輸代碼，再換上新的傳感器便可以進(jìn)行新的傳感器數(shù)據(jù)的提取和顯示。

姿態(tài)傳感器：GY955是一款高穩(wěn)定性的九軸導(dǎo)航AHRS模塊，其中電子羅盤自帶傾角補(bǔ)償算法，融合了卡爾曼濾波。通過(guò)改寫代碼將純文本的電子羅盤數(shù)據(jù)提取并發(fā)送到串口。

GPS模塊：通過(guò)GPS模塊和天線收集GPS數(shù)據(jù)，通過(guò)Arduino與樹(shù)莓派串口通信并將位置數(shù)據(jù)作為數(shù)組形式儲(chǔ)存在樹(shù)莓派上面。

水質(zhì)檢測(cè)傳感器：PH傳感器，濁度傳感器，溶解氧傳感器等。

電源：采用可充電的12V和5V的鋰電池供電，為主板、電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電。

2.2 無(wú)人船動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)人船的動(dòng)力推進(jìn)裝置由兩個(gè)可正反轉(zhuǎn)的無(wú)刷直流電機(jī)組成，兩個(gè)電機(jī)位于船體尾部?jī)蓚?cè)，配合電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)樹(shù)莓派主板GPIO引腳直接進(jìn)行PWM控制。利用雙電機(jī)差速運(yùn)轉(zhuǎn)改變和控制船的方向，當(dāng)船直行時(shí)兩電機(jī)同速運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 硬件架構(gòu)

硬件架構(gòu)如圖2、圖3所示。

3 無(wú)人船軟件設(shè)計(jì)

3.1 巡航路徑繪制網(wǎng)頁(yè)的設(shè)計(jì)

百度地圖JavaScript API是一套由JavaScript語(yǔ)言編寫的應(yīng)用程序接口，可幫助用戶在網(wǎng)站中構(gòu)建功能豐富、交互性強(qiáng)的地圖應(yīng)用，支持PC端和移動(dòng)端基于瀏覽器的地圖應(yīng)用開(kāi)發(fā)，且支持HTML5特性的地圖開(kāi)發(fā)[3]。

為增強(qiáng)用戶使用體驗(yàn)，該設(shè)計(jì)決定摒棄直接輸入GPS坐標(biāo)的方式，采用用戶手動(dòng)繪制路徑的方式。主要通過(guò)調(diào)用百度地圖JavaScript API v1.0中的Polyline類和LocalResultPoi類配合JavaScript，使用戶觀察到地區(qū)實(shí)景以便路徑的繪制，滿足本項(xiàng)目的功能需求。

網(wǎng)頁(yè)后端部分，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)前端調(diào)用百度API獲取的路徑坐標(biāo)，利用編寫的php后端文件將自動(dòng)獲取的坐標(biāo)數(shù)據(jù)作為JSON格式傳到樹(shù)莓派本地文件中并儲(chǔ)存起來(lái)，此數(shù)據(jù)方便之后巡航算法文件和電機(jī)控制文件的調(diào)用。巡航路徑繪制網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和微信小程序的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 水質(zhì)檢測(cè)傳感器數(shù)據(jù)傳輸

水質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程如圖5所示。傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)由Arduino獲取并進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)化處理和校準(zhǔn)，并實(shí)時(shí)通過(guò)串口通信傳輸?shù)綐?shù)莓派主控板上，然后由樹(shù)莓派主控板中的數(shù)據(jù)上傳程序，將傳感器數(shù)據(jù)上傳到OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和儲(chǔ)存，微信小程序調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的API，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)水質(zhì)檢測(cè)傳感器數(shù)據(jù)的獲取和刷新。

3.2.2 微信小程序設(shè)計(jì)

微信小程序使用和開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)便性備受用戶和開(kāi)發(fā)者青睞，該小程序項(xiàng)目一共實(shí)現(xiàn)了以下四大主要功能：

實(shí)時(shí)查詢水質(zhì)傳感器收集的最新數(shù)據(jù)，并附加數(shù)值報(bào)警提醒功能。

根據(jù)不同的傳感器數(shù)據(jù)分類，給予用戶相應(yīng)的水質(zhì)改善方案。

用戶通過(guò)賬號(hào)登錄來(lái)獲取無(wú)人船手動(dòng)控制頁(yè)面和導(dǎo)航頁(yè)面的域名。

提供水質(zhì)檢測(cè)科普知識(shí)。

3.3 基于GPS的自定義坐標(biāo)路徑巡航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)人船的自動(dòng)沿路徑巡航建立在手機(jī)移動(dòng)終端的無(wú)線遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)下，利用手機(jī)移動(dòng)終端登錄網(wǎng)頁(yè)客戶端，在百度地圖上自定義繪制坐標(biāo)路徑，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送路徑坐標(biāo)，無(wú)人船接收到坐標(biāo)數(shù)據(jù)后開(kāi)始執(zhí)行巡航程序。

3.3.1 自定義坐標(biāo)路徑巡航系統(tǒng)工作流程

自定義坐標(biāo)路徑巡航系統(tǒng)流程如圖6所示。在通過(guò)網(wǎng)頁(yè)端調(diào)取設(shè)定路徑點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)、GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)、電子羅盤方向角數(shù)據(jù)后，需要利用路徑點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)計(jì)算巡航路徑相鄰點(diǎn)之間的方向角及行駛距離。在程序設(shè)計(jì)中，當(dāng)無(wú)人船主控系統(tǒng)從網(wǎng)頁(yè)獲取并發(fā)送船體當(dāng)前的方向角、GPS坐標(biāo)、目標(biāo)路徑初始點(diǎn)的坐標(biāo)后，程序就會(huì)開(kāi)始計(jì)算船體當(dāng)前位置和初始點(diǎn)（巡航路徑設(shè)定的第一個(gè)坐標(biāo)位置）位置之間的方向角和距離，并運(yùn)行電機(jī)控制的程序進(jìn)行目標(biāo)靠近。在靠近初始路徑點(diǎn)的過(guò)程中，由于船在水面上具有慣性，所以需要實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前位置與目標(biāo)位置的距離與方向角，并根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)調(diào)整電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)程序檢測(cè)到船到達(dá)目標(biāo)位置（初始點(diǎn)）后，自動(dòng)停止計(jì)算初始點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，并開(kāi)始計(jì)算當(dāng)前船體坐標(biāo)與巡航路徑中的第二個(gè)設(shè)定點(diǎn)之間的距離及方向角。程序周而復(fù)始直至檢測(cè)到船體到達(dá)最后一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，即完成巡航任務(wù)，程序恢復(fù)等待狀態(tài)，等待下一次巡航命令。

3.3.2 坐標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)程的重要理論依據(jù)

在以上過(guò)程中，運(yùn)用到了利用GPS坐標(biāo)計(jì)算方向角和距離的公式，可以近似將地球看作球體計(jì)算[4]，如圖7所示。

參數(shù)說(shuō)明。地球上任意兩點(diǎn)A和B的經(jīng)緯度坐標(biāo)分別為A（Aj，Aw）和B（Bj，Bw），A和B之間的方位角就是Lab的切線與地球緯線之間的夾角[5]。且A和B兩點(diǎn)間球面距離為L(zhǎng)ab，地球半徑為R，O為地球球心，C為北極點(diǎn)。

角A即點(diǎn)A與B連線的方位角。

4 無(wú)人船系統(tǒng)測(cè)試

在系統(tǒng)搭建完成后進(jìn)行功能測(cè)試，選取了學(xué)校一個(gè)人工湖作為測(cè)試水域，測(cè)試持續(xù)兩周。

4.1 基于GPS的自定義繪制坐標(biāo)路徑巡航系統(tǒng)的測(cè)試

在網(wǎng)頁(yè)客戶端地圖上找到學(xué)校的人工湖，依次用手點(diǎn)擊希望巡航經(jīng)過(guò)的坐標(biāo)點(diǎn)，坐標(biāo)點(diǎn)依次根據(jù)點(diǎn)擊順序連接成設(shè)定好的巡航路徑。之后點(diǎn)擊發(fā)送按鈕，將開(kāi)始巡航的指令和坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送至樹(shù)莓派服務(wù)器并開(kāi)始執(zhí)行巡航程序。如圖8、圖9所示，分別為路徑繪制網(wǎng)頁(yè)頁(yè)面和無(wú)人船測(cè)試實(shí)拍圖片。

4.2 基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和微信小程序的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試

當(dāng)無(wú)人船在按照繪制的路徑巡航的時(shí)候，打開(kāi)微信小程序當(dāng)無(wú)人船按照繪制的路徑巡航時(shí)，打開(kāi)微信小程序，進(jìn)入到無(wú)人船檢測(cè)控制主頁(yè)面，如圖10所示，帶年紀(jì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢，查詢濁度傳感器的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊重新獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，刷新最新的濁度傳感器數(shù)據(jù)。此時(shí)數(shù)據(jù)為625，根據(jù)后臺(tái)設(shè)定的閾值對(duì)比超標(biāo)顯示報(bào)警，如圖11所示。之后，可以返回主頁(yè)面到水質(zhì)改善方案頁(yè)面中尋找解決方案，如圖12、圖13所示。

5 結(jié)語(yǔ)

文章介紹了當(dāng)前湖泊環(huán)境污染問(wèn)題，并針對(duì)湖泊水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)存問(wèn)題提出了一種多模塊的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水質(zhì)檢測(cè)無(wú)人船系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳、自主巡航、遠(yuǎn)程控制等任務(wù)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試，水質(zhì)檢測(cè)智能無(wú)人船可以按照用戶繪制的路徑進(jìn)行定點(diǎn)自主巡航，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)檢測(cè)及實(shí)時(shí)預(yù)警等功能。此外，無(wú)人船系統(tǒng)仍存在改進(jìn)空間，由于GPS誤差較大，可采用GPS差分技術(shù)提高精度，建立更加精確的無(wú)人船巡航系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 譚飛帆，王海云，肖偉華，等.淺議我國(guó)湖泊現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題及其對(duì)策思考[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2012，18（4）：57-60.

[2] 吳陳.基于Nginx的服務(wù)器集群負(fù)載均衡策略的研究與改進(jìn)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2020.

[3] 夏軍.基于百度地圖API的快速制圖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪工程，2019，28（4）：42-48.

[4] 劉力榮，李菡.GPS坐標(biāo)與方向、距離相互轉(zhuǎn)換的計(jì)算公式推導(dǎo)[J].南方農(nóng)機(jī)，2018，49（14）：106.

[5] 周建鄭.GPS定位原理與技術(shù)[M].鄭州：黃河水利出版社，2005.