基于無人船的地表水水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

朱紅生，費(fèi)曉昕，吳述園，馬志堅(jiān)，唐 萌

（1.中冶華天工程技術(shù)有限公司，遼寧 馬鞍山 243005；2.南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210094）

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷提升，中國(guó)逐步從工業(yè)大國(guó)邁向工業(yè)強(qiáng)國(guó)，在發(fā)展過程中對(duì)自然資源的利用日益增多，對(duì)環(huán)境的破壞也愈發(fā)嚴(yán)重，與此同時(shí)，社會(huì)各界對(duì)資源的合理利用、環(huán)境保護(hù)相關(guān)領(lǐng)域也愈發(fā)重視。在眾多自然資源中，水資源在人類日常生活、工業(yè)生產(chǎn)中起到十分關(guān)鍵的作用，然而大量的生活污水、工業(yè)廢水未經(jīng)處理就直接排入河流和湖泊，使河流、湖泊的生態(tài)環(huán)境遭受嚴(yán)重的破壞，也嚴(yán)重威脅到動(dòng)植物棲息地水域生態(tài)環(huán)境，因此保護(hù)水資源使其免受污染對(duì)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有十分重大的意義[1-2]。

在水資源保護(hù)中，需要對(duì)目標(biāo)水域水質(zhì)進(jìn)行快速的檢測(cè)和分析，以便快速查出污染源頭，給相關(guān)部門提供數(shù)據(jù)支持，以便確定處理方案。傳統(tǒng)的水質(zhì)檢測(cè)手段主要分為人工實(shí)地取樣和監(jiān)測(cè)點(diǎn)固定裝置檢測(cè)2種手段。人工實(shí)地取樣方式耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，時(shí)效性和經(jīng)濟(jì)性差，且當(dāng)目標(biāo)水域狀況復(fù)雜時(shí)，取樣工作不便于開展；監(jiān)測(cè)點(diǎn)固定裝置檢測(cè)方式雖然能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)目標(biāo)水域水質(zhì)信息，但設(shè)備造價(jià)昂貴，檢測(cè)點(diǎn)固定且不利于日常維護(hù)和檢修[3-5]。因此為了能夠準(zhǔn)確、及時(shí)、高效地獲取水質(zhì)信息，本文設(shè)計(jì)了一套可移動(dòng)的無人船智能水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)，可作為水質(zhì)檢測(cè)的補(bǔ)充手段，系統(tǒng)造價(jià)低廉且易于后期擴(kuò)展，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。本系統(tǒng)以課題組自主設(shè)計(jì)的自動(dòng)巡航無人船為載體，搭載對(duì)水質(zhì)中溫度、含氧量、化學(xué)需氧量和氨氮值等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)的傳感器，并通過控制、通信和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一套智能水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)，為復(fù)雜水域情況下多檢測(cè)點(diǎn)水質(zhì)信息的采集、上傳、保存提供了一套智能化的方案。

水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、通訊模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)3部分組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中的無人船采用常見的單體船樣式，可由RC遙控器或上位機(jī)遠(yuǎn)程控制船體航行。數(shù)據(jù)采集模塊包含樹莓派3B、溫度傳感器、含氧量傳感器、化學(xué)需氧量傳感器和氨氮傳感器等。傳感器采用485接口，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過RS485轉(zhuǎn)USB轉(zhuǎn)接板，由串口傳發(fā)送到樹莓派主控制板。通訊模塊基于中興MF79U模塊搭建，樹莓派通過該模塊接入到互聯(lián)網(wǎng)中，將數(shù)據(jù)上傳至搭建的數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)中包含了傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)及無人船記錄的檢測(cè)點(diǎn)的空間位置數(shù)據(jù)，因此，長(zhǎng)期的測(cè)量數(shù)據(jù)將為全面評(píng)價(jià)水質(zhì)狀況、制定有針對(duì)性的治理方案提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 系統(tǒng)的功能和原理

本設(shè)計(jì)選用樹莓派3B作為控制板，可視為傳感器數(shù)據(jù)采集模塊的上位機(jī)，其自帶Wi-Fi功能，方便接入到無線網(wǎng)中，控制板置于無人船載具中。

1.1 無人船載具

無人船選用單體船樣式，由碳纖維制成，內(nèi)部預(yù)留足夠的空間放置動(dòng)力和電氣設(shè)備，其主要功能模塊包括以電機(jī)、電調(diào)、螺旋槳及電源構(gòu)成的動(dòng)力模塊，以Pixhawk4為核心的船體運(yùn)行控制模塊，GPS定位模塊以及通信模塊。如圖2所示，該無人船可以RC遙控或自主控制的方式運(yùn)行，具有良好的穩(wěn)定性和操控性，為水質(zhì)檢測(cè)提供了靈活的移動(dòng)平臺(tái)和位置信息。

圖2 無人船載具示意圖

1.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

水質(zhì)數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)獲取水質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)及水下圖像和水深、流速等水體狀態(tài)數(shù)據(jù)，由控制板、鋰電池、多種傳感器等單元構(gòu)成，硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。水質(zhì)傳感器包括溫度、溶解氧、化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）和氨氮傳感器。

圖3 水質(zhì)數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)

考慮到傳感器采集的水質(zhì)參數(shù)與雙目相機(jī)獲取的圖像數(shù)據(jù)需要控制板進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、處理和傳輸，傳統(tǒng)的開發(fā)板如STM32、Arduino等雖價(jià)格低廉，但若要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙接入還需要另外購(gòu)置相應(yīng)硬件模塊，且其硬件性能較低，不能夠滿足同時(shí)大批量處理數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)顯示圖像需求，不利于項(xiàng)目后期擴(kuò)展。樹莓派以強(qiáng)大的性能與低廉的價(jià)格，非常適合作為物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，因此本文采用性能較高的樹莓派3B作為水質(zhì)信息檢測(cè)模塊的上位機(jī)。

本設(shè)計(jì)選用美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款防水?dāng)?shù)字溫度傳感器DS18B20，如圖4所示。其供電電壓為5 V DC，溫度測(cè)量范圍-55～+155℃，接口采用單總線接口，可以直接與樹莓派GPⅠO串口相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

圖4 DS18B20溫度傳感器

溶解氧傳感器對(duì)水體受污染狀況有重要的指示作用。本設(shè)計(jì)選用精訊暢通公司生產(chǎn)的JXSZ-1001-DOY溶解氧傳感器，如圖5所示。其探頭采用熒光探頭，基于熒光猝滅原理，藍(lán)光照射到熒光物質(zhì)上使熒光物質(zhì)激發(fā)并發(fā)出紅光，由于猝熄效應(yīng)，激發(fā)的紅光強(qiáng)度和時(shí)間與氧氣分子的濃度成反比，通過測(cè)量激發(fā)的紅光與參比光的相位差，并與內(nèi)部標(biāo)定值進(jìn)行對(duì)比，從而可以計(jì)算出氧分子濃度[6]。傳感器的供電電壓為12 V DC，測(cè)量范圍和精度分別為0～20 mg/L、±3.0%，工作溫度0～35℃。接口采用RS485接口，可通過轉(zhuǎn)接板直接與樹莓派USB串口相連接，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 溶解氧傳感器

化學(xué)需氧量又稱化學(xué)耗氧量，表示水質(zhì)中需要被氧化的還原性物質(zhì)的大小，反映了被污染水域內(nèi)能被強(qiáng)氧化劑氧化的物質(zhì)的氧當(dāng)量，是一個(gè)重要且能較快測(cè)定有機(jī)物污染的參數(shù)[7]。本設(shè)計(jì)選用精訊暢通公司生產(chǎn)的JXSZ-1001-COD化學(xué)需氧量傳感器，如圖6所示，其探頭采用分光光度法，通過測(cè)量有機(jī)物在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)光的吸收度，從而得到水質(zhì)的化學(xué)耗氧量。傳感器接口同樣采用RS485接口，方便與樹莓派進(jìn)行串口通訊。

圖6 化學(xué)需氧量傳感器

供電電壓12 V DC，測(cè)量范圍0～400 mg/L，測(cè)量精度±0.5%，工作溫度-40～+85℃。該傳感器自帶清潔功能，更適用于污水渾濁水質(zhì)的檢測(cè)，其測(cè)量準(zhǔn)確、防水性好、信號(hào)穩(wěn)定。

氨氮在水中以游離的氨離子或銨鹽的形式存在，水質(zhì)中的氨氮含量過高會(huì)影響水生生物的正常生長(zhǎng)發(fā)育，會(huì)對(duì)生物的組織造成損傷，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致水生生物的死亡。本設(shè)計(jì)選用精訊暢通公司生產(chǎn)的JXSBS-3001-NH4氨氮傳感器，如圖7所示，其探頭采用PVC膜實(shí)現(xiàn)離子選擇功能，從而測(cè)定水中氨含量[8]。傳感器供電電壓12 V DC，測(cè)量范圍0～100 mg/L，測(cè)量精度±0.5%，工作溫度0～85℃，采用RS485接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖7 氨氮傳感器

1.3 模塊實(shí)現(xiàn)

由前述內(nèi)容可知，溫度傳感器采用數(shù)字接口，因此可直接與樹莓派GPⅠO接口相連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，剩余的氧氣、COD、氨氮、水深、流速傳感器皆采用RS485接口，并且都支持Modbus協(xié)議，因此可以連接在同一總線上。由于樹莓派不支持RS485接口通訊，因此傳感器需要通過CH340轉(zhuǎn)接板將與樹莓派進(jìn)行串口通訊，樹莓派通過USB接口采集雙目相機(jī)圖像。電源使用格氏公司生產(chǎn)的鋰電池，電池容量為5 300 mAh，充滿電壓為13.2 V，可直接為傳感器供電，并經(jīng)由分電導(dǎo)線連接電壓降壓板為樹莓派提供5 V供電，且配備有低電壓報(bào)警器，防止鋰電池因過放而損壞電芯。各個(gè)元器件具體連接方式如圖8所示。

圖8 水質(zhì)檢測(cè)模塊連接示意圖

2 通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 通訊模塊及其網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

通訊模塊在本系統(tǒng)中是數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)溝通的橋梁。考慮到體積、功耗、接口等因素，本設(shè)計(jì)中采用中興MF79U模塊。該模塊作為無線路由器，方便樹莓派接入，并可直接通過樹莓派USB串口供電，支持多終端接入，便于后期系統(tǒng)功能擴(kuò)展。

樹莓派作為傳感器采集模塊的上位機(jī)，首先需要對(duì)樹莓派進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，包含設(shè)置ⅠP地址、綁定端口號(hào)、私網(wǎng)地址轉(zhuǎn)公網(wǎng)地址等操作。其次樹莓派通過Modbus協(xié)議對(duì)傳感器進(jìn)行問詢，獲取傳感器采集到的水質(zhì)信息，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過通訊模塊接入到互聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)上傳到提前搭建好的數(shù)據(jù)庫(kù)中。樹莓派3B自帶Wi-Fi功能，中興MF79U模塊與樹莓派USB相連，將模塊初始化后，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)的配置，如圖9所示。

圖9 網(wǎng)絡(luò)配置

2.2 傳感器信號(hào)處理

Modbus協(xié)議是一種串行通訊協(xié)議，支持RS232、RS485接口通訊[9]。該協(xié)議采用主從的通訊方式，主機(jī)發(fā)送消息請(qǐng)求，對(duì)應(yīng)地址的從機(jī)在正確識(shí)別指令后可進(jìn)行應(yīng)答，消息幀格式如表1所示。

表1 消息幀格式

溫度傳感器可直接通過GPⅠO與樹莓派進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，含氧量傳感器、化學(xué)需氧量傳感器、氨氮傳感器按照1—3的順序順次編碼，方便樹莓派按地址碼問詢傳感器，在樹莓派中進(jìn)行代碼編寫，然后對(duì)代碼進(jìn)行編譯、運(yùn)行。以含氧量傳感器為例，測(cè)試效果如圖10所示。

圖10 樹莓派讀數(shù)顯示

控制板中對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和處理，將樹莓派作為客戶端，云端數(shù)據(jù)庫(kù)作為服務(wù)端。本設(shè)計(jì)使用FRP反向代理技術(shù)進(jìn)行內(nèi)網(wǎng)穿透[10]，將樹莓派私網(wǎng)地址轉(zhuǎn)換成公網(wǎng)地址，基于TCP/ⅠP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在客戶端和服務(wù)端間傳輸，最終實(shí)現(xiàn)傳感器采集模塊對(duì)數(shù)據(jù)采集、上傳的功能。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

樹莓派獲取的水質(zhì)數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，經(jīng)通訊子網(wǎng)上傳到云端數(shù)據(jù)庫(kù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中可以對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理和統(tǒng)計(jì)分析，為后續(xù)水環(huán)境治理提供數(shù)據(jù)保障。因此建立完善的數(shù)據(jù)庫(kù)就顯得尤為重要。在本文的設(shè)計(jì)中，無人船根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的由一系列關(guān)鍵點(diǎn)構(gòu)成的巡航路線自主運(yùn)行，當(dāng)行駛至關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)由主控板讀取各傳感器接口中的數(shù)據(jù)。可見，本系統(tǒng)中的檢測(cè)數(shù)據(jù)還包含了時(shí)間和空間信息，無論對(duì)單次檢測(cè)還是長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)都具有重要的實(shí)用價(jià)值。

為滿足上述需要，對(duì)于保存水質(zhì)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，需遵循如下3點(diǎn)要求：①確保數(shù)據(jù)庫(kù)可靠運(yùn)行，出現(xiàn)故障能夠及時(shí)排除，保護(hù)數(shù)據(jù)不遭受破壞，降低錯(cuò)誤數(shù)據(jù)產(chǎn)生的概率；②保證水質(zhì)數(shù)據(jù)相互之間的獨(dú)立性，確保數(shù)據(jù)能夠被快速查找；③數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和用戶的接口設(shè)計(jì)應(yīng)合理，便于后期擴(kuò)充、修改和維護(hù)。

綜合以上3點(diǎn)要求，本文使用MySQL 8.0在本機(jī)搭建了一套數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)用來保存水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)，并借助數(shù)據(jù)庫(kù)版本管理工具Navicat Premium 15對(duì)其進(jìn)行管理。根據(jù)航行路線、檢測(cè)日期和傳感器數(shù)據(jù)種類等信息設(shè)計(jì)頁表內(nèi)容，建立routetable、checkpoint、checkmeg三張表分別保存歷史檢測(cè)線路、檢測(cè)點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)和檢測(cè)點(diǎn)水質(zhì)數(shù)據(jù)。其中routetable表用來存儲(chǔ)歷史檢查線路序號(hào)及其名稱，checkpoint表用來存儲(chǔ)歷史檢查線路序號(hào)與其對(duì)應(yīng)的檢測(cè)點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)信息，checkmeg表用來存儲(chǔ)歷史檢查線路序號(hào)以及線路對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)間、溫度值、溶解氧值、化學(xué)需氧量值、氨氮值、水深值和流速值數(shù)據(jù)信息。對(duì)于不同的數(shù)據(jù)類型采用不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，三張表使用序號(hào)作為外鍵相互關(guān)聯(lián)，方便使用者對(duì)歷史水質(zhì)信息進(jìn)行快速查閱，顯著提升了數(shù)據(jù)查詢效率，水質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)如圖11所示。

圖11 水質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

4 結(jié)束語

本文針對(duì)傳統(tǒng)水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)在測(cè)量手段的靈活性、數(shù)據(jù)管理的有效性等方面存在的問題，設(shè)計(jì)了一套以無人船為搭載平臺(tái)的水質(zhì)在線檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以樹莓派為主控板，集成中興MF79U為核心的通訊模塊以及多種水質(zhì)檢測(cè)傳感器，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜水域環(huán)境內(nèi)水質(zhì)綜合數(shù)據(jù)的在線采集、上傳、存儲(chǔ)及管理，為水質(zhì)評(píng)估及治理提供了有力的數(shù)據(jù)獲取手段，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。