基于單片機技術的無人船濕地環境監測系統設計

摘" 要：針對當前濕地環境監測工作耗時耗力、安全系數低、成本高和采樣難度大的問題，提出基于STC89C52RC和HC-12的無人船濕地環境監測系統。系統以STC89C52RC單片機為主控單元，使用便攜式移動電源供電，通過導線連接由nRF905無線通信模塊、HC-12無線通信模塊、電機驅動系統、舵機驅動系統、水樣采集系統、全球定位系統（global position system， GPS）和水質指標監測系統等構成的濕地環境監測無人船系統硬件部分，通過串口分別連接和燒寫使用C#、keil軟件制作上位機程序與nRF905單片機驅動程序，實現計算機通過串口通信方式完成單片機之間的無線通信和AT指令集的收發，從而達成計算機遠距離實時遙控無人船進行定點水樣采集與pH、濁度、溫度指標監測的目的。野外實驗結果證明，系統運行穩定，且水質指標測定結果精準。

關鍵詞：無線遙控;水樣采集;水質指標監測;無人船;環境監測

中圖分類號：TP368.2" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）09-0050-07

Abstract： This paper proposes an unmanned ship-based wetland environmental monitoring system based on STC89C52RC and HC-12， aiming to address the current issues with time-consuming， labor-intensive， low safety factor， high cost and the difficulties in sampling in wetland environmental monitoring work. The system takes STC89C52RC MCU as the main control unit， uses a portable mobile power supply for power， and connects wires to the hardware parts of the wetland environmental monitoring unmanned ship system， including the nRF905 wireless communication module， HC-12 wireless communication module， motor drive system， steering control drive system， water sample collection system， global positioning system （GPS）， and water quality index monitoring system. The system further connects and programs the upper computer program and nRF905 MCU driver program using C# and Keil software through serial ports， enabling the computer to complete wireless communication between microcontrollers and the transmission and reception of AT commands through serial port communication， thus achieving the purpose of remote real-time remote control of the unmanned ship for fixed-point water sample collection and pH， turbidity， and temperature monitoring. Field experimental results have proven that the system runs stably and the determination results of water quality indices are accurate.

Keywords： wireless remote control; water sample collection; water quality index monitoring; unmanned ship; environmental monitoring

長期以來，濕地遭到人們過度開發和破壞，濕地面積和生態功能迅速下降，許多濕地面臨退化威脅[1-2]。濕地環境監測可以準確掌握濕地資源的現狀及其動態變化[3]，為濕地保護、管理和科學研究提供及時、準確的數據和科學依據[4-5]，而傳統的監測方式主要依賴于人工現場進行，耗時費力、成本高、難度大及危險系數高[6-7]，為解決傳統方式的弊端，結合了無線通信技術的便攜式無人船系統被廣泛應用[8-10]。文獻[11]設計的便攜式遙控船，是以STM32單片機作為主控芯片，搭載無線網絡通信技術（wireless fidelity，Wi-Fi）與通用無線分組業務（general packet radio service， GPRS）無線傳輸技術。而STM32芯片相對于STC89C52RC芯片成本高、開發難度高[12]、Wi-Fi技術傳輸距離近、抗干擾能力差[13]及難以適應大范圍監測，GPRS技術雖然通信距離長，覆蓋范圍廣，但是功耗高、成本高，部分偏遠濕地環境存在網絡掉線的可能[13-14]。結合當前研究現狀，本文設計了一種基于nRF905和HC-12的無人船濕地環境監測系統，使用STC89C52RC單片機作為主控芯片，利用Keil μVision5與C#進行軟件編程，搭配硬件系統，實現了計算機遠距離遙控定位無人船進行水樣采集與指標監測。

1" 無人船濕地環境監測系統總體設計

系統以STC89C52RC芯片為主控制芯片，由nRF905無線通信模塊、HC-12無線通信模塊、電機驅動系統、舵機驅動系統、水樣采集系統、GPS定位系統和水質指標監測系統等構成（圖1）。系統通電后，可通過上位機軟件界面觀察GPS數據變化實時遙控船只到達固定監測點，按下計算機相應按鍵進行水樣定時采集與水質監測。

2" 硬件設計

2.1" 無線通信系統

無線通信系統的硬件部分包括STC89C52RC單片機、nRF905無線通信模塊，以及HC-12無線通信模塊。

2.1.1" STC89C52RC單片機

系統使用了超低功耗、抗干擾能力強、低輻射和超低成本的8位單片機STC89C52RC，該單片機完全兼容8051單片機，內置8 K的Flash程序存儲器、512 B的隨機存取存儲器（random access memory， RAM）和2 K的帶電可擦可編程只讀存儲器（electrically erasable programmable read only memory， E2PROM），內部有3個定時器/計數器，可進行8、13、16位的定時/計數，同時具有2個串行中斷、2個外部中斷、32個輸入/輸出口（input/output， I/O）[15-16]，完美滿足系統設計需求。

2.1.2" nRF905無線通信模塊

nRF905是挪威Nordic公司推出的單片射頻發射器芯片（圖2），工作電壓為1.9～3.6 V，可以工作于433/868/915 MHz三個無線電的頻段（industrial scientific medical， ISM），且帶有標準的串行外設接口（serial peripheral interface， SPI）總線接口，可與單片機實時通信[17-18]。本設計為滿足濕地大水域監測要求，采用的是計算機通過串口與單片機進行實時通信，并采用傳輸距離最長、信號衰減最少的433 MHz通信頻段，通信距離可達500 m，丟包率不足1%[17-18]，且不受通信網絡限制，克服了GPRS的掉線風險與Wi-Fi、藍牙技術的通信距離短，丟包率高的缺陷。

2.1.3" HC-12無線通信模塊

HC-12無線通信模塊工作頻段為433.4～473.0 MHz，可設置多個頻道，模塊最大發射功率為100 mW（20 dBM），5 000 bps空中波特率下接收靈敏度為-116 dBm。共有4種工作模式，4種模式下平均工作電流分別為3.6 mA，80 μA，16 mA和16 mA[19]，功耗極低，工作原理如圖3所示。為滿足電腦上位機軟件與各傳感器之間的遠距離無線通信需要，本設計使用的是第三種工作模式，工作頻段為433.4 MHz，串口波特率設為9 600 bps。

2.2" 航速航向控制系統

硬件部分包括舵機驅動系統與電機驅動系統。

2.2.1" 舵機驅動系統

硬件部分包括舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機和控制電路。工作電壓為直流（direct current， DC）24 V，空載電流小于500 mA，最大扭矩為500 kg·cm，可識別脈沖寬度調制信號（pulse width modulation， PWM）。在工作時，舵機控制電路（圖4）識別來自單片機接收端I/O口的周期為20 ms，間隔為2 ms，高電平為0.5～2.5 ms的角度控制脈沖信號驅動舵板轉動相應角度（表1）實現船只轉向。PWM信號由接收通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓，其內部有一個基準電路，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差，從而驅動舵機內部電機正反轉[20-21]，實現電壓差歸0。

2.2.2" 電機驅動系統

硬件部分包括DC 24 V無刷電機與電機驅動板。電機額定功率為60 W，額定轉速3 000 r/min，峰值扭矩為0.6 N·m;驅動板支持內置電位器、外接電位器、模擬電壓和PWM調速，具備電子快速制動功能，并帶有速度反饋信號輸出。電機驅動系統與舵機驅動系統類似，均是由驅動板識別來自單片機的0%～100%占空比[17]的PWM控制信號，從而實現無人船的遠程實時啟停與轉速調整。

2.3" 水樣采集系統

硬件部分包括4路光耦隔離繼電器，4個DC 24 V無刷潛水泵。系統電路原理如圖5所示。

2.3.1" 光耦隔離繼電器

繼電器是由光耦驅動三極管，控制光耦端構成，可選擇高電平或者低電平信號觸發，靈敏度高，工作電壓為DC 24 V，最大負載交流（alternating current， AC）250 V/A，通過識別來自接收端單片機I/O口的高低電平信號進行潛水泵的啟?？刂?。

2.3.2" 直流無刷潛水泵

無刷潛水泵由轉子、葉片、耐磨陶瓷軸承、電機與泵頭構成，功率為10 W，最大流量12 L/min，最高揚程為6 m，工作電壓為DC 24 V，耐酸堿。在系統中通過識別光耦繼電器的啟停信號，實現水樣的采集與停止。

2.4" 水質指標監測系統

硬件部分包括DSB18B20溫度傳感器[22]、E-201-C酸堿度（pondus hydrogenii， pH）電極[23]、濁度傳感器[24]，以及對應傳感器模塊（圖6）。pH監測范圍為0～14，溫度監測范圍為-55～125 ℃，pH傳感器產生的模擬電壓值與顯示讀數成線性關系，換算公式為y=-5/14x+5;濁度傳感器顯示濁度值與模擬電壓的換算關系為y=-1 120.4x2+574.3x-4 352.9;DSB18B20型溫度傳感器直接輸出數字信號，無轉換關系，由采集模塊直接讀取。溫度、pH、濁度的測定均是通過采集模塊接收到HC-12接收端的AT指令，進行相應動作，完成溫度、pH、濁度數據采集過程。

3" 系統程序設計

3.1" 功能需求

上位機軟件要實現上述功能，需要滿足以下功能：①實現船只航速航向實時控制與調整;②實現采集瓶定時長遠程采集水樣;③實現水質指標傳感器實時監測。

3.2" 下位機程序設計

舵機角度的控制、電機轉速的控制主要由單片機接收端產生PWM控制信號根據占空比的不同調節對應角度和轉速實現[25-26]。而PWM信號的產生與單片機定時器初始化與中斷函數編寫方式密切相關。本次使用的單片機晶振為11.059 2 MHz，信號頻率為100 Hz，單片機定時器T0和T1全部工作于方式1，隨后對單片機定時器高位和低位進行賦值，并開啟總中斷與定時器T0、T1中斷，隨后打開定時器T0與T1（圖7），編寫單片機定時器T0與T1的中斷程序，其中定時器T0可產生0%～100%占空比脈沖信號，用于控制電機轉速，定時器T1產生舵機可識別的PWM脈沖信號，用于調節轉動角度。

3.3" 上位機程序設計

上位機軟件（圖8）使用C#進行編程，重點在于串口通信的實現，搭載nRF905模塊的單片機通信軟件使用Keil μVision5進行編程，實現了遠距離定點水樣采集與水質指標數據實時監測功能，并設置有數據緩存區。

4" 功能試驗

在實驗室與安徽巢湖濕地公園進行了功能實驗（圖9為測試模型結構圖，圖10為水樣采集效果圖，圖11為船只航速航向調整，圖12為船只返航效果圖）。結果證明，500 m水面范圍內實現了船只實時控制且水樣采集效果良好，實現了4組采集瓶同時或分別定時采樣，同時驗證了濁度、水溫、pH指標數據的準確度。

4.1" 溫度對比實驗

在實驗室進行溫度測定，實驗過程中準備了500 mL燒杯，向其加入300 mL自來水，并放置于水浴鍋中，同時置入溫度傳感器與JJG 161—2010《標準水銀溫度計》規定的標準水銀溫度計進行溫度測量[27]。實驗結果在23～51 ℃測定范圍內，無人船溫度計與標準水銀溫度計的連續測定50次的測定結果對比，誤差范圍為-0.4～0.2 ℃，滿足現場水溫測定要求。

4.2" 濁度對比實驗

在實驗室中進行濁度測定，測定過程中加入少量土壤膠體，調節濁度大小。同時將50組濁度傳感器連續測定3次得到的平均值與同條件下HJ 1075—2019《水質 濁度的測定 濁度計法》測得的標準值[28]進行對比分析，誤差最高不超過±5 NTU，可滿足日常野外測定的要求。

4.3" pH測定實驗

pH測定直接在野外環境下進行，將采樣船實時測定的結果與岸上人員使用GB 6920—86《水質pH值的測定 玻璃電極法》測得的標準結果[29]進行對比。結果顯示，50組不同采樣點連續測定結果中，最大誤差不超過±0.11，精準度高，能在滿足在常規野外環境條件下使用。

5" 結束語

本文設計了一種無人船濕地環境監測系統，集合上位機軟件、傳感器技術、無線通信技術和潛水泵技術于一體，用于彌補傳統監測方式耗時長、成本高、安全性差的缺點，同時克服了Wi-Fi技術通信距離短，GPRS技術受地域限制，STM32單片機成本高、功耗高的不足。系統由上位機軟件與搭載nRF905的單片機之間的無線通信進行船只航速航向以及水樣采集過程控制;由上位機軟件與HC-12之間的無線通信進行GPS定位以及水質監測數據的收發。實驗證明，水樣采集順利進行，監測數據準確度高。系統提高了工作效率，提高危險地帶的監測工作安全性，既實用又經濟，但是對于水草茂盛地區，可能會出現螺旋槳卡死的問題，需進一步調整以適用于多種復雜環境。

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第一作者簡介：黃濤（1995-），男，碩士，研究實習員。研究方向為環境監測。