多場景水文氣象檢測船系統設計

摘 要：我國擁有豐富的內河以及海上水域資源，針對近年來水質污染問題，利用物聯網技術設計了多場景水文氣象檢測船。應用4G無線通信作為水文氣象檢測船與數據庫的數據傳輸路徑，檢測船由運動模塊部分、水質檢測部分、氣象檢測部分、MySQL數據庫部分、網頁端部分組成。通過遙控操作檢測船實現了運動式的水文數據、氣象數據檢測，并實時上傳至數據庫，有效提高了水文氣象監測的網絡覆蓋范圍，優化了數據云存儲功能，可顯著提升水域環境的監控效率并降低成本。

關鍵詞：物聯網技術；北斗定位；無線通信技術；傳感器；水質監測；MySQL

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-00-03

0 引 言

近年來，中國的長江、黃河流域和雅魯藏布江以及幾乎所有世界主要大河，都頻繁出現了重大的飲用水污染事故[1]。例如：2020年3月，某礦業有限公司尾礦庫發生泄漏，造成依吉密河至呼蘭河約340公里河道鉬濃度超標，受影響人群約6.8萬人、農田約4 312畝、林地約6 721畝。目前，針對水資源污染狀況的水質監測主流技術包括兩種

類型：

（1）離線型檢測技術，即通過現場采集或其他路徑獲得水質樣本，采用不同的分析方法對水質情況進行檢測；

（2）在線型檢測技術，即利用現場監測設備對水質樣本進行分析，并傳送數據至存儲中心[2]。

國外在水質監測系統領域的研究與發展相對較早和成熟，例如法國SERES公司生產的COD在線測定儀就可實現對水體中化學需氧量的在線監測[3]。國內的研究也在不斷發展，從早期的人工檢測方法到如今采用嵌入式系統技術開發的水環境監測信息系統。浙江理工大學的劉燕娜等設計的水質在線移動監測系統是針對靜態離線水質監測方法存在的如采樣誤差大、監測頻次低、無法反饋水質狀況實時的連續動態變化等問題的解決方案[4]。中國船舶科學研究中心的苗飛等人，設計了基于自主控制技術的水質監測無人船，其平臺搭載水質監測設備，實現了走航式在線水質監測[5]。山東科技大學的李超凡等，設計了基于鴻蒙OS的多源數據融合水質監測系統，通過隸度中心法、加權平均法和D-S證據理論等方法，對水質監測數據進行綜合

分析[6]。

在此大背景下，文獻[7]設計了一種應用于多場景的水文氣象檢測船，通過GPS/北斗定位模塊、姿態傳感器、激光測距傳感器、無刷電機、控制器等實現了遠程運動控制與避障，文獻[8]結合搭載的各種傳感器實現了對水域的水文數據如pH、TDS、濁度等與氣象數據如氣壓、風速、風向等的測量與采集，通過水質取樣系統，實現了對目標水域的水質取樣，進而對水體樣本進行成分分析。此外，4G無線通信技術也被廣泛應用于數據遠程傳輸，將數據通過云端傳輸至MySQL數據庫儲存[9-10]。

1 總體設計

系統的核心控制采用STM32F407芯片，該芯片具有豐富的外設資源，用于連接各模塊通信。該設備由運動模塊、水質檢測部分、氣象檢測部分、MySQL數據庫、網頁端組成。運動模塊、水質檢測部分和氣象檢測部分為硬件部分，MySQL數據庫與網頁端為軟件部分。控制人員操作控制器發射控制信號控制檢測船運動，更換數據檢測地點，水質檢測與氣象檢測部分持續采集并處理數據，4G模塊將數據打包通過MQTT協議發送至服務器，服務器驗證數據格式，正確無誤后保存在數據庫內，網頁端通過API獲取數據庫數據進行展示、分析。管理員在網頁端對數據安全范圍進行限定，當檢測到數據超出設定的安全值范圍時，網頁端警示功能將被觸發并提醒管理員注意異常情況。系統架構如圖1所示。

2 硬件設計

水文氣象檢測船硬件分為運動模塊、水質檢測部分、氣象檢測部分。這些模塊通過系統集成在一起，快速采集和檢測相關指標。硬件結構如圖2所示。

2.1 運動模塊

運動模塊由驅動電機、GPS/北斗定位模塊、姿態傳感器、激光測距傳感器、水浸傳感器、控制器與接收機組成。

定位模塊采用EC20集成的多星座GNSS接收機，支持NMEA-0183協議，通過串口接收GPS數據，經計算后得出經緯度、海拔等信息。

姿態傳感器可輸出三軸陀螺儀數據與三軸加速度數據，配合姿態解算，可以輕松觀測檢測船實時的姿態信息。

激光測距傳感器實時檢測前方障礙物距離，通過水浸傳感器預防船艙內出現滲水等問題，控制器與接收機對檢測船的航向與姿態進行校正。

2.2 水質檢測

水質檢測的主要工作是測量水體的濁度、pH值、TDS值、溫度。通過驅動水泵將采樣河水吸取到儲水袋中保存。

所用的傳感器包括以下幾種：

（1）pH傳感器采用E-201-C型pH復合電極，通過測量電極之間的電位差來檢測溶液中的氫離子濃度，測得液體的pH值。

（2）DS18B20溫度傳感器采用單總線進行數據收發，返回16位二進制數值，端口具有防水功能，滿足水下測量工作需要。

（3）TDS傳感器用于測量水中的溶解性固體總量，TDS數值越高，表明水中的溶解物質越多，水質越不潔凈。

（4）濁度傳感器采用TSW-30型傳感器，通過判斷溶液中的透光度和散射率來測量水質濁度。

2.3 氣象檢測

氣象檢測部分的主要工作是測量水面的風速、風向、氣壓值與溫濕度信息。壓力傳感器MS5837使用I2C總線接口，提供精確的數字式24位壓力和溫度值，具有一階補償算法與二階補償算法，用于獲取更真實的數據。DHT11溫濕度傳感器基于熱敏電阻和濕敏電容技術實現，輸出二進制信號，采用單總線通信協議，結構簡單，廣泛應用于多種測量場景。

風速傳感器通過旋轉測桿來測量風速，內置控制電路將測量的模擬量信號轉換成數字信號。風向傳感器通過內部裝置將風向轉化為模擬量信號，再轉換為數字信號傳輸。兩種傳感器均采用RS 485接口的ModBus-RTU通信協議與STM32及逆行雙向通信。ModBus-RTU是一種主從通信協議，ModBus有一個主機，可以進行通信的主動要求，其他從機只能對主機進行響應而不能主動發送數據到通信總線。此舉規定了通信過程中的通信次序等關系，避免同時工作的情況下通信沖突的產生。

3 軟件設計

軟件部分由MySQL數據庫和網頁端構成，其中數據通過4G模塊發送至服務器，由服務器將數據轉存到數據庫。通過API接口，網頁端可以獲取數據庫中的數據，并進行展示。這種方式的優點是可以方便地對數據進行處理和管理，提高數據的安全性和可靠性。

3.1 無線通信

為實時記錄檢測船的各項數據，使用4G網絡進行數據上報。EC20型號的4G模塊是一款支持LTE、UMTS和GSM/GPRS網絡的模塊，采用多輸入多輸出技術（MIMO）降低誤碼率，從而改善通信質量。該模塊能夠保證即使在網絡信號不穩定的區域，也能確保數據傳輸的實時性、穩定性。

3.2 MQTT協議

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport， MQTT）是一種基于發布/訂閱范式的輕量級通信協議，該協議面向物聯網設備，具有低開銷、低帶寬占用等優點，能夠提供實時、可靠的消息傳輸服務，適合在網絡帶寬較小且不穩定的環境下通信。

3.3 服務器與數據庫

服務器選擇基于騰訊云的輕量型應用服務器。它具有輕量級、易于運維、一鍵部署等特點，適用于小型網站、云端開發測試等場景。此外，該服務器可以快速啟動，免去了繁瑣的安裝和配置過程，開箱即用。因此，我們可以很方便地搭建輕量級應用系統，從而降低維護成本，提高開發效率。采用MySQL數據庫，其具有性能卓越、服務穩定、開放源代碼、自主性高、成本低等優點。

3.4 網頁端開發

前端使用Vue.js，其豐富的組件庫和熱部署可以高效進行頁面的設置，使頁面變得精致，并與后端數據綁定。對于后端開發，采用SpringBoot、MyBatisPlus、Maven等實用工具。對于前后端的數據交互采用Axios。圖3所示為數據庫儲存的部分數據，保存傳感器數據的同時還記錄了數據上傳的時間、上傳時的話題與QoS（Quality of Service），通過話題查詢來區分不同設備上傳的信息。

3.5 可視化數據大屏

圖4所示是可視化數據大屏，可將終端設備傳回的水面氣壓值、pH值、溫濕度、風速風向、TDS值以及水質濁度的實時信息進行動態化展示，相較于網頁端記錄式的數據查詢，可視化數據大屏對數據顯示更直觀，如檢測結果出現明顯偏差時，操作手可以第一時間對檢測過程進行調整，避免采集大量無效數據。當進行實地實時采集數據時，使用數據大屏更便捷，一次采集完成后，處理分析數據時使用網頁端則可對歷史數據進行查閱、篩選。

4 結 語

本文提出了一種應用于多場景水文氣象檢測船的設計方案，詳細介紹了各項軟件以及硬件功能的實現。系統由嵌入式STM32單片機控制檢測船完成水質、氣象測量工作，可在Web網頁與可視化數據大屏查看傳感器測量數據。系統具有船只定位、船身姿態判斷、風速風向監測等功能，并帶有設備檢測記錄與日志，便于管理員復查數據。通過無線遠程操作實現手動巡航，操作方便，穩定性與實用性高。在線檢測船是對傳統水質監測方式的有效補充和智能升級，為河流與湖泊水文數據、氣象數據的檢測、勘探提供了新的解決方案，具有一定的應用價值。

注：本文通訊作者為吳有龍。

參考文獻

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