智能水质监测航船模型研发

刘晨 杜鹏

摘要：针对现有水质监测方式对小型水体（大池塘或小型水库）水质监测存在的实时监测布点困难、速度慢等缺点，以能遥控并能GPS定位的航船模型为载体，研制具有实时进行常规水质参数监测和通讯的智能水质监测系统，实现对小型水体水质的快速实时和移动定点监测。从而保证对辖区内的水质实施全天候、全时段的动态监控，随时掌握其变化趋势，以便控制污染程度。

關键词：给排水科学与工程 智能水质监测航船模型 程序集成 智能水质监测系统 航船模型

中图分类号：R181 文献标识码：A 文章编号：1009-5349（2018）19-0255-02

智能系统用于水质监测早已不是什么新鲜事，比如在需要监控的地点设立监测站实现实时快速监测。而设立固定监控站，虽然能实时对区域的监控点水质进行监测，但其灵活性差，不能对监控点外的水域进行实时监测。若要对一定面积的水域监控的话，则需布设较多的测点而导致费用上升。另一方面，目前国内外现有的对水体移动式监测平台，均以载人航行的船只为载体，因此，只适用水面宽广大型水体。对大型池塘或小型水库的水体等不便于载人船舶航行的水体，显然不适应。虽然目前文献中有漂浮式检测装置的报道，但其不具行走动力而靠人力通过绳子控制，且无定位功能。针对这些缺点，以能遥控并能GPS定位的航船模型为载体，研制具有实时进行常规水质参数监测和通讯的智能水质监测系统，实现对小型水体水质的快速实时和移动定点监测。

一、现代科技支持

（一）产品依托

1.单片机

把一个计算机系统集成到一个芯片上，相当于一个微型的计算机。单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

2.传感器

在微处理器和传感器变得越来越便宜的今天，全自动或半自动系统可以包含更多智能性功能，尤其是MEMS（微型机电系统）技术，它使数字传感器的体积非常微小并且能耗与成本也很低，并能从其环境中获得并处理更多不同的参数。对于水中部分物质指标的分析，运用传感器已经基本能够实现，随着科技发展，传感器的功能和效率也将有显著提高，在水质监测方面的运用也将普及。

3.GPS系统

GPS即全球定位系统，目前已广泛运用于工业、林业、军事，在家用这个领域特别是在定位导航这个方面发展迅速。而对于我们所使用的GPS天线来说，绝大部分为右旋极化陶瓷介质，其组成部分为：陶瓷天线、低噪音信号模块、线缆、接头，它是一种GPS的终端，可用于接收GPS传输的数据。由于其具有体积小、精度高、价格低等优点，若将GPS模块安装在船模上，通过单片机及远程终端的处理及控制，可以实现对船模时间及空间位置的实时定位。

（二）技术手段

在编写软件之前，首先要确定一些常数、地址，事实上这些常数、地址在设计阶段已被直接或间接地确定下来了。如当某器件的连线设计好后，其地址也就被确定了，当器件的功能被确定下来后，其控制字也就被确定了。然后用文本编辑器（如EDIT、CCED等）编写软件，编写好后，用编译器对源程序文件编译，查错，直到没有语法错误，除了极简单的程序外，一般应用仿真机对软件进行调试，直到程序运行正确为止。运行正确后，就可以写片（将程序固化在EPROM中）。程序系统完成以后，将其烧到单片机内，并进行调试。

二、航船模型的设计制作

参考现有的各种市售航船模型，选用并改造，最终形成如图1系统。

图1系统结构方案

（一）船模改造

（1）将单片机安装在船模内部，并将GPS模块连接到单片机上，实现对船模的定位功能。为了使船模实现自主运行功能，船模的运行靠马达和舵机驱动，船载单片机直接控制马达和舵机，达到控制船模航向及速度的目的。

（2）在单片机上安装无线通讯模块，此模块除了将传感器采集的水质信息和GPS的位置信息传输至远程控制终端外，还能接收从远程控制终端传来的命令。

（3）将小型升降台固定在船模前方，将传感器的数据线缠绕在其滑轮上（如图2）。单片机能对小型升降台运行进行控制，从而获取不同液位水质信息（深度信息由液位传感器提供）。传感器信息输入给单片机，由单片机进行A/D转换，转换成可处理和传输的数字信号，通过无线通讯模块传输到远程控制终端进行处理。

在船模上安装一个较大容量的锂离子电池组，用于单片机及船模上其他设备的供电。对单片机和其他电子模块适当密封设计，并进行防水保护。

（1马达，2滑轮，3传感器）

图2 传感器升降台示意图

三、水质监测系统研制

（一）无线信号传输

船模与远程控制终端之间的信号传输通过无线通信完成。单片机将液位传感器、浊度传感器、温度传感器、溶解氧传感器、PH值传感器以及GPS上的所有信息初步整合并处理后，通过单片机将传感器上原有的模拟信号转换为数字信号，并通过无线数传模块将信号发射出去。无线数传模块采用433MHZ频段的无线数据传输模块，此频段下的无线通信系统具有成本低廉、适应性好、扩展性好的特点。而在远程控制终端处连接一个配套的无线通信模块，通过此模块，可以接收单片机上传输过来的数字信号，并通过所开发的软件在远程终端的界面上显示出来，对相应数据进行分析处理。

（二）信号处理与运行控制

1.信息处理

用于对系统信息显示以及存储功能的实现。船载单片机将船的空间位置及各个传感器的水质信息通过无线通信模块发送至远程终端。远程终端将对其首先进行滤波处理，再将信号转换成图像或数据，通过远程终端显示出来，并对信息进行存储，自动生成数据报表，以便工作人员随时查阅和分析。

2.船模运动控制模块

此模块用于对船模运行进行控制。工作人员在远程终端上输入指令，通过无线通信和船载控制系统，可实现对船模运行的方向、位置以及传感器入水深度进行远程控制。對于此船模，我们使用两种控制方式：

（1）规划控制。在个人终端上我们运用GPS对实验水域进行定位，将船模运行的时间以及路线等指令输入远程终端，再通过无线模块将指令传输至船载单片机，单片机对相关指令进行处理后可以控制船模按照规划指令进行运动，实现定时定点采集水样。

（2）遥控控制。当所要到达水域情况复杂难以提前设计时间路线，或者出现GPS突然损坏等突发事件时，可以采用遥控控制。通过GPS以及控制软件等相关组件，可以将船模的位置信息实时显示在远程终端上。操作人员在远程终端上直接进行操作，通过远程终端、单片机等的处理，可实现对船模的远程实时遥控，根据指令实时进行水样的采集和船模的运行

（3）无线通讯。此模块用于对船模数据和相关信息双向通讯功能的实现，实现船载单片机以及远程控制终端之间的点对点通讯，即实现两者连接的建立，对其运行进行管理，以及相关数据、信息、指令的双向收发。

四、结语

本项目创新性地提出将航船模型进行改造，与常规水质检测系统集成，研制具有实时进行常规水质参数监测和通讯的智能水质监测系统。该项目具有如下特点：

（1）实现对小型水体水质的快速实时和移动定点监测。作为水质监测的工具，航船模体积小，并可实现远程操控和GPS定位，因此能够更加灵活、高效、快速地对小型水体选定水域的选定监控点进行实时监测，解决了国内外现有的以载人船只为载体的对水体移动式监测平台，只适用水面宽广的大型水体而难于对小型水体检测的问题；其GPS定位和动力遥控功能又是国内研制的水质监测漂浮装置所不具备的。

（2）目前国内外在水质监测系统上的研究和应用已经从传统的人力监测发展到现今的在线监测，在线监测具有传输数据及时、运行稳定可靠的特点。本项目运用无线通讯技术传输水质信息，不仅保证了原有的优点，同时解决了布线繁琐、网络维护困难、人力物力资源消耗量大等问题。

根据有关文献与数据库查询，尚未发现兼具上述特色的成果报道。由于运用传感器获取水质信息，而相关传感器类型有限，不能对所有水质成分进行分析，本系统扩展功能有待研发。

参考文献：

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[4]罗东云，蔡苗苗，李丽霞.鄱阳湖水质检测的无线传感网络设计[J].电子技术应用，2009，35（10）：113-115.

[5]百度百科.水质检测[OL].http：//baike.baidu.com/view/2143132.htm.

[6]百度百科.单片机[OL].http：//baike.baidu.com/view/1012.htm. 责任编辑：张蕊