1、在 21 世纪，我国踏入经济高速发展时期，各类大大小小企业随之建立，全方面塑造我国旅邯佤践进入工业化时代。但我国大部分企业忽视对屡郭瓜开排放污水的治理，随意将工业废水排放湖泊河流中，致使大量可饮用水源遭受，水环境污染问题愈发严重，水质监测也显得愈发重要。本文结合国内外移动在线水质监测系统的研究现状，设计了一种基于无人船的水质监测系统。该新型水质监测移动系统可以用于处理突发的水质污染事件，实时移动追踪污染源，监测可饮用水源的日常水质。该基于无人船的水质监测系统具有体积小可被放入车辆携带、低成本、高精度和高速度检测和可远程控制等优点，丰富我国的水质监测方式。但由于水的流动性导致水会流经多种复杂地形，工作人员无法探测，如水流经洞穴等。或又由于天气的多变，如水域长期处于多雾天气，使工作人员视线受阻，无法准确对无人船实时操作。可以利用无人船的自主航行到达目标水位进行检测，则可以通过路径规划技术加以实现。水资源在地球表面的占用面积多达 72%，是生物体的生命构成和生存活动的物质基础，也是生态系统得以持续发展的重要条件，故地球上生物的生存无法脱离水的存在。然而地球上 71%的水资源是人类无法饮用的海水资源，所以提供给人类饮用的淡水资源是极其匮乏的，仅占地球水资源的 1%。中国的水资源总量虽然很丰富，位居全球前四名，但由于庞大的人口基数下，我国人均淡水资源极为贫乏，仅有 2300 立方米。随着社会和经济的快速发展，我国城市居住区域以及工业区域面积日益增长，人们的生活和工业用水量成指数型增长，导致淡水资源总量与社会淡水需求总量形成重大偏差。于此同时，生活废水、工业废水等导致的我国水污染情况仍然在逐年增长。这不仅威胁到了我国国民的用水安全和生命健康，还对我国经济发展和社会活动造成了困扰。因此解决水资源污染问题将成为现在刻不容缓的第一大任务。2000 年以来，我国积极针对水污染情况建立相关项目，先后将黄河中上游、渤海、三峡库区及上游等作为水污染治理的重点领域进行展开治理，对流域水环境质量的改善有着重要的影响。2008 年，国务院设立“水专项”项目，旨在为监控和治理水体污染提供科技支撑。2012 年，国务院要求进一步加强污染源监控，提高对主要污染物的减排力度。针对水污染问题，目前我国主要使用的水质环境监测方法主要分为三种：实验室监测方法、移动监测方法[8]和自动监测站检测方法。 实验室监测方法就是工作人员通过租赁船只到达采样点进行样本采样，然后在实验室对采集到的水样对水质进行详细的水质分析并生成报告。其主要用于环保部门对水质进行周期性监测和评估，这种方法的监测结果准确性一般都比较高，但是整个过程非常费时费力，每次监测的成本都很高。此外，实时性差也是一个关键问题，对于预期之外的污染事故常常无法进行及时预警，导致不可估计的损失。还有诸如监测员的工作环境和人生安全缺乏保障、检测数据无法得到信息化管理等都是该方法不得不应对的棘手问题。 建立水质检测站进行水质检测的方法是我国目前主要推广的水质检测方法。这种方法可以很好的抵抗外界环境的干扰，提高了水质数据的监测精度。缺点是工作人员需要在各个采样点建立相关监测站点，以及日后需要进行维护投入，这大大的提高了水质监测的投资和维护成本。建立监测站不但会对附近水域的环境带来不好的影响甚至是破坏，而且要想对大范围的水域进行检测，单个的水质检测站是完全不够的，需要投入更多的资金成本来扩大站点的建设规模和数量。移动监测方法是专为应急性和周期性的水质巡检设计的，其方式主要有两种，一是检测者使用移动监测船对待测点的水质进行样本采集和分析工作，二是手动控制专门装备有用于监测水质的传感器的无人设备到待测水域的水质进行采集和分析。其优点是移动装置的成本较低、灵活性较好、可以实时返回数据、监测范围广泛等在无人化技术成为时代趋势的前景下，可便携、高精度监测移动平台已成为水质监测的一个研究热点。水面无人船（Unmanned Surface Vehicle，USV）是一个包含材料工程、船舶工程、人工智能、信息处理等相关专业的混合工程，是一种可以进行自主航行，完成各种监测任务的移动平台[14]。无人船在无人技术领域中，以其对水面环境特有的适应能力和高智能化、自动化水平等优势被广泛应用于水质监测、气象预警、安防巡逻和海事搜救等领域，解决了人们需要面对高难度和高危险的工作环境问题，拥有广阔的应用前景。 但由于水的流动性，可以流经多种复杂地形，工作人员无法探测，如水流经洞穴时等；或又由于天气的多变，如水域长期处于多雾天气，使工作人员视线受阻，无法准确对无人船实时操作，可以利用无人船的自主航行到达目标水位进行检测，则可以通过路径规划技术加以实现。 本文设计的水质监测系统是根据以上三种监测方法的基础上，结合实验室现有的条件，以无人船作为载体，搭建智能无人船移动水质监测平台，用于解决传统上水质监测所存在的问题，并对无人船的路径规划方法进行研究优化。
2、水质监测无人船总体结构本文的智能水质监测平台是基于无人船进行设计开发的，主要考虑了无人船的以下特点：1.无人船尺寸小，不但可以监测大范围水域，也适合狭小水域作业。2.无人船设备操作便携灵活，只需工作人员远程遥控作业而不必亲自下水，大大降低了工作人员的自身安全隐患，并且可以提高水质监测的效率。另外，基于无人船的智能水质监测平台是传统监测模式的一个补充监测手段，不是替代，为了提高水质监测的准确性和机动性。无人船智能水质监测平台主要包括以下几个组成部分：监测不同水质参数的传感器、监测终端、手持终端设备、监控平台中心以及无线通信模块。1）监测终端监测终端主要由嵌入式主控板、动力电机、转向舵机、GPS 模块、SD 卡和无线模块等组成。通过手持终端发送控制指令，再通过无线模块接收指令进而控制监测终端，水质监测传感器监测到的数据通过 GPRS 网络模块发送到控制中心。监测终端根据接收到的指令执行相应的操作，发送相应的控制指令。控制指令是由嵌入式主板提供的多种接口以及各个模块提供的。动力电机也受主板的控制，主要控制无人机基础的前进、后退、转向，换挡等功能。GPRS 模块用于实现对移动平台的定位。SD 卡用于存储移动平台的位置信息、方向信息和采集到的水质信息。2）监控中心由 PC 机和设计好的控制软件等部分组成监控中心。PC 机可接入 Internet 网络，再通过 GPRS 与监测终端通信。控制软件用于显示通过 GPRS 接收到的 GPS坐标、移动方向以及水质监测数据等信息，并通过国家水利局发布的水质污染等级对采取到的水质参数进行评价分类，同时也会被存入水质数据库中分类管理。3）手持终端手持终端设备主要通过无线模块传输由用户发出控制指令到移动监测平台，从而实现对无人船移动监测平台的远程控制。
3、2 无人船船体结构设计2.2.1 船体模型设计本文设计无人船船型采用单船体流线型，该船型具有重心低、航行稳的特点，其模型尺寸大小为 3000px*800px*1125px，吃水线为 150px，重量为 6kg。此次无人船水质监测平台的船体及内部构造均按照要求进行设计规划。其中船型采用单船体流线型，该船型具有重心低、航行稳的特点。整艘无人船可以抵抗4级以下大风，可以承载大于10公斤的重量，在设计上注重了防沉、防颠覆、防水的特性。在材质上选用防水木材，其质量较轻便于开模，且在其表面涂上具有防腐、防磨损等特性的油漆。此次无人船水质监测平台的船体及内部构造均按照要求进行设计规划。2.2.2 动力模块与转向控制模块无人船的动力系统设计主要包括发动机、转换器、尾轴以及螺旋桨四个部分组成。汽油发动机采用的是 168F 单缸四冲程风冷汽油发动机，拉力启动，排量为 211CC，输出功率为 2.5KV，额定转速 3000 转，可带动水下推进器正反转，另外还可以利用 PWM 调节其转速。船体转向是由控制舵机来完成无人船的航行角度，本系统采用 HS-425BB 型舵机，支持 PWM 控制，根据需要变换角度并保持角度。舵机是一种位置伺服的输出执行机构，其内部的基准电路能产生20ms 周期、1.5ms 脉宽的基准信号，脉冲宽度因转动角度不同而不同，0.5ms 对应 0 度，2.5ms 对应 180 度，呈线性变化。外部的控制信号输入到舵机中，首先经过信号调制获取偏置电压，然后与电位器的电压相比较，输出电压差，电压差的正负决定内部电极的正反转。2.3 无人船核心控制模块作为移动平台的主要控制中心，监测终端是核心部分。其主要功能是监控中心或者手持终端的信息接收与执行，根据移动平台的运动状态、定位导航、水质传感监测以及数据通信等功能来完成需要执行的动作根据功能要求，本研究所需要的硬件电路主要构成部分包括嵌入式主控板、电子罗盘、GPS 模块、无线模块、RS485 接口、SD 卡、电源模块等部分。考虑到外围电路较为复杂，包括控制多路直流电机和多路通信接口，本研究的嵌入式主控板处理器选择的是 TI 公司研发生产的 C2000 系列中的TMS320F28035 处理器。
4、4 水质参数采集模块本系统结合要求选取了四种水质传感器，分别包括溶解氧、PH 度、电导率、温度和浊度五类数据，下面要具体阐述各类传感器的硬件接口及特点。2.4.1 溶解氧传感器及接口电路溶解氧采用 ZA-DO-A101 智能传感器，采用高精度 DO 电极，RS-485 接口输出，支持标准的 Modbus RTU 工业数据总线协议，能够完成溶解氧数据采集、温度自补偿功能。传感器工作电压 5V，使用 485A+，485B-进行通讯。
5、4.2 电导率传感器及接口电路电导率采用 ZA-CDT-A102 智能数字传感器，采用高精度电导率电极，RS-485 接口输出，支持标准的 Modbus RTU 工业数据总线协议，能够完成电导率数据采集、温度自补偿功能。传感器工作电压 5V，使用 485A+，485B-进行通通讯。2.4.3 PH 传感器及接口电路酸碱度的数据获取使用的是 ZA PH A101 − − 智能数字传感器，采用高精度PH电极，RS-485 接口输出，支持标准的 Modbus RTU 工业数据总线协议，能够完成电导率数据采集、温度自补偿功能。传感器工作电压 5V，使用 485A+，485B-进行通讯。2.4.4 浊度传感器及接口电路浊度传感器采用的是 JZ-WQZ 智能数字传感器，采用高精度浊度电极，RS-485 接口输出，工作电压 5V，连续工作方式，0~1000mA 线性输出，能够完成浊度数据采集、温度自补偿功能。
6、5 无人船 GPS 定位模块GPS 由空间卫星、控制设备和用户设备三部分组成，GPS 卫星不断向地面发送导航信号，在地面的任何位置只需根据接收机接收的 4 颗不同的卫星发送的信号就可以解算出接收机当时当地的三维位置。GPS 定位由于其定位范围广、不依赖监控中心和定位精度相对较高的优点，在各行业都有广泛的应用。本文选择韩国 GSTAR 公司的 GS-89 芯片来设计 GPS 模块，GS-89 是一个高效育艺、三代低耗电的智能型卫星接收模块，它内部采用美国瑟孚 SiRF 公司所设计的第三代 GSC4f 卫星定位接收芯片，是一个完整的卫星定位接收器，快速定位及追踪 20 颗卫星的能力。芯片内建有 ARM7TDMI CPU 具备全方位功能、可符合客制需求，内建 200000 个卫星追踪运算器，大幅提高搜寻及运算卫星讯号能力。GS-89 芯片有专门的信号发送和接收通道，在实际使用时，用户只需要接收芯片的信号发送通道所发送的 GPS 定位信息，然后对定位信息进行解析即可获得 GPS 坐标。采用 GS-89 芯片所设计的 GPS 定位模块的GPS_RXDA 和 GPS_TXDA 为芯片首选信号接收和发送通道。当芯片上电后即开始搜索定位，当芯片搜星成功后，读取管脚 GPS_TXDA 输出的 GPS 定位信息就可获得此时的 GPS 坐标。GS-89 芯片的数据输出格式有 GPGGA，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG，GPGLL 可选，GPRMC 代表 GPS 推荐的最短数据，因此本文选择对 GPRMC，数据格式进行解析。
7、6 数据存储模块2.6.1 SD 卡模块本文的移动平台，为了保证数据的真实性以及原始性，在采集过程中就需要将采集样本的数据以及采集样本的位置数据进行储存，而在距离自主导航距离较远的情况下，因为无限模块的数据传输受到限制，则需要存储器对于即时获取的数据进行存储，需要 SD 卡模块来满足该需求。在使用过程中，可以发现，以 Flash-Memory 作为存储主体的 SD 卡体积较小，消耗较低，可擦写，同时还具备非易失性的特点，在电子产品中的使用较为广泛，在数据采集量较大以及采集时间较长的情况下，可以选择 SD 卡作为存储的媒介。本系统采用 SD 卡作为数据存储模块，实物图如图 2.10(b)所示。SD 卡是基于 Flash 的存储卡，使用卡内智能模块执行数据存取、ECC 算法、缺陷处理和分析。SD 卡采用单主多从结构，每个卡的 CID 寄存器有唯一的卡标识号，用来区分不同的卡。CMD 是双向信号线，主机和卡通过 push pull 模式工作。DATE0~DATE3 是双向数据线，CLK 是时钟从主机到卡的信号。SD 卡在 3.3V下即可正常工作。2.6.2 RS232 接口由于管脚 GS-89 芯片的输出电平为 TTL 电平，不能直接与嵌入式主控板相连，因此需要将 TTL 电平转换成 RS232 电平，通过 RS232 接口向主控板发送GPS 定位信息。同时无线模块也需要通过 RS232 接口与主控板相连进行数据通信。由于 TMS320F28035 的串口资源有限，因此通过 TMS320F28035 的一个GPIO 端口 PAI 控制CD4051模拟开关，用于选通无线模块和 GPS 模块，这样无线模块和 GPS 模块便能共用一个 RS232 接口。由于 GPS 模块只对外输出 GPS信息而不接收信息，因此 CD4051 仅用于选通无线模块和 GPS 模块的输出端口。
8、7 超声波模块超声波测距的原理非常简单，在以空气为介质的情况下，超声波的传播速度是已知的，超声波被发射出后，遇到障碍物就被反射回来，而超声波在发射到反射回来的骀旬沃啭时间是可以测量的，计算超声波传播速度和时间乘积的一半即为测量点到障碍物的距离。测距任务开始后，需要为 Trig 提供一个 10us 以上的脉冲信号，以触发模块内部发出 8 个 40k Hz 的电平，然后检测是否有回波信号。当检测到有回波信号后，则由 Echo 输出回响信号，此回响信号高电平的时间可由计数器获得，并且此时间与所测距离成正比。2.8 手持终端模块本终端的手动控制系统主要就是手动控制箱，其中包括 170Mhz 无线通信、电源、油门和方向等部分组成。油门控制采用单轴操纵杆上下转动，操纵杆往上加大油门加速，往下减速，不回位。输出电压为直流 0-5V，输入电压为直流 5V或 12V。通过二维操纵杆以及自动回位的设计实现整体的左右控制。控制工作原理：控制芯片采用 ADC 不间断采集操纵杆电压变换量，得到相应的十六进制数据变量。这种方式的主要特点在于可以进行点与点之间的数据对应传输，不需要中转站的过程，可以加快整体的传输效率，降低运行的时间成本以及速率成本。2.9 电源模块因为本研究的目标系统是可移动的，因此在供电方面要首先摒弃固定电源，选择可便携的锂电池。 在本研究中所选用的是单个锂电池输出电压，而系统当中的不同构成部件的参数不同，需要的电压也不同，则需要电压转换芯片进行转换，选择型号为 LM2596S 芯片。由于总电压为 12V，需要降压用于供给微处器核心板、3G 通信模块和 GPS 模块等，5V 电压用于 USB 接口等，12V 电源用于转向模块的供电。监测数据采集水 质 传 感器测 到 的 水 质 参数 需 要通 过 无 人船控 制 单 元 和 无线 传输单 元 上传 到上位 机 界面 ， 并能 显示在 对应显示 栏 中 。 为实 现 以 上 功能 ， 需要 在无 人船 内 搭建一个水质 监测 传 感器 数据采 集 板， 并 且通 过传 感 器 的 数 据通信协 议获取监测 数据 。 因 传 感 器采 用 ＲＳ ４８ ５ 通 信 模式 ， 所 以 在 无 人 船 内 搭 建 了 ＲＳ ４９５ 总 线 网 络 。 监 测 到 的 数据 要符合 国 家环境 保护 行 业 标 准 ＨＪ ／Ｔ ３ ５ ６ －２ ００ ７ （ 《 水 污 染源 在线 监 测 系 统 数据有效性判别技术规 范 （ 试 厅 ） 》 ）