晏宜曦　周冉旸　成定航　陳明明

摘要：隨著工業(yè)進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展，水污染亦日趨嚴(yán)重，受污染的水域中除重金屬外，還含有很多農(nóng)藥、化肥、洗滌劑等有害殘留物。為了解水質(zhì)，擬設(shè)計(jì)一種可以攜帶深水采樣器、水溫和PH采樣傳感器的小型智能探測(cè)船。同時(shí)，在沼澤地、內(nèi)陸湖泊等一些大型船只無(wú)法工作的環(huán)境勘探中，科考團(tuán)隊(duì)也急需要一批具有一定人工智能的遙控探測(cè)船，以減少他們?cè)谝巴饪碧降墓ぷ髁?、增加工作的安全性?/p>

關(guān)鍵詞：FPGA；ZigBee；水樣采集；智能控制；探測(cè)船

本設(shè)計(jì)所要研發(fā)的無(wú)線智能探測(cè)船正是在廣泛研究相關(guān)技術(shù)和國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上提出的。本設(shè)計(jì)利用ZigBee短距離無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，大大減少了系統(tǒng)的設(shè)備量，而且使系統(tǒng)安放靈活，便于移動(dòng)；采用FPGA開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)出具有優(yōu)良人際功效、智能控制的無(wú)線探測(cè)船。FPGA作為整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控中心，負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行智能控制。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠，快速高效，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無(wú)線智能探測(cè)船系統(tǒng)由兩大部分組成，即遠(yuǎn)程無(wú)線控制中心和智能探測(cè)船，擁有無(wú)線射頻遠(yuǎn)程數(shù)傳模塊、基于自適應(yīng)模糊HD算法的船體控制模塊、溫濕度探測(cè)模塊和舵機(jī)控制模塊、以及LCD顯示。

通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線控制中心，對(duì)探測(cè)船進(jìn)行有效的運(yùn)行控制和科考活動(dòng)，同時(shí)探測(cè)船不斷地將探測(cè)船的船體運(yùn)行狀況、船載各模塊工作狀況及各科考傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給遠(yuǎn)程無(wú)線控制中心。根據(jù)船體各部分狀況傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA通過(guò)自適應(yīng)模糊HD算法對(duì)直流電機(jī)、方向舵進(jìn)行精確控制，確保船體的穩(wěn)定性和安全性。

1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

各子模塊的實(shí)現(xiàn)方法：

本設(shè)計(jì)在船體結(jié)構(gòu)方面為了保持航行與工作的穩(wěn)定，船的最高航速6km/h。船體尺寸為500*160*130毫米，以較寬的船體來(lái)承受現(xiàn)實(shí)環(huán)境中較大風(fēng)浪的情況，上蓋可以拆卸，能獲得較大的裝載空間。為了節(jié)省時(shí)間和成本，本設(shè)計(jì)采用的船只為市場(chǎng)上性價(jià)比較好的遙控船，方便組裝和量產(chǎn)。

為了使該系統(tǒng)簡(jiǎn)潔且便于操作，本設(shè)計(jì)的水樣采集由電機(jī)組和自動(dòng)采水器組成，待到指定深度，打開采水器水閥門完成后關(guān)閉并返回水面。利用直流電機(jī)，將水溫傳感器等相關(guān)實(shí)時(shí)測(cè)量設(shè)備送入指定水中，探測(cè)船中央控制器實(shí)時(shí)傳輸采集的相關(guān)數(shù)據(jù)。

通過(guò)采用ZigBee模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收發(fā)，使得本設(shè)計(jì)具有的數(shù)據(jù)傳輸速率低，使用便捷，模塊化組裝且低成本，低功耗的優(yōu)點(diǎn)。

探測(cè)船動(dòng)力控制模塊船體采用兩臺(tái)15W的直流電機(jī)提供動(dòng)力，安裝兩個(gè)方向舵控制船體運(yùn)行方向。基于模糊自適應(yīng)HD算法，F(xiàn)PGA將采集的信號(hào)進(jìn)行智能分析，對(duì)船體的電機(jī)、方向舵等控制設(shè)備進(jìn)行最優(yōu)化控制，最大限度的滿足探測(cè)、通信等設(shè)備對(duì)船體穩(wěn)定性的要求。

遠(yuǎn)程控制中心將用戶的船體控制指令發(fā)送給探測(cè)船，同時(shí)，實(shí)時(shí)處理探測(cè)船傳回的各類數(shù)據(jù)在點(diǎn)陣液晶上顯示。

1.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理及仿真

1.2.1FPGA部分

FPGA及其外圍電路控制著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和數(shù)據(jù)處理，我們采用了ALTERA公司的Cyclone Iv系列FPGA，型號(hào)為EP4CE6F17C8。

本實(shí)驗(yàn)使用FPGA作為整個(gè)船的控制中心，使用verliog語(yǔ)言編寫驅(qū)動(dòng)程序，使用串行通信，從FPGA發(fā)送一幀數(shù)據(jù)至CC2530，消息幀從一個(gè)低位的起始位開始，后面是8個(gè)數(shù)據(jù)位，一個(gè)奇偶校驗(yàn)位和一個(gè)停止位。

如圖l仿真所示，當(dāng)按鍵按下時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，不同的按鍵對(duì)應(yīng)船體實(shí)現(xiàn)不同的功能，例如按下keyl實(shí)現(xiàn)無(wú)線采集溫濕度，key2實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制舵機(jī)采集水質(zhì)，key3返回采集的數(shù)據(jù)并顯示在LCD或者數(shù)碼管上。

1.2.2ZigBee部分

本次實(shí)驗(yàn)中利用ZigBee進(jìn)行組網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制船體。選擇ZigBee的理由在于硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件選擇以CC2530為核心的開發(fā)板，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：體積小，能耗低，便攜性高。由于船體內(nèi)部空間有限，因此選擇體積小的硬件設(shè)備是必要的。同時(shí)體積小，輕便帶來(lái)的便攜性將大大增加船體對(duì)于水質(zhì)檢測(cè)的效率。軟件方面由于TI公司發(fā)布的Z-Stack協(xié)議已經(jīng)很全面而且泛用性廣泛，用戶只需要在APP層自行設(shè)計(jì)自己所需要的對(duì)應(yīng)事件處理函數(shù)，對(duì)于初學(xué)者較為友好。

組網(wǎng)原理如圖2所示。

當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器上電啟動(dòng)后，協(xié)調(diào)器首先發(fā)送邀請(qǐng)，等待終端節(jié)點(diǎn)加入。終端節(jié)點(diǎn)收到邀請(qǐng)發(fā)送加入請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器收到信息確認(rèn)身份并決定是否允許節(jié)點(diǎn)加入。如果節(jié)點(diǎn)被允許加入網(wǎng)絡(luò)，則搭載的傳感器開始采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等待發(fā)送的請(qǐng)求回應(yīng)。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)搭建好之后，協(xié)調(diào)器會(huì)以輪詢的方式不斷請(qǐng)求終端節(jié)點(diǎn)采集并傳輸數(shù)據(jù)。如果終端節(jié)點(diǎn)采集成功則會(huì)發(fā)送信息，如果失敗則傳輸失敗信息。協(xié)調(diào)器在經(jīng)過(guò)收集后匯總，通過(guò)串口傳遞給FPGA。

本次實(shí)驗(yàn)ZigBee組網(wǎng)部分的程序分將實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能：控制舵機(jī)使船體進(jìn)行移動(dòng)，控制舵機(jī)放置傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)水質(zhì)，終端節(jié)點(diǎn)傳感器將采集的數(shù)據(jù)傳送回協(xié)調(diào)器。具體實(shí)現(xiàn)為：上位機(jī)FPGA按鍵觸發(fā)，發(fā)送指定字符串作為命令，終端節(jié)點(diǎn)接收到信息，打開對(duì)應(yīng)I/O口，此時(shí)終端節(jié)點(diǎn)編寫對(duì)應(yīng)的PWM觸發(fā)舵機(jī)，使舵機(jī)進(jìn)行工作。當(dāng)傳感器搜集到數(shù)據(jù)后，以一個(gè)固定時(shí)間為周期不斷將數(shù)據(jù)傳送回協(xié)調(diào)器，并由協(xié)調(diào)器通過(guò)串口傳遞給上位機(jī)FPGA并顯示。

2結(jié)論

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，本設(shè)計(jì)的無(wú)線智能遙控船船體控制優(yōu)良，通信平臺(tái)簡(jiǎn)潔有效，該系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)可以對(duì)小型船體進(jìn)行有效的智能遙控控制，同時(shí)根據(jù)用戶的需要為用戶安裝其他模塊提供接口，支持用戶的二次開發(fā)。地表水檢測(cè)力度的不斷加大和全球資源勘探的不斷深入，擁有著較大升級(jí)空間、優(yōu)良人機(jī)界面、較強(qiáng)市場(chǎng)適應(yīng)能力的無(wú)線智能探測(cè)船，在環(huán)境檢測(cè)、科研勘察、軍事偵查等諸多領(lǐng)域擁有著廣闊的市場(chǎng)空間。