基于互聯(lián)網(wǎng)環(huán)保水質(zhì)監(jiān)測船的研究與實現(xiàn)

譚萬威 沈洪銳 吳建伸 吳海英

摘要：近年來，我國面臨著嚴峻的水質(zhì)污染問題，嚴重威脅著人們的飲水安全，且傳統(tǒng)水質(zhì)檢測監(jiān)測系統(tǒng)存在自動化程度低、成本高等問題。為此我們設(shè)計了一套基于互聯(lián)網(wǎng)環(huán)保水質(zhì)監(jiān)測船系統(tǒng)。該系統(tǒng)以太陽能為動力源，建立一套完善的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，全方位采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理后為治理水質(zhì)提供支持。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)監(jiān)測;互聯(lián)網(wǎng);數(shù)據(jù)采集

一、引言

近年來，水質(zhì)污染問題日益得到重視。目前，我國水質(zhì)污染嚴重，威脅著人們的飲水安全，對此，國家及環(huán)保部門相繼出臺政策，加強了對水質(zhì)的檢測與治理。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測主要依賴于人工，存在著諸如成本高、監(jiān)測范圍小、數(shù)據(jù)處理周期長等問題。

本論文研發(fā)設(shè)計了一套基于互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)保水質(zhì)檢測船系統(tǒng)，通過無線通信來實現(xiàn)遠程控制與數(shù)據(jù)的傳輸，并結(jié)合GPS/北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來實現(xiàn)移動與定位。該系統(tǒng)操控方便、工作水域廣，可實現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)的實時采集、傳輸與分析。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計

本論文設(shè)計的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)主要包含六大硬件模塊：

（一）主控模塊。該模塊以Arduino平臺為核心并包含其它模塊的各種接口，全面負責整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，收集各類傳感器獲得的數(shù)據(jù)并通過互聯(lián)網(wǎng)模塊完成數(shù)據(jù)的傳輸。Arduino 是一個源自意大利的開源電子硬件項目，它包括有I/O 功效的硬件電路板和一個開源的軟件開發(fā)環(huán)境，設(shè)計者可通過編程對Arduino電路板進行控制，結(jié)合各類傳感器及其他功能模塊，可實現(xiàn)多樣識別和數(shù)據(jù)處理等功能。Arduino的優(yōu)點是操作簡單，并且隨著Arduino的使用者越來越多，其軟硬件資源也越來越豐富，能滿足絕大多數(shù)智能產(chǎn)品的原型設(shè)計需要[1]。

（二）動力模塊?？紤]到本設(shè)計的使用場景，我們采用清潔能源——太陽能作為整個系統(tǒng)的驅(qū)動源。太陽能資源的利用過程中，耗用的是陽光福射，不會對氣候環(huán)境造成污染。太陽能作為一種綠色能源，在利用過程中不會產(chǎn)生常規(guī)能源利用過程中所產(chǎn)生的NOx、SOx等有害物質(zhì)，所以太陽能在保護環(huán)境方面具有廣泛的應(yīng)用前景[2]。

該模塊主要實現(xiàn)太陽能源向電能的轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)驅(qū)動監(jiān)測船的正常工作和移動，并且還能存儲太陽能，為船體夜間行駛提供能量，克服以往設(shè)備能量消耗快、需頻繁更換電源的缺點。本論文設(shè)計的監(jiān)測船搭載的太陽能板可自動跟隨陽光方向，實現(xiàn)最大程度地收集陽光，提高能源的轉(zhuǎn)換效率。

（三）傳感器模塊。該模塊主要包含各類傳感器，用于收集各類水質(zhì)參數(shù)，如水溫、PH值、TOC、COD化學(xué)需氧量、電導(dǎo)率、渾濁度、氨氮磷濃度等。該模塊能動態(tài)探測多種污染物，自動檢測識別水面污染源并結(jié)合主控模塊和互聯(lián)網(wǎng)模塊及時向使用者發(fā)出警報。各傳感器將收集的數(shù)據(jù)通過蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到控制終端，控制終端收集到數(shù)據(jù)后進行分析處理并形成可視化圖表。

（四）GPS/北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。要實現(xiàn)檢測船的路徑規(guī)劃和定點采樣，則船體上必須具有定位系統(tǒng)。本論文設(shè)計中采用GPS定位方案，通過優(yōu)化算法，可規(guī)劃出船體最優(yōu)行動路線，進而實現(xiàn)定點采樣。

（五）互聯(lián)網(wǎng)模塊。船體在完成路徑規(guī)劃、定點采樣后，將傳感器收集的數(shù)據(jù)經(jīng)主控模塊緩沖后通過互聯(lián)網(wǎng)模塊傳輸至云端，以便后期的數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)庫的建立。

在數(shù)據(jù)下行傳輸中，操作員通過控制端的應(yīng)用程序下達指令，控制終端通過無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸命令給船體的主控芯片，主控模塊根據(jù)指令完成傳感器采集與船體移動等指令。整個過程無需人為操作，全面實現(xiàn)終端的自主控制，不僅方便快捷也實現(xiàn)了及時響應(yīng)。

（六）控制端。控制端完成人機交互，分PC終端和移動終端。全部控制端采用觸屏設(shè)計，操作簡單方便快捷。移動端的控制方式自由性更高，便利性更好。通過該模塊即可實現(xiàn)遠程控制，因此，本設(shè)計系統(tǒng)不僅擁有水樣采集、數(shù)據(jù)與分析，還可根據(jù)所得的數(shù)據(jù)進而實現(xiàn)快速響應(yīng)、實時處理等功能。另外，通過建立數(shù)據(jù)庫，可利用大數(shù)據(jù)分析為環(huán)境治理提供支持。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件部分主要包括船體移動路徑規(guī)劃、定位算法，以及頂層人機交互界面和數(shù)據(jù)處理。

（一）蟻群算法。本文采用優(yōu)化的蟻群算法來實現(xiàn)船體的路徑規(guī)劃。螞蟻通過蟻群的共同行為來尋找行動的最優(yōu)路徑。螞蟻在移動時，會將一定的信息要素留在其經(jīng)過的路徑中，其后的螞蟻會根據(jù)這些信息要素的強弱來選擇最佳路徑[3]。

（二）蟻群算法的缺點。蟻群算法有兩個缺點：首先，每只螞蟻隨機運動，即釋放的信息素也隨機，這就導(dǎo)致了當需要的檢索路徑較多時，蟻群需要較長的時間來尋找最優(yōu)路徑;其次，由于螞蟻在初始選擇路徑時是隨機的，當檢索量過大時，算法可能過早結(jié)束并未實現(xiàn)最佳優(yōu)化，即出現(xiàn)早熟現(xiàn)象[4]。

（三）優(yōu)化算法。本論文設(shè)計時充分考慮上述缺陷，對算法做了改進，具體執(zhí)行步驟如下：（1）根據(jù)障礙物的大小，利用矩陣法對環(huán)境進行建模;（2）設(shè)置初始參數(shù)，并確定初始及終點位置;（3）將船體移動在初始位置上，計算啟發(fā)信息并開始檢索路徑;（4）計算移動到矩陣中的某個柵格;（5）等到全部檢索完畢后依據(jù)自適應(yīng)公式更新加權(quán)值;（6）記下每次檢索路線的長度;（7）重復(fù)上述步驟（4）至（6）直至迭代完畢，然后輸出最優(yōu)路徑。

（四）頂層交互軟件。本系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)在上位機完成處理與分析，即上位機需要設(shè)計頂層應(yīng)用軟件來完成數(shù)據(jù)的可視化分析與對船體的控制。本論文在PC端使用Python語言編程對數(shù)據(jù)進行可視化分析與處理，移動端則是基于Android系統(tǒng)進行人機交互界面的設(shè)計，完成數(shù)據(jù)的處理與對船體的控制。

通過上述軟件開發(fā)，本系統(tǒng)會根據(jù)搭載的GPS導(dǎo)航設(shè)備自動實現(xiàn)船體路徑規(guī)劃、自動避障，實現(xiàn)定點采樣，并將數(shù)據(jù)傳回基站，以便后續(xù)分析與備份。這種創(chuàng)新的方法一改傳統(tǒng)監(jiān)測點固定的狀態(tài)，使用移動平臺搭載監(jiān)測設(shè)備，減少了固定監(jiān)測點的數(shù)量，從而節(jié)省了成本。

四、實驗結(jié)果

本論文設(shè)計，可通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)24小時實時水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測;在監(jiān)測到水質(zhì)數(shù)據(jù)超標、水質(zhì)分析設(shè)備故障等異常時實現(xiàn)自動報警功能;對數(shù)據(jù)進行可視化處理后自動生成統(tǒng)計報表和趨勢曲線。

參考文獻：

[1]楊楠. 基于Arduino的智能產(chǎn)品原型設(shè)計研究[D]. 江南大學(xué)， 2014.

[2]沈義. 我國太陽能的空間分布及地區(qū)開發(fā)利用綜合潛力評價[D]. 蘭州大學(xué)， 2014.

[3]許川佩，蔡震，胡聰. 基于蟻群算法的數(shù)字微流控生物芯片在線測試路徑優(yōu)化[J]. 儀器儀表學(xué)報， 2014， 35（06）： 1417-1424.