基于无人船的地表水水质检测系统设计与实现＊

朱红生，费晓昕，吴述园，马志坚，唐 萌

（1.中冶华天工程技术有限公司，辽宁 马鞍山 243005；2.南京理工大学自动化学院，江苏 南京 210094）

随着中国经济实力的不断提升，中国逐步从工业大国迈向工业强国，在发展过程中对自然资源的利用日益增多，对环境的破坏也愈发严重，与此同时，社会各界对资源的合理利用、环境保护相关领域也愈发重视。在众多自然资源中，水资源在人类日常生活、工业生产中起到十分关键的作用，然而大量的生活污水、工业废水未经处理就直接排入河流和湖泊，使河流、湖泊的生态环境遭受严重的破坏，也严重威胁到动植物栖息地水域生态环境，因此保护水资源使其免受污染对人类社会可持续发展具有十分重大的意义[1-2]。

在水资源保护中，需要对目标水域水质进行快速的检测和分析，以便快速查出污染源头，给相关部门提供数据支持，以便确定处理方案。传统的水质检测手段主要分为人工实地取样和监测点固定装置检测2种手段。人工实地取样方式耗费时间长，时效性和经济性差，且当目标水域状况复杂时，取样工作不便于开展；监测点固定装置检测方式虽然能够实时检测目标水域水质信息，但设备造价昂贵，检测点固定且不利于日常维护和检修[3-5]。因此为了能够准确、及时、高效地获取水质信息，本文设计了一套可移动的无人船智能水质检测系统，可作为水质检测的补充手段，系统造价低廉且易于后期扩展，具有很高的应用价值。本系统以课题组自主设计的自动巡航无人船为载体，搭载对水质中温度、含氧量、化学需氧量和氨氮值等参数进行检测的传感器，并通过控制、通信和计算机软件技术实现了一套智能水质检测系统，为复杂水域情况下多检测点水质信息的采集、上传、保存提供了一套智能化的方案。

水质检测系统由数据采集模块、通讯模块和数据库3部分组成，整体结构如图1所示。其中的无人船采用常见的单体船样式，可由RC遥控器或上位机远程控制船体航行。数据采集模块包含树莓派3B、温度传感器、含氧量传感器、化学需氧量传感器和氨氮传感器等。传感器采用485接口，采集到的数据经过RS485转USB转接板，由串口传发送到树莓派主控制板。通讯模块基于中兴MF79U模块搭建，树莓派通过该模块接入到互联网中，将数据上传至搭建的数据库中。数据中包含了传感器的检测数据及无人船记录的检测点的空间位置数据，因此，长期的测量数据将为全面评价水质状况、制定有针对性的治理方案提供强有力的数据支持。

图1 系统结构图

1 系统的功能和原理

本设计选用树莓派3B作为控制板，可视为传感器数据采集模块的上位机，其自带Wi-Fi功能，方便接入到无线网中，控制板置于无人船载具中。

1.1 无人船载具

无人船选用单体船样式，由碳纤维制成，内部预留足够的空间放置动力和电气设备，其主要功能模块包括以电机、电调、螺旋桨及电源构成的动力模块，以Pixhawk4为核心的船体运行控制模块，GPS定位模块以及通信模块。如图2所示，该无人船可以RC遥控或自主控制的方式运行，具有良好的稳定性和操控性，为水质检测提供了灵活的移动平台和位置信息。

图2 无人船载具示意图

1.2 水质数据采集模块的设计

水质数据采集模块负责获取水质相关数据及水下图像和水深、流速等水体状态数据，由控制板、锂电池、多种传感器等单元构成，硬件设计结构如图3所示。水质传感器包括温度、溶解氧、化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）和氨氮传感器。

图3 水质数据采集模块结构

考虑到传感器采集的水质参数与双目相机获取的图像数据需要控制板进行数据接收、处理和传输，传统的开发板如STM32、Arduino等虽价格低廉，但若要实现网络、蓝牙接入还需要另外购置相应硬件模块，且其硬件性能较低，不能够满足同时大批量处理数据和实时显示图像需求，不利于项目后期扩展。树莓派以强大的性能与低廉的价格，非常适合作为物联网终端设备，因此本文采用性能较高的树莓派3B作为水质信息检测模块的上位机。

本设计选用美国DALLAS半导体公司生产的一款防水数字温度传感器DS18B20，如图4所示。其供电电压为5 V DC，温度测量范围-55～+155℃，接口采用单总线接口，可以直接与树莓派GPⅠO串口相连进行数据传递。

图4 DS18B20温度传感器

溶解氧传感器对水体受污染状况有重要的指示作用。本设计选用精讯畅通公司生产的JXSZ-1001-DOY溶解氧传感器，如图5所示。其探头采用荧光探头，基于荧光猝灭原理，蓝光照射到荧光物质上使荧光物质激发并发出红光，由于猝熄效应，激发的红光强度和时间与氧气分子的浓度成反比，通过测量激发的红光与参比光的相位差，并与内部标定值进行对比，从而可以计算出氧分子浓度[6]。传感器的供电电压为12 V DC，测量范围和精度分别为0～20 mg/L、±3.0%，工作温度0～35℃。接口采用RS485接口，可通过转接板直接与树莓派USB串口相连接，从而进行数据传输。

图5 溶解氧传感器

化学需氧量又称化学耗氧量，表示水质中需要被氧化的还原性物质的大小，反映了被污染水域内能被强氧化剂氧化的物质的氧当量，是一个重要且能较快测定有机物污染的参数[7]。本设计选用精讯畅通公司生产的JXSZ-1001-COD化学需氧量传感器，如图6所示，其探头采用分光光度法，通过测量有机物在一定波长范围内光的吸收度，从而得到水质的化学耗氧量。传感器接口同样采用RS485接口，方便与树莓派进行串口通讯。

图6 化学需氧量传感器

供电电压12 V DC，测量范围0～400 mg/L，测量精度±0.5%，工作温度-40～+85℃。该传感器自带清洁功能，更适用于污水浑浊水质的检测，其测量准确、防水性好、信号稳定。

氨氮在水中以游离的氨离子或铵盐的形式存在，水质中的氨氮含量过高会影响水生生物的正常生长发育，会对生物的组织造成损伤，严重的会导致水生生物的死亡。本设计选用精讯畅通公司生产的JXSBS-3001-NH4氨氮传感器，如图7所示，其探头采用PVC膜实现离子选择功能，从而测定水中氨含量[8]。传感器供电电压12 V DC，测量范围0～100 mg/L，测量精度±0.5%，工作温度0～85℃，采用RS485接口进行数据传输。

图7 氨氮传感器

1.3 模块实现

由前述内容可知，温度传感器采用数字接口，因此可直接与树莓派GPⅠO接口相连接进行数据传递，剩余的氧气、COD、氨氮、水深、流速传感器皆采用RS485接口，并且都支持Modbus协议，因此可以连接在同一总线上。由于树莓派不支持RS485接口通讯，因此传感器需要通过CH340转接板将与树莓派进行串口通讯，树莓派通过USB接口采集双目相机图像。电源使用格氏公司生产的锂电池，电池容量为5 300 mAh，充满电压为13.2 V，可直接为传感器供电，并经由分电导线连接电压降压板为树莓派提供5 V供电，且配备有低电压报警器，防止锂电池因过放而损坏电芯。各个元器件具体连接方式如图8所示。

图8 水质检测模块连接示意图

2 通讯系统的设计

2.1 通讯模块及其网络设置

通讯模块在本系统中是数据采集模块和数据库沟通的桥梁。考虑到体积、功耗、接口等因素，本设计中采用中兴MF79U模块。该模块作为无线路由器，方便树莓派接入，并可直接通过树莓派USB串口供电，支持多终端接入，便于后期系统功能扩展。

树莓派作为传感器采集模块的上位机，首先需要对树莓派进行网络配置，包含设置ⅠP地址、绑定端口号、私网地址转公网地址等操作。其次树莓派通过Modbus协议对传感器进行问询，获取传感器采集到的水质信息，并对数据进行处理，然后通过通讯模块接入到互联网，将数据上传到提前搭建好的数据库中。树莓派3B自带Wi-Fi功能，中兴MF79U模块与树莓派USB相连，将模块初始化后，对网络进行相应的配置，如图9所示。

图9 网络配置

2.2 传感器信号处理

Modbus协议是一种串行通讯协议，支持RS232、RS485接口通讯[9]。该协议采用主从的通讯方式，主机发送消息请求，对应地址的从机在正确识别指令后可进行应答，消息帧格式如表1所示。

表1 消息帧格式

温度传感器可直接通过GPⅠO与树莓派进行数据通讯，含氧量传感器、化学需氧量传感器、氨氮传感器按照1—3的顺序顺次编码，方便树莓派按地址码问询传感器，在树莓派中进行代码编写，然后对代码进行编译、运行。以含氧量传感器为例，测试效果如图10所示。

图10 树莓派读数显示

控制板中对传感器采集的数据进行汇总和处理，将树莓派作为客户端，云端数据库作为服务端。本设计使用FRP反向代理技术进行内网穿透[10]，将树莓派私网地址转换成公网地址，基于TCP/ⅠP协议实现数据在客户端和服务端间传输，最终实现传感器采集模块对数据采集、上传的功能。

3 系统数据库的设计

树莓派获取的水质数据经过处理后，经通讯子网上传到云端数据库，在数据库中可以对数据存储、管理和统计分析，为后续水环境治理提供数据保障。因此建立完善的数据库就显得尤为重要。在本文的设计中，无人船根据上位机设定的由一系列关键点构成的巡航路线自主运行，当行驶至关键点时由主控板读取各传感器接口中的数据。可见，本系统中的检测数据还包含了时间和空间信息，无论对单次检测还是长期监测都具有重要的实用价值。

为满足上述需要，对于保存水质信息的数据库设计，需遵循如下3点要求：①确保数据库可靠运行，出现故障能够及时排除，保护数据不遭受破坏，降低错误数据产生的概率；②保证水质数据相互之间的独立性，确保数据能够被快速查找；③数据库的存储结构和用户的接口设计应合理，便于后期扩充、修改和维护。

综合以上3点要求，本文使用MySQL 8.0在本机搭建了一套数据库系统用来保存水质检测数据，并借助数据库版本管理工具Navicat Premium 15对其进行管理。根据航行路线、检测日期和传感器数据种类等信息设计页表内容，建立routetable、checkpoint、checkmeg三张表分别保存历史检测线路、检测点经纬度坐标和检测点水质数据。其中routetable表用来存储历史检查线路序号及其名称，checkpoint表用来存储历史检查线路序号与其对应的检测点经纬度坐标信息，checkmeg表用来存储历史检查线路序号以及线路对应检测点的时间、温度值、溶解氧值、化学需氧量值、氨氮值、水深值和流速值数据信息。对于不同的数据类型采用不同的数据存储方式，三张表使用序号作为外键相互关联，方便使用者对历史水质信息进行快速查阅，显著提升了数据查询效率，水质信息数据库如图11所示。

图11 水质信息数据库设计

4 结束语

本文针对传统水质检测系统在测量手段的灵活性、数据管理的有效性等方面存在的问题，设计了一套以无人船为搭载平台的水质在线检测系统。该系统以树莓派为主控板，集成中兴MF79U为核心的通讯模块以及多种水质检测传感器，可实现复杂水域环境内水质综合数据的在线采集、上传、存储及管理，为水质评估及治理提供了有力的数据获取手段，具有较高的应用价值。