无人船智能水质监测平台的总体方案设计

随着我国工业化城镇化的发展，水环境污染情况日益严重，国家在水环境监测治理方面投入了大量人力、物力。在无人化、智能化的时代背景下，利用移动监测平台进行水质监测的思路以成为一个研宄热点。本文研宂课题来源于企业项目，通过开发无人船智能水质监测平台，补充国家现有水质监测方式，是研究水质污染的主要出发点。对无人船智能水质监测平台的总体方案设计与实现。通过用户需求及相应的技术研究，设计船体结构及功能分区并开模生产该监测平台所需的人船。结合电子专业相关理论与实际应用，绘制以无人船为载体的水质监测平台的单元系统结构框图。对各个单元的功能及工作流程做了简单的阐述，并按照总体设计方案别进行功能分析、硬件选型、电路设计及系统搭建。同时，为确保水质监测平台工作正常及安全性，设计并实现系统供电方案，满足无人船内的不同的用电器的用电需求。对船载水质采样系统的方案设计与实现。通过用户需求及相应的技术研究，绘制水质采样系统的工作原理图。根据无人船的船体结构设计水质采样系统的装置示意图。按照用户需求及无人船的自身特性，选取合适的水管、止水阀、水泵、流量计等装置，并按照装置示意图在无人船上搭建该水质采样系统的装置。对该装置的工作流程做简单论述，并根据其工作状态设计水质采样硬件控制电路。对船载水质监测系统的方案设计与实现。通过用户需求及相应的技术研究，绘制水质监测系统的工作原理图。根据无人船的船体结构及水质监测传感器的相关参数设计水质监测系统的装置示意图，并按照装置示意图在无人船上搭建该水质监测系统的装置，并对该装置的工作流程做简单论述。该无人船智能水质监测平台在海南大学东坡湖及台州市长潭水库分别进行了实地测试，测试过程中水样采集与水质监测功能均按照预期实现。研究背景及意义水是地球上生物赖以生存和发展的物质基础，是维护生态系统保持可持续发展的首要条件，因此水对于地球生物的生存起着极为重大的意义（谢欢，２００６）。尽管地球上水资源覆盖面积极广，但７１％的水资源是海水资源，无法用于人类的日常生活。能用于人类饮用的淡水资源十分匮乏，仅占全球水资源的３％，所以淡水资源在全球都极其宝贵。我国是一个淡水资源极其短缺的国家。尽管我国水系发达，水资源总量在全球排名前四，但我国人口基数大，人均淡水资源只有２３００立方米。随着中国经济的快速发展，工业区与城市居住面积迅速增加，生活用水量和工业用水量也是成倍的增长。使得水资源总量与社会需求量的矛盾日益増加。面对这日益增长的水资源矛盾的同时，我国水环境污染情况却逐年剧增。生活用水污染、工业废水污染等情况屡屡发生。对国民的身体健康产生了极大地威胁的同时，还严重制约了我国工业的发展。长此以往，水环境污染问题必将成为国家的长治久安的巨大隐患。２０００年以来，国家先后将海河、淮河、太湖、辽河、巢湖、滇池、松花江、江口库区及上游、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，积极制定有关规划，积极推进城镇污水与垃圾处理项目的建设，并针对性地开展次级流域、部分区域治理，将对流域水环境质量的改善发挥了重要作用（吴宇，２０１３）。水质监测作为水环境保护的重要举措，一直是国家环保部门极其重视的一项工作。２００８年，国务院根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要（２００６－２０２０年）》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（仇保兴，２０１３）。２０１２年，国务院又颁布《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》，要求加强对水质监测、在线分析等技术的重视力度，进一步加强污染源监控，提高对主要污染物的减排力度，提升城镇污水处理效率，改善主要流域的水质和江河湖（库）区水体富营养化问题（左其亭，２０１３）。目前我国水环境监测主要使用以下３种方法：实验室监测方法、移动监测方法和自动监测站监测方法。实验室监测方法需要工作人员在预先设定好的采样点进行水样采集，然后在实验室对水样做详细的水质分析并生成报告。工作人员前往预定采样点的主要方式是租赁船只。主要用于环保部门周期的水质监测与环境变化评估。该方法的优点在于测试的参数具有较高的准确性，缺点是需要较长的监测周期，监测一次将消耗大量人力物力成本，且实时性差，对突发污染事故无法做到准确预警。并且工作环境安全性较差，不利于工作人员的人身安全保障。同时监测数据不适合信息化管理。水质监测站监测方法是目前在我国广泛推广的方法。该方法需要修建专门的监测站点，这种监测方法的优点在于监测数据精度高，较少受到外部环境因素的影响。我国各级环保部门在次用水源地及水库周边建设水质监测站点用于对饮用水源地的水环境的变比进行全天候监测。并且各地监测站测试数据均联入政府环境网站，公民可以通过监测网站实时查看水环境监测数据。缺点是需要选址建立监测站点，其中的投资成本及设备维护产生的成本较大。并且修建的监测站会对水域周围的自然环境造成一定程度上的破坏，且单个监测站所能监测的水域范围有限，要相对大规模的水域进行监测只能增加监测站点数量。移动监测方法主要用于应急移动监测和周期性水质安全巡检。一种方式是工作人员承载移动监测船到达指定现场进行对水资源进行采集和分析。第二种方式是控制搭载水质检测传感器的可移动平台，移动到指定的水域对水质进行采样并分析。其中移动监测具有成本低、测量及时、灵活性好、覆盖范围广等优点（吴宇，２０１３Ｘ根据以上环境监测方法，结合实验室现有的条件，本文设计的水质监测系统将以无人船为载体，使之成为智能无人船移动水质监测平台，用于解决传统水质监测方法存在的问题。随着当今科学技术的快速发展，无人化、智能化的系统设计己经成为各个研宄方向的研宄热点及应用领域，例如将无人机应用在农药喷、电力检修等领域。而无人船作为水面领域的智能化设备，无论在军用还是民用领域都具有广泛的应用。水面无人船（ＵｎｍａｎｎｅｄＳｕｒｆａｃｅＶｅｈｉｃｌｅ，ＵＳＶ）是一种可以在海洋环境下进行自主航行，可以完成各种任务的水面运动平台，是一个涉及智能控制、材料工程、船舶工程、人工智能信息处理等相关专业学科的复杂系统工程（李家良，２０１２）。无人船具有尺寸小、智能化水平高、环境适应能力强等特点。在民用领域广泛应用于气象监测、水质采样、水文探测、海事搜救等领域，不仅应用前景广泛，并且提供了一种替代人工在高危环境下作业的新型工作模式该无人船智能水质监测平台的研发依托于企业的横向项目。该平台的本质是以移动监测方法为基础，与无人船的灵活性、水面作业能力特征相结合而提出的一种新型水质监测方式。不同水域的监测重点不同，不同地域的水质情况变比也不同，所以该监测平台的功能搭建将依据相关环保部门的要求及实地考察调研后进行总体的方案设计。２．１用户需求分析首先，该智能水质监测平台是为了全面补充环境监测部门现有的监测方法。目前监测部门己经在重点水域搭建了固定监测站用以水质情况的实时监测。每个监测站都必须按照中华人民共和国国家环境保护标准ＨＪ９１５-２０１７（《地表水自动监测技术规范》（试行））进行选址，其选址原则包括建站可行性、监测长期性、水质代表性、系统安全性及运行经济性，从而限制了监测站的数量。但因监测站自身是不可移动的，所以监测范围有限，且应急功能不足。其次，该智能水质监测平台应能够提供水质采样功能。除了固定监测站点，相关环保监测部门还需按照国家标准ＨＪ４９４－２００９（《水质采样技术指导》）的规定进行瞬时采样、周期采样等水质采样方式进行人工监测。工作人员需利用水质监测船或水质应急监测车到固定的监测地点利用水质采样设备进行水质采样，并将样本存储于水质采样瓶中带回实验室做进一步的化验并给出相应水质监测报告。水质采样瓶的材质应尽量不与水产生作用，例如塑料、不锈钢等。而在这种传统的水质采样过程中，工作范围只能限制在较宽广水面，每次采样不仅需要浪费大量的人力和财力，而且工作人员的自身安全也得不到保证。无线传输系统无线传输系统的主要功能为指令与数据的传输。在无人船和上位机之间搭建无线传输系统，用以无人船与上位机之间的指令与数据之间的下达与传输＝根据项目标书要求，通讯距离的测试值在开阔地段应能达到最大通信距离５公里。同时，应尽量避免使用拥挤频段，降低无线电信号干扰造成的误码、丢包等现象。所以，该监测平台主要利用５．８ＧＨｚ网桥设备，采取点对点传输模式＝该无线传输模式通过自适应算法确立当前的通信频段，并择优选择通信链路，确保通信的安全性、稳定性。通过搭载大功率全向天线保证通信距离的测试值达到用户要求。水质监测平台１）无人船控制单元无人船控制单元的主要功能是接收上位机下达的指令并执行，收集当前智能水质监测平台的相关数据并上传。无人船控制单元由嵌入式系统构成，包括电机驱动模块、通信模块、ＧＰＳ定位模块、电子罗盘模块、超声波避障模块等。该单元可以实现无人船的自主巡航功能及人工远程遥控功能。通过识别上位机下达的指令，该单元将会做出相应的行为。该无人船控制单元的的硬件控制电路板的设计分为３个部分。第一部分为控制电路板底板部分，按照绘制的原理图与ＰＣＢ图进行加工制作。第二部分是芯片底座及接口部分，将芯片底座与各模块的接口焊接在电路扳上的相应部位。第三部分是各个功能模块，将各个模块与对应的模块接口链接并用玻璃胶打死固定＝该设计的优点在于既可以实现无人船控制单元的硬件电路功能，又方便日后的功能检修。图９为该单元硬件控制板的原理图，图１０为该单元硬件控制板的ＰＣＢ设计图，ＧＰＳ定位模块负责实时获取当前无人船的坐标信息，该设计方案中为保证无人船的航厅地点的准确性，所以选取了高精度的ＧＰＳ定位模块，并且所选模块的各项参数均满足按照项目标书的要求。通信模块主要用于无人船控制单元的内部数据通信、指令传递等。该模块主要使用核心芯片内部通信接口如ＵＳＡＲＴ通信接口、Ｉ２Ｃ通信接口等。属于无人船内部通信系统。２）水样采集单元水样采集单元又可称为水质采样系统，该系统可以方便用户随时采集待测水质水源的水样并且智能化。其根本目的在于通过无人船智能水质监测平台的自主控制实现水样采集，从而降低水质采样的人力成本，提高工作人员的人身安全及工作效率。根据项目投标书的要求，该监测平台需要有独立的采样通道，采集的水样可以存储在指定的采样瓶中。在水样的采集过程中不仅可以规定采集水样的水量，同时也可以等比例混合采样。每个采水瓶的容量为１Ｌ，需要在该监测平台上装载１２个采样瓶，其材质必须符合国家相关环境标准。关于水样采集单元的详细设计方案及实现将在本论文第三章节重点介绍。３）水质监测单元水质监测单元的主要功能是利用水质监测传感器，对待测水域的水质参数进行监测并将结果通过数据传输系统上传至上位机上是实时显示。水质监测单元所选用传感器如图１４所示．分别为电导率在线分析仪、溶解氧在线分析仪、蓝绿藻在线分析仪、水中油在线分析仪、叶绿素Ａ在线分析仪、浊度在线分析仪、氨氮在线分析仪。传感器选型在用户项目投标书中明确规定，该水质监测系统需要监测以下９项水质参数：温度、ＰＨ值、溶解氧、电导率、浊度、氨氮、蓝绿藻、叶绿素ａ、水中油。为在无人船智能水质监测平台上实现实时的水质监测功能，我们将选择以下的水质监测传感器探头进行安装并使用。（１）投入式溶解氧传感器溶解氧指溶解在水中的分子态氧，通常记作Ｄ０，用每升水中氧的毫克数和饱和百分率表示。设计方案依据国家环境保护标准ＨＪ５０６－２００９（《水质溶解氧的测定电化学探头法》）和国家环境保护行业标准ＨＪ／Ｔ９９－２００３（《溶解氧（ＤＯ）水质自动分析仪技术要求》）选定了工业级在线溶解氧传感器探头，该探头内置温度传感器可以实时提供温度补偿。该传感器探头的采用膜电极原理，输出ＲＳ４８５信号，具有较强抗干扰性，可传输距离远，数据传输采用Ｍｏｄｂｕｓ通信协议，可与其他设备集成和组网。因此，在本设计方案中我们选择该传感器（２）投入式电导率传感器电导率指物体的导电能力，液体的电导率等于液体内各种离子的电导率之和，也以变相衡量液体中离子的总数６设计方案依据国家环境保护行业标准ＨＪ／Ｔ９７－２００３５无人船智能水质监测平台的设计与开发（《电导率水质自动分析仪技术要求》）选定了工业级在线电导率传感器探头，该探头内置温