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 ７ １ ％ 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 ２ ３ ０ ０ 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 ， ２０ １ ３ ） 。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 。２ ０ ０ ８ 年 ， 国 务 院根据 《 国 家 中 长期 科学 和 技术 发展规划纲 要（２ ００６－２０ ２０ 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 ， ２０ １ ３ ） 。 ２ ０ １ ２ 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 ， ２ ０ １ ３ ） 。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 ， ２ ０ １ ３ Ｘ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（Ｕｎｍａｎｎｅ ｄ Ｓ ｕｒｆａｃ ｅ Ｖｅｈｉ ｃ ｌ ｅ ， Ｕ Ｓ Ｖ） 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 ， ２ ０ １ ２ ） 。 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 ＨＪ ９ １ ５-２ ０ １ ７ （ 《 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 ＨＪ ４９４－ ２ ０ ０９ （ 《 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 ． ８ ＧＨ ｚ 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 、 ＧＰ Ｓ 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 Ｐ Ｃ Ｂ 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 １ ０ 为该单元 硬 件控制 板 的 Ｐ Ｃ Ｂ 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 ＧＰ Ｓ 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 Ｕ Ｓ ＡＲＴ 通信 接 口 、 Ｉ２ Ｃ 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 １ Ｌ ， 需 要 在该监测 平 台 上 装 载 １ ２ 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 １ ４ 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 ＨＪ ５ ０ ６－ ２ ００ ９ （ 《 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 ／Ｔ ９９ － ２ ００３ （ 《 溶 解 氧 （ Ｄ Ｏ ） 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 ＲＳ４８ ５ 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／ Ｔ ９ ７－２ ０ ０３ ５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 置温度 传 感器 可 以 实时 提 供 温度 补 偿 。 该 丨专 感器探 头的 采用 电导 池法 ，输 出 ＲＳ４ ８５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。（３ ） 投入式 氨氮传 感器氨氮 （ ＮＨ４－Ｎ ） 以 游 离氨（ＮＨ３） 和 铵 离子（ＮＨ４＋） 形 式存于 水中 ， 两者 的组成 取 决于水 的 ＰＨ 值 。 设计方案依据 国 家环境保护 行业标准 ＨＪ ／Ｔ １ ０ １－２０ ０３ （ 《 氨 氮水质 自 动分 析 仪技 术要 求 》 ） ， ＨＪ ／Ｔ ９６ －２ ００ ３ （ 《 ＰＨ 水 质 自 动 分析 仪技 术要 求 》 ） ， 国 家 标 准ＧＢ６ ９２ ０－ ８６ （ 《 水质 ＰＨ 值 的 测 定 玻璃 电 极法 》 ） 选定 了 工 业级 在线氨氮传 感器探头 ，该探头 内 置温度 、 ＰＨ 值和 Ｋ 离子 传感器可 以 通过多 参数补偿 算法 ， 提高传感 器 的 精度 。 该传 感 器探头 的 采 用 离 子 电极 原理 ，输 出 ＲＳ４ ８ ５ 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 同 时 获取氨氮 与 Ｐ Ｈ 值两 项参 数 。
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。2.7 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。