武俊鵬　劉書勇　張國印

文章編號：1672-5913(2009)10-0154-06

摘要：創(chuàng)新能力的培養(yǎng)越來越受到國內(nèi)外教育機(jī)構(gòu)的重視，本文通過闡述如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)創(chuàng)新型的多學(xué)科交叉的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，涉及嵌入式操作系統(tǒng)定制、外圍電路設(shè)計(jì)、硬件驅(qū)動開發(fā)、嵌入式應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)等嵌入式設(shè)計(jì)核心技術(shù)，希望對學(xué)生設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性課題具有引導(dǎo)作用，并能幫助學(xué)生提高創(chuàng)新和實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)；水域環(huán)境監(jiān)測；太陽能供電；短波通信；GPS導(dǎo)航

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1項(xiàng)目概述

1.1系統(tǒng)背景

目前，能源危機(jī)，環(huán)境污染，糧食短缺給人類生存帶來了巨大的挑戰(zhàn)。環(huán)境的可持續(xù)開發(fā)利用已經(jīng)成為21世紀(jì)人類發(fā)展的重大課題，而海洋的全面開發(fā)與利用是重中之重。

為了更好地開發(fā)利用海洋，需要有一種可以對海洋環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測及對海洋資源進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測的裝置?，F(xiàn)有的海洋監(jiān)測方式，如勘探船、衛(wèi)星監(jiān)測、機(jī)載監(jiān)測和固定點(diǎn)監(jiān)測等存在監(jiān)測成本高，監(jiān)測精度低，監(jiān)測范圍有限等缺陷，大大制約著海洋開發(fā)及利用工作開展的深度和廣度?？梢?，開發(fā)一種可以為海洋環(huán)保部門及漁業(yè)部門等海洋開發(fā)單位提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面的海洋信息的監(jiān)測平臺具有十分重要的意義。

近年來，嵌入式技術(shù)不斷發(fā)展，基于嵌入式系統(tǒng)平臺的開發(fā)設(shè)計(jì)占據(jù)了越來越重要的地位。Intel Xscale PXA 270處理器以其高性能、低功耗、多功能等特點(diǎn)在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此，采用基于Intel Xscale PXA 270的嵌入式開發(fā)平臺，結(jié)合Windows CE 5.0系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作，主要應(yīng)用于海洋、湖泊等水域的監(jiān)測平臺。

1.2系統(tǒng)特點(diǎn)

該水域監(jiān)測平臺由數(shù)據(jù)采集端(簡稱監(jiān)測器)和數(shù)據(jù)接收處理端(簡稱主控臺)兩大部分組成。監(jiān)測器載體為船體，船體采用雙體船設(shè)計(jì)，興波阻力小并具有良好的抗搖擺能力。監(jiān)測器以太陽能為動力，可以對海洋、湖泊進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，為環(huán)保部門做出正確的水域保護(hù)決策提供數(shù)據(jù)保障。另外，它可監(jiān)測魚群分布、暗礁分布等，為漁業(yè)部門提供漁業(yè)資源信息，為輪船躲避暗礁等提供幫助。

監(jiān)測器采用GPS導(dǎo)航和短波通信技術(shù)，具有自主監(jiān)測能力。GPS導(dǎo)航，可以對該監(jiān)測器的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，通過比較目標(biāo)位置及當(dāng)前位置，來隨時(shí)調(diào)整航向，實(shí)現(xiàn)自動導(dǎo)航；短波通信，可以通過短波發(fā)送控制命令，接收溫度、視頻等信號，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

因此，與傳統(tǒng)的監(jiān)測手段相比，它節(jié)約了監(jiān)測成本，縮短了監(jiān)測周期，而且具有良好的靈活性，同時(shí)大大擴(kuò)展了監(jiān)測范圍。最重要的是，該水域監(jiān)測平臺具有很強(qiáng)的功能擴(kuò)展性。通過在監(jiān)測器上裝載不同的探測工具，可滿足不同人群對海洋、湖泊等水域開發(fā)利用的需要。裝載溫度傳感器可以監(jiān)測水溫，了解水溫變化情況；裝載攝像頭可以對海洋進(jìn)行視頻監(jiān)控，了解水域基本狀況；裝載水樣采集設(shè)備可以提取水樣等。

2項(xiàng)目設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)總體上分為數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收處理端。數(shù)據(jù)采集端主要負(fù)責(zé)采集船體GPS坐標(biāo)、障礙物位置、水樣、水溫、視頻等信號，通過短波傳輸給數(shù)據(jù)接收處理端；同時(shí)，接收數(shù)據(jù)接收處理端發(fā)送來的指令，執(zhí)行調(diào)整航向，避障，采集水樣，采集視頻，探測水溫，投擲浮標(biāo)，發(fā)出警告等操作。數(shù)據(jù)接收處理端主要負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)根據(jù)需要向船體發(fā)送各種控制命令。

2.1數(shù)據(jù)采集端方案

數(shù)據(jù)采集端包括通訊系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和船體。

通訊系統(tǒng)的主體為無線信號發(fā)射器。通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搜集到的數(shù)據(jù)通過短波發(fā)送給主控臺，同時(shí)，將主控臺發(fā)送來的控制命令傳給監(jiān)測器。

能源系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)提供電力，主要分為發(fā)電模塊、貯能模塊和控制模塊三個(gè)模塊。太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能儲存到鋰電池中。鋰電池分為主電池組和后備電池組。主電池組提供日常的動力和其他設(shè)備所需的能源，后備電池組用于突發(fā)應(yīng)急事件?？刂齐娐房刂聘鞑考哪茉捶峙湟约爸麟姵亟M和后備電池組的使用。

動力系統(tǒng)采用雙螺旋槳，雙舵機(jī)結(jié)構(gòu)。在發(fā)動機(jī)的選擇上，選用低能耗，高轉(zhuǎn)速，高扭矩的無刷電機(jī)，配以合適的變速齒輪組帶動螺旋槳，推動船體前進(jìn)。當(dāng)傳感器發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)，舵機(jī)能在單片機(jī)控制下自動轉(zhuǎn)向，躲避障礙。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為兩個(gè)部分。一部分為用于定位導(dǎo)航的GPS系統(tǒng)，另一部分則是根據(jù)應(yīng)用需要配備的信號采集設(shè)備和傳感器。GPS數(shù)據(jù)通過串口與控制臺連接，利用編制的導(dǎo)航軟件控制行進(jìn)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)針對不同的應(yīng)用需求配置不同的接口裝備，從而執(zhí)行不同的監(jiān)測任務(wù)。

控制系統(tǒng)以單片機(jī)為主，主要通過串口傳輸數(shù)據(jù)和指令，與主控臺進(jìn)行通信，同時(shí)進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的電源管理。

船體作為系統(tǒng)運(yùn)行的載體，采用玻璃鋼作為船體制作材料，重量輕、強(qiáng)度高；雙體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且重心低，船體的穩(wěn)定性好；細(xì)長的船首，能劈開水面，減小前進(jìn)的阻力。整個(gè)船體具有良好的流線型，航行快。

2.2數(shù)據(jù)接收處理端方案

數(shù)據(jù)接收處理端的核心部件是UP-TECH PXA 270嵌入式平臺，輔助部件是短波收發(fā)器。通過在該平臺上移植Windows CE 5.0系統(tǒng)，用C#編寫軟件來實(shí)現(xiàn)所需的各種功能。該平臺上軟件分為兩部分。一部分負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)采集端，通過短波收發(fā)器向船體發(fā)送控制命令，控制船體執(zhí)行調(diào)整航向、避障、采集水樣、采集視頻、探測水溫、投擲浮標(biāo)，發(fā)出警告等操作；另一部分負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)采集端采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和分析，接收GPS坐標(biāo)、水溫、視頻等信號。同時(shí)，繪制水溫變化曲線，船體航行軌跡示意圖等。

2.3系統(tǒng)功能

(1) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)能將溫度等傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過無線傳輸系統(tǒng)發(fā)回主控臺，進(jìn)行儲存和分析處理?？梢酝ㄟ^程序控制數(shù)據(jù)采集的頻率，通過監(jiān)測器搭載的單片機(jī)提供的多種接口方便地實(shí)現(xiàn)監(jiān)測種類和功能的擴(kuò)展。

(2) 水樣采集。該系統(tǒng)可在主控臺控制下，最多對六個(gè)任意觀測點(diǎn)進(jìn)行水樣采集，方便環(huán)保工作者對水體水質(zhì)進(jìn)行靈活全面的分析。

(3) 視頻監(jiān)控。此功能由視頻采集攝像機(jī)和主控臺共同完成，可對水面漂浮物、船只、鳥類等進(jìn)行觀測和研究。

(4) 自動巡航。用戶可以對監(jiān)測器進(jìn)行巡航路徑定制，監(jiān)測器通過自帶的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取當(dāng)前坐標(biāo)位置，經(jīng)過導(dǎo)航程序處理，實(shí)現(xiàn)自動巡航。

(5) 特殊點(diǎn)定位。通過傳回的GPS坐標(biāo)可對監(jiān)測器監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)的污染源、事故發(fā)生地等特殊點(diǎn)的進(jìn)行精確定位，方便相關(guān)人員前往處理。

(6) 浮標(biāo)投放。監(jiān)測器可以在主控臺控制下，投放浮標(biāo)或定點(diǎn)監(jiān)測設(shè)備，具有定位準(zhǔn)確、實(shí)現(xiàn)方便等特點(diǎn)。

(7) 警告提醒。監(jiān)測器裝有報(bào)警燈、警笛和音頻回放設(shè)備，可在主控臺控制下對違章作業(yè)、破壞環(huán)境等行為進(jìn)行警告提醒。

(8) 水上救生。通過在監(jiān)測器上搭載救生圈，在GPS導(dǎo)航下，監(jiān)測器可以將救生圈及時(shí)送給落水者，實(shí)現(xiàn)水上救生功能。

2.4設(shè)計(jì)指標(biāo)

(1) 實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻傳輸，可根據(jù)需要擴(kuò)充為多路視頻源；

(2) 視頻監(jiān)控最大延遲不超過0.5s；

(3) 視頻數(shù)據(jù)采集文件大小120MB/h±20MB/h(標(biāo)準(zhǔn)清晰度)；

(4) 主控臺在無220V交流電時(shí)可在汽車電池供電情況下正常工作；

(5) 監(jiān)測器能在光照條件理想的情況下，在內(nèi)置電池和太陽能電池的驅(qū)動下連續(xù)工作12小時(shí)以上；

(6) 主控臺能與監(jiān)測器遠(yuǎn)程雙向通信并完成相關(guān)功能；

(7) 監(jiān)測器船體航行穩(wěn)定，有一定的抗風(fēng)浪能力，能在靜水水域安全工作；

(8) 監(jiān)測器船體具有較好的強(qiáng)度和抗腐蝕能力，能在水質(zhì)惡劣情況下進(jìn)行無人監(jiān)測；

(9) 監(jiān)測器船體具有10千克以上的儲備浮力，同時(shí)具有TTL、RS232/485、USB等較為全面的接口，可搭載其他監(jiān)測設(shè)備實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備擴(kuò)展；

(10) 能實(shí)現(xiàn)自動避障功能，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)航向控制和自動巡航功能。

3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1數(shù)據(jù)采集端硬件實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)整體上分為數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收處理端兩大部分，硬件整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)框圖

3.1.1船體材料

船體由環(huán)氧樹脂和玻璃纖維布在常溫中固化而成，環(huán)氧樹脂玻璃鋼是一種常用玻璃鋼，其顏色為淺色半透明體。它具有較好的耐腐蝕性，機(jī)械強(qiáng)度高和粘結(jié)力強(qiáng)等特點(diǎn)，并具有一定的電絕緣性和耐堿能力。

3.1.2控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由兩個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)組成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集端的系統(tǒng)控制功能，負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)接收處理端的無線通信、接收處理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)、電源的智能控制以及船體的導(dǎo)航和壁障等內(nèi)容。

另外，控制系統(tǒng)還負(fù)責(zé)報(bào)警及自排水控制任務(wù)。探測器內(nèi)部主要為各種控制芯片，一旦進(jìn)水將造成系統(tǒng)短路，后果不堪設(shè)想。船體在設(shè)計(jì)上是全密封的，但是考慮到意外情況存在的可能性，我們安裝了自排水系統(tǒng)。該控制板接有濕敏探頭，工作電壓為獨(dú)立隔離的12V，當(dāng)因?yàn)槟撤N原因使船艙進(jìn)水后，將觸發(fā)濕敏探頭，信號經(jīng)過放大后驅(qū)動水泵將積水排出船艙外，當(dāng)水排盡時(shí)，自動停止。水泵工作電壓12V，功耗4.8W，排水量為3.5L/min；當(dāng)接收到主控制臺的報(bào)警信號時(shí)，驅(qū)動高亮閃光器，發(fā)出燈光信號。

3.1.3能源系統(tǒng)

(1) 鋰電池

動力系統(tǒng)和其它配件組成系統(tǒng)后功耗較大，對電源的設(shè)計(jì)提出了巨大的挑戰(zhàn)，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、功耗以及便攜性等多方面要求，系統(tǒng)中采用了鋰離子電池組作為后備電源。搭載30AH鋰離子電池。最高電壓12.6V，輸出電流不大于15A，每個(gè)分組均有保護(hù)電路板，整體設(shè)計(jì)有平衡充電接口，保證電池壽命和容量。電池組設(shè)有擴(kuò)展接口，可以在需要時(shí)增加電池容量，以便擴(kuò)展更多外圍設(shè)備。

(2) 太陽能電池板

為實(shí)現(xiàn)較高的自主能力和具有較高的靈活程度，采用太陽能電池板給后備電池組進(jìn)行充電。太陽能電池板選用單晶硅高效率型號，在非陽光直射的早晨與黃昏也有一定的功率輸出。峰值電壓21.5V峰值電流5.7A，平均發(fā)電功率約為105W。電池板采用鋁合金框架支撐，重量輕強(qiáng)度高。電池板整體進(jìn)行了嚴(yán)格的密封處理，防止海水侵蝕。在一般工作強(qiáng)度之下，如果日間光照充足，可以實(shí)現(xiàn)全天候不間斷工作。

(3) 電源控制板

電源控制板負(fù)責(zé)探測器的電源供給與管理。其一，將太陽能電池板輸出的15.5V-19.5V電壓經(jīng)過轉(zhuǎn)換為電池組充電，當(dāng)充至飽和電壓12.6V時(shí)，自動斷開，防止過沖電；其二，監(jiān)控鋰電池組輸出電流，當(dāng)電流超過15A時(shí)，自動保護(hù)，并在故障排除時(shí)自動恢復(fù)供電；其三，監(jiān)控電池組電量，當(dāng)電池因長期天氣不佳等原因耗盡，電壓低于9.8V時(shí)，自動斷開負(fù)載，防止過放電，在電池具有一定電量，達(dá)到11.5V時(shí)恢復(fù)供電，同時(shí)為主控臺提供啟動信號，恢復(fù)正常工作。其四，將電池組的電壓變換為+12V，+5V，+8V，隔離12V等電壓，為各個(gè)組件供電。

3.1.4動力系統(tǒng)

(1) 舵機(jī)控制器。舵機(jī)控制器擁有16 路舵機(jī)PWM脈沖信號輸出，可以同時(shí)對16 個(gè)舵機(jī)進(jìn)行任意角度的控制，使用靈活、高效。

① 規(guī)格參數(shù)

●工作溫度：0-85度

●工作濕度：5%-90%RH不凝結(jié)

●額定電源：DC7V-12V

●輸出路數(shù)：16路

●定時(shí)精度：0.5us

●控制精度：0.05度

●指定精度：0.01度

② 接口及按鍵說明

●串口指示燈：指示串口工作狀態(tài)，閃動為串口正在接受或發(fā)送數(shù)據(jù)，一個(gè)代表接收，一個(gè)代表發(fā)送數(shù)據(jù)。

●簡化串口插針：為減少系統(tǒng)體積設(shè)立，該接口也為RS232電平，以最靠邊的一腳算起分別是地、接收、發(fā)送端。

●DB9 串口頭：用于和控制板通訊的正式接口，標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，母頭DB9插頭。

●復(fù)位按鍵：用于給控制器復(fù)位，重新啟動控制器，由于該型號控制器沒有掉電恢復(fù)功能，所以按下復(fù)位鍵后所有舵機(jī)PWM輸出為開機(jī)初始脈沖，需要重新發(fā)送命令指定舵機(jī)角度。

●簡易電源插針：用于接駁電源，輸入電壓范圍和標(biāo)準(zhǔn)電源插座一樣應(yīng)為7V-12V。

●標(biāo)準(zhǔn)電源插針：用于接駁電源，給系統(tǒng)供電，輸入電壓范圍應(yīng)為7V-12V。

●電源指示燈：該燈用于指示電源工作狀態(tài)，亮則代表供電正常。

●+5V 電源插針，用于+5V 電源給系統(tǒng)供電，靠近標(biāo)準(zhǔn)電源接頭的一端為地線。

●舵機(jī)保留控制輸出，供以后擴(kuò)展使用。

●安裝螺絲：用于固定安裝舵機(jī)控制器。

●第1 路舵機(jī)控制輸出，共有3 組線，其中外側(cè)是地端，中間那個(gè)是電源端，內(nèi)側(cè)是信號端。跟據(jù)不同的舵機(jī)選擇不同的接法。其相應(yīng)的控制命令應(yīng)為#00Axx! 。

●第16 路舵機(jī)控制輸出，端口定義和第1 路一樣。

(2) L298N電機(jī)驅(qū)動模塊

L298N電機(jī)驅(qū)動模塊(圖2)是專用驅(qū)動集成電路，屬于H橋集成電路，其輸出電流為2A，最高電流10A，最高工作電壓50V，可以驅(qū)動感性負(fù)載，如大功率直流電機(jī)，其輸入端可以與單片機(jī)直接相聯(lián)，從而很方便地受單片機(jī)控制。電路圖見圖3。

圖2L298N電機(jī)驅(qū)動模塊

圖3L 298N電機(jī)驅(qū)動模塊電路圖

3.1.5通訊系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用短波技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線通信。無線數(shù)據(jù)收發(fā)機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)與外界的通訊，發(fā)射頻率在VHF波段450.5MHz時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)約60Km的范圍內(nèi)通訊。

該收發(fā)機(jī)在5V電壓下，空載功耗為1.2W，接收功耗為2W，發(fā)射功耗為12W。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)通過RS-232輸出，經(jīng)過調(diào)制器轉(zhuǎn)換，傳給車載電臺發(fā)射出去。接收數(shù)據(jù)時(shí)，車載臺將收到的數(shù)據(jù)傳給解調(diào)器，通過串口輸入到主控制臺。數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)過程中加入了多位數(shù)據(jù)校驗(yàn)位，防止數(shù)據(jù)傳輸錯誤。同時(shí)，具有16個(gè)傳輸頻道并經(jīng)過掩碼加密，防止非法數(shù)據(jù)竊取。

3.1.6數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

(1) GPS模塊。GPS模塊為SiRF主控芯片，具有12通道接收能力，在3D定位狀態(tài)下，誤差約為5m。定位準(zhǔn)確度較高，5V電壓下功耗不大于0.25W，設(shè)計(jì)傳輸速率9600bps。輸出TTL電平標(biāo)準(zhǔn)NMEA-0183語句，并可定制輸出格式和速率，方便程序設(shè)計(jì)。

(2) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)和RS232-TTL電平轉(zhuǎn)換電路兩部分組成。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器能將超聲波探測器探測到的障礙信號和DS18B20傳回的溫度信號轉(zhuǎn)換成RS232串信號發(fā)給主控臺，主控臺發(fā)出控制信號經(jīng)相關(guān)電路處理后傳給電機(jī)驅(qū)動模塊，控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)船體的前進(jìn)、后退。調(diào)制PWN波形控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)船體轉(zhuǎn)向。

RS-232 通信中邏輯電平與TTL電路的定義有所不同，使用MAX232A進(jìn)行相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換。其中，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號TX接單片機(jī)的TXD腳，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號TXRX_232接單片機(jī)的RXD腳。RS232_T和RS232_R分別接DB9串口頭的第2、3針。

(3) 溫度傳感器

常用的溫度傳感器有很多，各有各的特點(diǎn)，經(jīng)過各種傳感器的比較及結(jié)合系統(tǒng)的具體情況，系統(tǒng)選擇了DALLAS公司的單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為本系統(tǒng)的測溫元件。

(4) 超聲波探測模塊

船體共有三組超聲波探頭主要參數(shù)如下：

●使用電壓：DC6-12V

●靜態(tài)電流：小于2mA

●電平輸出：高5V

●電平輸出：低0V

●感應(yīng)角度：不大于15度

●感應(yīng)距離：2毫米-8米

(5) 水樣采集系統(tǒng)

水樣采集系統(tǒng)由舵機(jī)、傳動裝置、試管架和水泵組成。當(dāng)系統(tǒng)收到采水指令時(shí)，舵機(jī)控制器控制舵機(jī)轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置，然后接通水泵抽水5秒，自動斷開。舵機(jī)能實(shí)現(xiàn)0～180°精確定位，傳動裝置采用的是1∶2的皮帶輪組，可實(shí)現(xiàn)試管架360°旋轉(zhuǎn)。水樣采集系統(tǒng)一次可采集六份水樣。

(6) 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控?cái)z象機(jī)在電機(jī)的帶動下可做水平350°物理旋轉(zhuǎn)。在攝像機(jī)廣角鏡頭的作用下保證監(jiān)控視無死角。探測船和控制中心采用數(shù)傳電臺進(jìn)行通信，得到運(yùn)行指令后，主控板控制電機(jī)按要求進(jìn)行動作。

云臺設(shè)計(jì)為二個(gè)自由度，即繞中心以-175°～+175°水平轉(zhuǎn)動，以-15°～+105°俯仰轉(zhuǎn)動。驅(qū)動云臺使用標(biāo)準(zhǔn)云臺，并配合相應(yīng)的解碼控制電路。為了不使電機(jī)干擾控制電路，電機(jī)和驅(qū)動板之間使用了光耦隔離，還對電源進(jìn)行了處理，使之基本互不干擾。

3.2軟件實(shí)現(xiàn)

3.2.1監(jiān)測器主程序

(1) GPS數(shù)據(jù)分析及自動導(dǎo)航

根據(jù)系統(tǒng)需要，對GPS模塊進(jìn)行定制，使其輸出語句的格式為最小輸出語句，其輸出的格式如下所示：

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh

$GPRMC語句各部分的含義為：

●UTC時(shí)間，hhmmss(時(shí)分秒)格式

●定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無效定位

●緯度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸)

●緯度半球N(北半球)或S(南半球)

●經(jīng)度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸)

●經(jīng)度半球E(東經(jīng))或W(西經(jīng))

●地面速率(0～999.9節(jié)，前面的0也將被傳輸)

●地面航向(0～359.9度，以真北為參考基準(zhǔn)，前面的0也將被傳輸)

●UTC日期，ddmmyy(日月年)格式

●磁偏角(000.0～180.0度，前面的0也將被傳輸)

●磁偏角方向，E(東)或W(西)

●模式指示(僅NMEA0183 3.00版本輸出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數(shù)據(jù)無效)

GPS與電腦通訊時(shí)，通過串口每秒鐘發(fā)送2條數(shù)據(jù)?？紤]到船航行的速度并不是很快，沒有必要每秒獲取2次坐標(biāo)信息，因此，通過設(shè)置，控制臺每10秒獲取一次GPS數(shù)據(jù)，并根據(jù)系統(tǒng)的需要，提取出其中的經(jīng)度，緯度，和航向角的字段，通過目標(biāo)點(diǎn)和現(xiàn)在的實(shí)際坐標(biāo)點(diǎn)，算出一個(gè)相對正北方向的角度，與航向角相比較，得出船是否偏離航線，并通過導(dǎo)航算法矯正船的航行方向。與此同時(shí)，將獲取的GPS數(shù)據(jù)處理成“GPS,ddd.mmmmmm,W/E,dd. mmmmmm,N/S”的數(shù)據(jù)格式，通過串口三發(fā)回系統(tǒng)主控臺。

(2) 溫度障礙物信息采集及自動避障

串口二通過與單片機(jī)相連，考慮到船的航速大概為2m/s，超聲波探測器的探測距離為8m，因此，控制臺程序每2秒獲取溫度和障礙物信息。由于單片機(jī)傳來的數(shù)據(jù)二進(jìn)制的數(shù)據(jù)，為了使觀察方便，通過ByteArrayToHexString (byte[] data)函數(shù)，將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制，其輸出的格式為“XX XX XX”，這條語句所代表的含義為：前兩個(gè)十六進(jìn)制數(shù)為采集溫度數(shù)據(jù)，單位為攝氏度，第一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)為溫度的整數(shù)部分，第二個(gè)數(shù)據(jù)為小數(shù)部分。第三個(gè)數(shù)據(jù)為避障信息，高五位全為零，后三位分別代表左中右三個(gè)超聲波探測器探測到的障礙物信號，“1”代表此方向有障礙物，“0”代表此方向無障礙物。自動避障程序根據(jù)采集的障礙物信息實(shí)現(xiàn)自動避障，與此同時(shí)，將采集的溫度信號處理成“temprature,XX,XX”的數(shù)據(jù)格式，通過串口三發(fā)回主控臺。

(3) 控制信息接收及處理

通過串口三接收到的數(shù)據(jù)分為兩種格式，分別為“target,X，ddd.mmmmmm,W/E,dd.mmmmmm,N/S”和“control,XX”。

target,X，ddd.mmmmmm,W/E,dd.mmmmmm,N/S語句表示目標(biāo)點(diǎn)信息，其具體含義為：

X：第幾個(gè)目標(biāo)點(diǎn)(十進(jìn)制整數(shù)，最大為20)

ddd.mmmmmm,W/E：經(jīng)度，W/E代表東西經(jīng)

dd .mmmmmm,N/S：緯度，N/S代表南北緯

control,XX為控制信息，控制船的航行，XX為十六進(jìn)制數(shù)，探測器的各種控制命令如表1所示。

3.2.2主控臺程序

主控臺分析串口中傳回的數(shù)據(jù)是坐標(biāo)數(shù)據(jù)還是溫度數(shù)據(jù)，交給相應(yīng)的處理程序處理，同時(shí)，可以向探測下達(dá)任務(wù)信息和控制船的航行。

(1) 探測器航行軌跡電子地圖顯示

系統(tǒng)中使用位圖作為電子地圖，通過放大縮小與坐標(biāo)的變換，在位圖上標(biāo)定出受監(jiān)控對象所在位置。

為了實(shí)現(xiàn)地圖上的點(diǎn)和實(shí)際的GPS獲取的經(jīng)度緯度相對應(yīng)，采用地圖上的一個(gè)像素代表一定的經(jīng)度緯度的方法，在建立地圖時(shí)，設(shè)每個(gè)像素代表的經(jīng)緯度大小為(△X, △Y)，地圖的大小為經(jīng)度(lx1,ly1)和緯度(lx2,ly2)，因此地圖某坐標(biāo)點(diǎn)(X,Y)的實(shí)際經(jīng)緯度為(PX,PY)，則有：

lx1+X*△X=PX(3.1)

ly1+Y*△Y=PY(3.2)

但是，考慮到地圖經(jīng)緯度的標(biāo)定方法和探測的目標(biāo)點(diǎn)位置可能跨越南北半球，東西半球。因此，要根據(jù)地圖的實(shí)際情況，采用不同計(jì)算公式來計(jì)算經(jīng)緯度和地圖上的點(diǎn)的映射關(guān)系。

(2) 采集數(shù)據(jù)分析

將采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，當(dāng)達(dá)到一定的量的時(shí)候，以折線圖的形式呈現(xiàn)給用戶?？紤]到數(shù)據(jù)顯示的美觀性，將采集到的溫度數(shù)據(jù)取一個(gè)最小值Min和最大值Max,根據(jù)顯示界面的大小，算出合適的實(shí)際值與圖上像素值的比，使折線圖以適當(dāng)?shù)拇笮★@示。

(3) 任務(wù)設(shè)置和控制

為探測器下達(dá)任務(wù)指令，設(shè)置目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)度和緯度的時(shí)候，為了能觀測到船體的實(shí)際航行情況，應(yīng)考慮到設(shè)置的目標(biāo)點(diǎn)應(yīng)該在地圖的范圍之內(nèi)，所以當(dāng)用戶設(shè)置的目標(biāo)點(diǎn)位置不在地圖顯示的范圍內(nèi)的時(shí)候，應(yīng)視為無效的任務(wù)并提醒用戶重新設(shè)置。

主控臺設(shè)有控制命令控制船的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、倒退、停機(jī)等指令。在船體控制臺的自動導(dǎo)航、自動避障程序失效或者遇到一些其他的突發(fā)事件時(shí)，人工干預(yù)船體的運(yùn)行。

4結(jié)語

培養(yǎng)創(chuàng)新能力已經(jīng)是現(xiàn)代大學(xué)生能力培養(yǎng)的重要方面，而高校創(chuàng)新性可示范的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較少?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)融合了當(dāng)今熱點(diǎn)社會問題(能源利用、污染防治等)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提出了一套可行的解決方案，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)原型，學(xué)生可通過本創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的制作，啟發(fā)創(chuàng)新思維，加強(qiáng)綜合運(yùn)用多學(xué)科知識和技術(shù)的能力，為提高其創(chuàng)新能力起到推動作用。

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