馬來賓，馬偉鋒，樓 姣，季曹婷

(浙江科技學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

0 引言

目前我國地表水資源環(huán)境所處的形勢不容樂觀，一方面，人口對水資源的需求呈上升趨勢[1]；另一方面，我國地表水資源污染問題較為嚴(yán)峻[2]。因此，建立健全的水資源保護(hù)機(jī)制愈來愈成為社會發(fā)展亟須解決的問題，其中科學(xué)有效的水資源監(jiān)測與調(diào)查手段是對水質(zhì)污染治理的前提和基礎(chǔ)。

在眾多水質(zhì)監(jiān)測手段中，較為傳統(tǒng)的是實(shí)驗(yàn)室檢測法，該方法通過人工對預(yù)定點(diǎn)進(jìn)行水樣采集，然后在實(shí)驗(yàn)室通過化學(xué)分析法[3]、生物分析法[4]等方法進(jìn)行詳細(xì)的水質(zhì)分析，最終生成水質(zhì)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)室檢測法優(yōu)點(diǎn)在于測定方法多樣，分析結(jié)果精準(zhǔn)且水質(zhì)指標(biāo)較為豐富，但是其具有測定周期較長、成本高、采集到的水樣相對于水域不具備代表性等缺點(diǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及傳感器應(yīng)用等方面的發(fā)展，在線水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用[5-6]。如張秀再[7]等人設(shè)計(jì)的河流水質(zhì)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，以MSP430F149單片機(jī)為核心，采用漂浮圈為載體搭載水質(zhì)傳感器，最終利用無線通信模塊傳輸采集信息；郭鵬飛[8]等人設(shè)計(jì)的基于樹莓派的遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)以樹莓派作為系統(tǒng)核心監(jiān)聽水質(zhì)監(jiān)測儀檢測到的水質(zhì)數(shù)據(jù)信息，再將水質(zhì)數(shù)據(jù)信息通過GPRS模塊發(fā)送到云端數(shù)據(jù)庫。這些系統(tǒng)都極大地縮短了水質(zhì)數(shù)據(jù)采集周期，達(dá)到了實(shí)時數(shù)據(jù)采集監(jiān)控的要求，但是可測定水域范圍有限，擴(kuò)展性較差。劉星橋[9]等人設(shè)計(jì)的基于GPS的自學(xué)習(xí)導(dǎo)航游弋式水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)以小型船體作為水質(zhì)數(shù)據(jù)采集載體并搭配遙控器，設(shè)計(jì)了船體運(yùn)動主控制器和遙控控制器，使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其中ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制指令的傳輸，速度快、成本低，但是傳輸范圍有限，通信穩(wěn)定性受環(huán)境制約；GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行水質(zhì)數(shù)據(jù)以及地理信息數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、多點(diǎn)檢測以及水質(zhì)數(shù)據(jù)的在線訪問等功能，但是其航行控制范圍較小，只能在人工視野范圍內(nèi)工作?；诖?，本文提出了一種基于4G的無人巡檢器及控制系統(tǒng)，開發(fā)了手機(jī)移動應(yīng)用，可利用遠(yuǎn)程視頻觀察當(dāng)前水域作業(yè)場景，實(shí)時控制無人巡檢器航行路線、水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)等。該系統(tǒng)能完成一定水域面積下的多點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)及地理位置的實(shí)時采集、傳送、存儲、查詢，并且具有高擴(kuò)展性，支持多臺無人巡檢器的在線作業(yè)。

1 控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)由無人巡檢器、云端服務(wù)器、移動控制終端三部分組成。無人巡檢器可以在目標(biāo)水域環(huán)境下自由航行，采集當(dāng)前作業(yè)水域的現(xiàn)場視頻、水質(zhì)數(shù)據(jù)、地理位置及航行狀態(tài)信息等，并通過4G通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時發(fā)送至云端服務(wù)器。云端服務(wù)器對接收到的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時存儲，同時云端服務(wù)器也是無人巡檢器與移動控制終端的連接器，對控制信息進(jìn)行實(shí)時轉(zhuǎn)發(fā)。移動控制終端配置了移動手機(jī)應(yīng)用，可實(shí)時顯示目標(biāo)無人巡檢器的水域作業(yè)視頻、地理位置信息以及采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)等，并可以根據(jù)在線作業(yè)視頻實(shí)時控制目標(biāo)無人巡檢器的作業(yè)路線、采集位置等。

2 無人巡檢器硬件設(shè)計(jì)

無人巡檢器作為一個邊緣計(jì)算環(huán)境，采用樹莓派(3B+)作為主控板，提供計(jì)算資源和控制功能。通過主控板USB接口掛載網(wǎng)絡(luò)攝像頭、電壓電流檢測器以及4G模塊；通過主控板引腳外接自制的驅(qū)動板掛載pH值等水質(zhì)指標(biāo)檢測傳感器以及超聲波傳感器、驅(qū)動直流電機(jī)等。整個硬件電路通過12 V電壓供電，目前采用鋰電池組，可擴(kuò)展為太陽能板。無人巡檢器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無人巡檢器硬件結(jié)構(gòu)

2.1 航行控制

無人巡檢器以快艇式模型船為載體，利用微型無刷直流電機(jī)作為船體的動力輸出，使用以L298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動芯片為核心的驅(qū)動板控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，利用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2.2 GPS定位與網(wǎng)絡(luò)通信

無人巡檢器邊緣通信采用了HOESIM7600CE模塊，支持4G網(wǎng)絡(luò)通信、GPS定位與AP(Access Point)熱點(diǎn)功能，利用 USB接口與樹莓派連接實(shí)現(xiàn)供電與串口通信。該模塊通過插入SIM卡并發(fā)射AP熱點(diǎn)使監(jiān)測器可以在任意4G信號覆蓋的地方進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，并通過IPX接口外接GPS天線接收GPS定位信息。

2.3 水質(zhì)指標(biāo)檢測

無人巡檢器利用驅(qū)動板引腳可提供多路水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)的采集。其中pH水質(zhì)指標(biāo)檢測采用了LEICI公司的E-201-C pH復(fù)合電極與pH檢測采集傳感模塊。pH復(fù)合電極是由pH玻璃電極和參比電極組合在一起的復(fù)合電極，通過BNC接口與pH檢測采集傳感模塊連接，再接入無人巡檢器。

2.4 無人巡檢器運(yùn)轉(zhuǎn)及作業(yè)水域監(jiān)測

無人巡檢器集成了作業(yè)水域現(xiàn)場的實(shí)時監(jiān)測模塊，包括網(wǎng)絡(luò)攝像頭和超聲波傳感器。網(wǎng)絡(luò)攝像頭采用的是螢石C2C多功能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，通過USB與樹莓派連接，網(wǎng)絡(luò)配置完成后可實(shí)時探測監(jiān)測器作業(yè)水域的180°水平全景。超聲波傳感器采用HC-SR04超聲波測距傳感器，通過時間差測距法測量前方障礙物距離。無人巡檢器還集成了電壓電流檢測器，對運(yùn)轉(zhuǎn)的供電狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，可測電壓與電流范圍分別是0～36 V與DC 0～40 A。

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)的軟件主要包括無人巡檢器控制軟件、控制服務(wù)器程序以及手機(jī)端控制軟件三部分。

3.1 應(yīng)用通信協(xié)議設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)三部分間通過Socket套節(jié)字進(jìn)行通信，設(shè)計(jì)的應(yīng)用通信協(xié)議數(shù)據(jù)包格式如圖3所示。

圖3 應(yīng)用通信協(xié)議數(shù)據(jù)包

協(xié)議數(shù)據(jù)包由數(shù)據(jù)頭和目標(biāo)數(shù)據(jù)兩部分組成。數(shù)據(jù)頭含有協(xié)議識別符、數(shù)據(jù)包種類識別符和消息體長度，三部分共9 B。協(xié)議識別符固定占有4 B，是判斷數(shù)據(jù)包是否遵循協(xié)議的標(biāo)識；數(shù)據(jù)包種類識別符占有1 B，用于數(shù)據(jù)包的分類；消息體長度占有4 B，攜帶消息體的長度信息。消息體則為一次傳輸中數(shù)據(jù)包內(nèi)攜帶的目標(biāo)數(shù)據(jù)。

通信雙方在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時，發(fā)送方先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行JSON序列化形成消息體，再將消息體與數(shù)據(jù)頭組成數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送；接收方在接收數(shù)據(jù)時，按照協(xié)議格式解析數(shù)據(jù)頭中的消息體長度，進(jìn)而從數(shù)據(jù)包內(nèi)分離出完整的JSON消息體，反序列化后讀取目標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.2 無人巡檢器控制軟件

控制軟件開發(fā)依托于樹莓派3B+主板，利用Python開發(fā)，通過編程控制樹莓派串口通信以及指定GPIO引腳的I/O操作，進(jìn)而完成數(shù)據(jù)的采集以及對電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的控制。控制的主流程為：監(jiān)測器上電后，控制軟件開始對各組件進(jìn)行初始化操作，隨后控制軟件請求與云端服務(wù)器建立Socket連接；連接成功后，控制軟件會監(jiān)聽連接狀態(tài)，若接收到數(shù)據(jù)則對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼并相應(yīng)地改變電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；與此同時，控制軟件會開啟新線程，負(fù)責(zé)定時采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)編碼上傳至云端服務(wù)器。

控制軟件主流程如圖4所示。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集控制

數(shù)據(jù)采集控制包括通過串口進(jìn)行GPS信息采集、剩余電量采集、pH值采集以及通過GPIO引腳的I/O操作進(jìn)行超聲波測距信息采集兩種方式。當(dāng)進(jìn)行串口通信時，需要在樹莓派操作系統(tǒng)/dev/目錄下找到對應(yīng)硬件模塊的文件名稱進(jìn)行聲明并初始化；當(dāng)進(jìn)行GPIO引腳的I/O操作時，則根據(jù)BCM編號方式聲明引腳接口編號并初始化。GPS信號采集實(shí)現(xiàn)是通過串口向HOE-SIM7600CE模塊先發(fā)送初始化指令("ATE0 "、"AT+CGPS=1 ")，再通過指令("AT+CGPSINFO ")獲取GPRMC字符幀，最終解析字符幀獲取經(jīng)緯度值。剩余電量的采集通過估算得出：系統(tǒng)上電時，利用指令("AT+V ")獲取初始狀態(tài)下的電壓值，根據(jù)電壓值估算出剩余電量并保存電量信息；在運(yùn)行狀態(tài)下，利用指令("AT+C ")獲取當(dāng)前電流值，根據(jù)運(yùn)行時間與采集時的電流值的乘積估算出已消耗的電量，并更新剩余電量信息。

圖4 控制程序流程圖

3.2.2 航行驅(qū)動控制

航行驅(qū)動控制程序通過改變電機(jī)的輸入信號而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，并通過PWM輸入驅(qū)動模塊的使能端實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)控制表如表1所示，其中 IN1、IN2為左側(cè)電機(jī)驅(qū)動信號輸入，IN3、IN4為右側(cè)電機(jī)驅(qū)動信號輸入，ENA、ENB為輸入信號使能端。電機(jī)初始化為低電平，PWM頻率設(shè)定為1 000。

表1 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)控制表

3.3 控制服務(wù)器程序

控制服務(wù)器使用Netty作為網(wǎng)絡(luò)通信框架，該框架預(yù)置了多種編解碼功能，API使用簡單，定制能力強(qiáng)?？刂品?wù)器程序設(shè)計(jì)主要包括：數(shù)據(jù)接收、業(yè)務(wù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送和空閑檢測4個模塊。數(shù)據(jù)接收模塊負(fù)責(zé)將接收到的數(shù)據(jù)在自定義協(xié)議下進(jìn)行解碼，并驗(yàn)證數(shù)據(jù)頭中的協(xié)議識別符，若驗(yàn)證失敗則斷開連接，若驗(yàn)證成功則進(jìn)入業(yè)務(wù)處理模塊；業(yè)務(wù)處理模塊首先讀取到消息體中的標(biāo)識號(用于區(qū)別不同的無人巡檢器)并將標(biāo)識號與當(dāng)前TCP連接綁定；數(shù)據(jù)發(fā)送模塊根據(jù)消息體中不同的標(biāo)識號映射到不同的TCP連接，進(jìn)而將數(shù)據(jù)在自定義協(xié)議下編碼并發(fā)送給相應(yīng)的客戶端；空閑檢測模塊負(fù)責(zé)監(jiān)聽所有客戶端的連接狀態(tài)，如果一個TCP連接在連續(xù)一段時間(可自定義，默認(rèn)為 120 s)內(nèi)沒有數(shù)據(jù)讀入，服務(wù)器則主動斷開與客戶端的連接，并清除該TCP連接與相應(yīng)的標(biāo)識號的映射關(guān)系?？刂品?wù)器程序功能模塊圖如圖5所示。

圖5 控制服務(wù)器結(jié)構(gòu)

3.4 手機(jī)端控制軟件

手機(jī)端控制軟件是基于Android的APP應(yīng)用，主要有數(shù)據(jù)顯示和航行控制兩個模塊，控制畫面如圖6所示。數(shù)據(jù)顯示模塊用于顯示視頻及監(jiān)測數(shù)據(jù)。視頻流數(shù)據(jù)通過螢石第三方平臺提供的接口接入，而水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及監(jiān)測器狀態(tài)信息則通過云服務(wù)器獲取。手機(jī)端控制模塊發(fā)送的消息中包含控制目標(biāo)和控制指令兩類數(shù)據(jù)。控制目標(biāo)則為消息中的標(biāo)識號，用于指定需要操縱的無人巡檢器(無人巡檢器實(shí)物圖如圖7所示)；控制指令用于操控?zé)o人巡檢器電機(jī)的不同運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。控制指令設(shè)計(jì)如表2所示，指令均為int型數(shù)值，其中X取值范圍在 0～100之間，Y取值范圍在 200～300之間。

圖6 手機(jī)端操控界面

圖7 無人巡檢器實(shí)物圖

表2 控制指令設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

本文提出了一種基于4G通信技術(shù)的水質(zhì)移動監(jiān)測方案，能夠通過手機(jī)端控制軟件遠(yuǎn)程操控?zé)o人巡檢器，實(shí)時獲取現(xiàn)場視頻、目標(biāo)水域水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)以及無人巡檢器工作狀態(tài)等信息，可以滿足小流域下多點(diǎn)水質(zhì)移動監(jiān)測的需求，大大節(jié)省設(shè)備、時間、人力等成本。該方案采用Netty作為網(wǎng)絡(luò)通信框架，支持多客戶端同時在線，手機(jī)端控制軟件可在線操作多臺水質(zhì)無人巡檢器，增加了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。同時該系統(tǒng)架構(gòu)可以平順地實(shí)現(xiàn)4G網(wǎng)絡(luò)到5G網(wǎng)絡(luò)的切換。

為獲取更精確的水質(zhì)評估結(jié)果以及實(shí)現(xiàn)智能化的流域監(jiān)測，下一步將在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上豐富無人巡檢器的水質(zhì)參數(shù)檢測傳感器，并對無人巡檢器的智能航行方面做進(jìn)一步研究。