周 晶， 車宇超， 高 健， 趙黎明

（1.浙江大學工程師學院，杭州 310015；2.浙江大學電氣工程學院，杭州 310027；3.浙江大學海南研究院，海南 三亞 570203）

0 引言

水質(zhì)是對一定范圍內(nèi)水環(huán)境的最直接的表征數(shù)據(jù)。在生態(tài)保護中，自然水體的水質(zhì)作為生態(tài)指標的一個重要參數(shù)用以反映該區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境，助力污染防治和生態(tài)修復。在漁業(yè)中，通過對水體數(shù)據(jù)的采集與分析，能夠獲得牧場魚類養(yǎng)殖的最佳環(huán)境，進而指導餌料投放和增殖放流等工作的進行。目前，水環(huán)境要素的監(jiān)測技術也日漸受到重視［1-3］?？傮w上看，我國對水環(huán)境觀測領域的研究尚處于探索階段，大部分已建成的水質(zhì)監(jiān)測依然依賴于傳統(tǒng)的船載傳感器配合人工測量的方式進行［4］，或者依賴于岸基固定設施或者車載移動設施［5］，在測量成本、數(shù)據(jù)獲取的效率以及時間連續(xù)性方面存在明顯的不足［6-8］。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，開始涌現(xiàn)出一部分基于浮標、水上平臺以及水下運載器的觀測系統(tǒng)，并正在逐步應用于海洋觀測、海洋牧場監(jiān)測、海島生態(tài)監(jiān)測等領域中［9-12］。

然而，當前用于水質(zhì)檢測的水下機器人主要有以下幾種局限性：①僅實現(xiàn)水樣采集功能且采集樣本數(shù)量少，并不能實時獲取水質(zhì)數(shù)據(jù)，需要多次投放水下機器人進行采樣，并輔以人工參與后續(xù)水質(zhì)檢測步驟；②水質(zhì)數(shù)據(jù)不能直接被處理和存儲，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，也會增加投放水下機器人的次數(shù)和額外的數(shù)據(jù)處理和存儲步驟；③無法獲得動態(tài)的數(shù)據(jù)，即無法一次性獲取不同時間內(nèi)同一采樣點的水質(zhì)數(shù)據(jù)，或者無法在較短時間內(nèi)同時獲取多個采樣點的數(shù)據(jù)。根據(jù)上述的幾點局限性，亟需設計一種兼具獲取即時的水質(zhì)數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)上傳的新型水下機器人水質(zhì)數(shù)據(jù)采集裝置。

本文立足于多種水環(huán)境的大范圍、長期監(jiān)測需求，結合物聯(lián)網(wǎng)技術，設計了面向水質(zhì)監(jiān)測的多傳感器融合水下移動平臺系統(tǒng)。該水質(zhì)數(shù)據(jù)采集裝置具備隨水下移動平臺潛入待測水域中，在一系列采樣點實時檢測酸堿度、電導率、溶解氧、濁度和葉綠素等水質(zhì)數(shù)據(jù)、處理水質(zhì)數(shù)據(jù)并借助蜂窩網(wǎng)絡上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺記錄并存儲的功能，是一種高效、便捷、應用廣泛的水質(zhì)數(shù)據(jù)采集裝置。本平臺可為新工科背景下多傳感器物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷課程提供實驗平臺。

1 系統(tǒng)總體設計

基于水下移動平臺的多傳感器融合水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)包括電源組件、水質(zhì)傳感器組件、數(shù)據(jù)采集控制模塊、無線物聯(lián)網(wǎng)模塊和支撐結構，系統(tǒng)框圖如圖1所示。電源組件為水質(zhì)傳感器組件、數(shù)據(jù)采集控制模塊、無線物聯(lián)網(wǎng)模塊提供電能，支撐結構為平臺各模塊提供集成框架與保護；水質(zhì)傳感器采集到信息后，首先由數(shù)據(jù)采集控制模塊進行收集與處理，隨后傳遞到無線物聯(lián)網(wǎng)模塊，繼而上傳到云端的數(shù)據(jù)平臺，并在用戶界面顯示。

圖1 面向水質(zhì)監(jiān)測的水下移動平臺系統(tǒng)框圖

水下移動平臺是水質(zhì)監(jiān)測裝置的載體，水下移動平臺的外觀與內(nèi)部結構如圖2所示。水下移動平臺主體采用框架式結構，便于載荷的安裝與固定；外殼為圓弧形半球罩，具有優(yōu)越的水動力性能。平臺采用水平方向四推進器，垂直方向兩推進器的推進器布置方案，便于該移動平臺靈活地運動到特定水域。

圖2 水下移動平臺的外觀與內(nèi)部結構

系統(tǒng)搭載多種傳感器，包括鹽度計、pH值計、溶解氧濃度計、濁度計、葉綠素計和攝像頭等，傳感器通過連接件安裝固定在框架上。系統(tǒng)包括兩個密封艙，上密封艙放置運動控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和無線物聯(lián)網(wǎng)模塊；下密封艙放置電池等供電組件。通過密封艙實現(xiàn)艙內(nèi)電子器件與水的隔絕。此外，系統(tǒng)安裝有兩個提手，方便搬運與轉移。

2 系統(tǒng)硬件與軟件設計

（1）硬件設計。電源調(diào)節(jié)模塊可將寬范圍電壓輸入變換為12 V恒壓輸出。數(shù)據(jù)采集控制模塊、水質(zhì)傳感器組件和無線物聯(lián)網(wǎng)模塊均由電源管理模塊供電。數(shù)據(jù)采集控制模塊與水質(zhì)傳感器組件通過RS-485總線相連；同時，數(shù)據(jù)采集控制模塊與無線物聯(lián)網(wǎng)模塊的主體電路通過串口通信線相連；無線物聯(lián)網(wǎng)模塊的主體電路與天線通過ANT接口相連。

水質(zhì)傳感器組包含智慧型酸堿度（pH）電極、智慧型電導率（EC）電極、智慧型溶解氧（DO）電極、智慧型濁度電極、自清洗葉綠素數(shù)字傳感器等；水質(zhì)傳感器的信號線均接入RS-485總線。數(shù)據(jù)采集控制模塊采用基于STM32微控制器的嵌入式系統(tǒng)，含有RS-485通信電路、外部晶振電路、復位電路、LED狀態(tài)指示電路、啟動模式電路、調(diào)壓器電路等外圍電路；RS-485通信電路用于接收、翻譯和發(fā)送微控制器的串口和RS-485總線之間的信號。無線物聯(lián)網(wǎng)模塊采用無線通信模塊與物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)平臺相結合，兩者通過蜂窩移動通信完成數(shù)據(jù)的實時上傳。

供電組件與電源調(diào)節(jié)模塊之間的功率線通過穿線螺栓接入密封艙室內(nèi)，電源調(diào)節(jié)模塊與水質(zhì)傳感器組件之間的功率線、數(shù)據(jù)采集控制模塊與水質(zhì)傳感器組件之間的RS-485信號線分別按照一對正負極功率線和一對RS-485信號線合并為一條線路，也通過穿線螺栓接入密封艙室內(nèi)。硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)工作流程如下：

數(shù)據(jù)采集控制模塊通過向水質(zhì)傳感器組件按照設定時序發(fā)出控制信號，實時讀取傳感器反饋的水質(zhì)數(shù)據(jù)并處理。相隔特定的時間間隔，數(shù)據(jù)采集控制模塊將處理后的水質(zhì)數(shù)據(jù)通過無線物聯(lián)網(wǎng)模塊上傳至數(shù)據(jù)平臺，以實現(xiàn)實時的水質(zhì)數(shù)據(jù)顯示與保存。

在啟動供電組件的開關后，數(shù)據(jù)采集控制模塊發(fā)送指令啟動無線物聯(lián)網(wǎng)模塊，在接入蜂窩網(wǎng)絡并登錄物聯(lián)網(wǎng)平臺相應賬號，以一定的順序依次地、循環(huán)地向RS-485總線發(fā)送相應參數(shù)讀取指令并接收相應傳感器傳回的指令，并校驗和譯碼，間隔固定的時間向物理網(wǎng)平臺發(fā)送當前的水質(zhì)數(shù)據(jù)并更新物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)模型。系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

（2）軟件界面設計。本文選用目前市面上較為成熟的阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺作為數(shù)據(jù)平臺［15］，在該平臺設計水質(zhì)監(jiān)測的界面，可以將底層傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行保存和展示。首先登錄阿里云，進入阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，點擊設備管理→產(chǎn)品→創(chuàng)建產(chǎn)品→填寫相關信息，接下來添加設備→填寫設備名和備注→完成創(chuàng)建→保存已創(chuàng)建設備的三元組（類似身份信息：ProductKey、DeviceName、DeviceSecret），然后點擊產(chǎn)品→Topic類列表→物模型通信Topic→復制屬性上報的Topic類信息，該信息是實際產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)信息交互的功能語句，如下所示：

在調(diào)試STM32傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測程序時，需要將deviceName替換為自己所創(chuàng)建產(chǎn)品的“deviceName”，這樣阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺才能接受到底層傳感器傳輸過來的數(shù)據(jù)，查看產(chǎn)品→功能定義→設置各類傳感器的參數(shù)，注意各類傳感器的標識符要與STM32單片機程序中的標識符一致，編輯完成后點擊發(fā)布上線。

3 系統(tǒng)實驗效果

課題組成員于2021-09-05—08在三亞市鹿回頭海域與崖州灣海域進行了現(xiàn)場試驗。試驗場所選定為珊瑚礁生態(tài)修復區(qū)，分別位于中國科學院南海海洋研究所國家珊瑚保育區(qū)以及東鑼島珊瑚修復區(qū)。水下移動平臺拍攝照片如圖5、6所示，水下移動平臺所攜帶的傳感器組采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)如表1、2所示。

表1 南海海洋研究所國家珊瑚保育區(qū)水質(zhì)數(shù)據(jù)

圖5 南海海洋研究所國家珊瑚保育區(qū)海底拍攝圖片

圖6 東鑼島海底拍攝地貌

由上述試驗結果可知，本文提出的基于水下移動平臺的多傳感器融合水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，可準確采集并傳輸多種類型水域淺表層的水質(zhì)數(shù)據(jù)采集和處理。系統(tǒng)測試結果表明，該系統(tǒng)可以提升水質(zhì)監(jiān)測的便捷性與及時性，同時為新工科背景下多傳感器物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷課程提供實驗平臺。

表2 東鑼島水質(zhì)數(shù)據(jù)

4 結語

本文針對目前水質(zhì)監(jiān)測平臺和手段存在的問題與不足，設計并實現(xiàn)了基于水下移動平臺的多傳感器融合水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含多種水質(zhì)傳感器組，數(shù)據(jù)采集控制模塊將傳感器數(shù)據(jù)采集并傳輸給無線物聯(lián)網(wǎng)模塊，無線物聯(lián)網(wǎng)模塊采用無線通訊模塊與物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)平臺相連，兩者通過蜂窩移動通信完成數(shù)據(jù)的實時上傳。實驗結果表明，該系統(tǒng)能夠快速、準確、高效地對水質(zhì)狀態(tài)進行大范圍、長期的觀測，具備很好的工程應用價值。