污染水质监测处理一体化无人船的设计与研究

来源:用户上传      作者:宋代雨，袁睿麟，周琴，习力洋，赵卫东

　　摘 要： 为填补现有水质污染源监测的空缺点，研制了一种一体化污水监测处理无人船。针对设备与控制中心间传输的数据实时性差的问题，采用NB-IoT技术作为二者之间的传输网络。将嵌入式系统、路径计算、窄带物联网等技术紧密结合，通过对多端数据处理与分析，实现了无人船实时数据传输与智能巡航功能。
　　关键词： 无人船; 水质处理; 环境维护; NB-IoT
　　中图分类号：TP399 文献标识码：A 文章编号：1006-8228（2022）06-19-04
　　Design and research of integrated unmanned ship for monitoring
　　and treatment of polluted water quality
　　Song Daiyu， Yuan Ruilin， Zhou Qin， Xi Liyang， Zhao Weidong
　　（Chengdu University， Chengdu， Sichuan 610106， China）
　　Abstract： In order to fill the gap of existed water quality and pollution source monitoring， an integrated sewage monitoring and treatment unmanned ship is developed. To solve the problem of poor real-time data transmission between unmanned ship and ground control center， NB-IoT technology is used as the transmission network. The embedded system， path calculation， narrow-band Internet of Things and other technologies are closely combined to realize the real-time data transmission and intelligent cruise of unmanned ships through multi terminal data processing and analysis.
　　Key words： unmanned ship; water treatment; environmental maintenance; NB-IoT
　　0 引言
　　生态危机不断为人类生存敲响警钟[1]。我国社会经济不断发展，而随之城镇工业污水和居民生活用水排量逐年升高，致使河流、湖泊等淡水资源污染加剧，流经城镇的一些河段污染普遍严重，部分水体甚至产生了黑臭现象[2]。这不仅损害了周围生态和居民的生活环境，而且成为制约我国社会发展进步和经济发展速度的主要影响因素之一。目前对于水域监测常依赖人工划船进入水域采集水样再到岸上分析检测，这一工程如此进行效率低下[3]。同时，受污染的水域往往存在很多\水湖，其风险尚且不明，而人工监测水体又具有较大的技术难度，因此，人力难以驾驶船只来对水体进行取样和检测。与传统的人工监测技术相比较，智能化物联的无人船监测系统，大幅度地节约了人工费用，提高监测效率，并能够及时地抵达浅水区域和污染地带等具有潜在危险的水域。
　　无人船具备小型化、操作简单、效率高、使用便捷、成本低、对监控环境要求低等特性。目前，市面上，大多数的无人船并非真正的“无人船”[4]。由于无线通信技术方案简陋、通信范围近，难以达到2km及以上距离;目前，水质监测方面多数仍采取人工采样与分析，实时性差、耗时长;与污染水体相关应急处理功能缺失，不能自动处理各种突发情况，如对污染水体进行原位修复等。
　　针对现有问题，本文设计了一款以NB-IoT作为通讯网的一体化污水监测处理无人船，NB-IoT无线通信技术相较于传统GPRS、4G技术具有成本低、低功耗、覆盖范围广的特点，极大地拓展无人船的工作距离。结合物联网技术、嵌入式技术和传感器技术并借助北斗/GPS双模定位等方法，在精确标注无人船位置的基础上，还可以更加快捷、活泛、动态的更改船舶的坐标定位;通过设定投放无人船并结合BP神经网络算法实现对整个监控水域大范围、连续化的监测[5]。
　　1 设备硬件与软件设计方案
　　污水监测处理设备是利用NB-IoT物联网技术，实现了集航路规划、自主航行、水质实时监视和检测、图像采集和检测、材料投入、污水处理、远程监视和操作等多功能于一体的，一体化船舶结构。
　　设备按照其功能可划分为三个部分：负责自动巡航、定位和无线通信服务的无人船端;负责对水质、生态环境等各种综合数据的采集与获取分析，以及对水质处理剂投入、进行远程监测和调控的地上终端;负责网络通信服务、数据储存、信息管理等业务的云服务器平台。如图1所示，设备的软硬件组成和分布特性主要有四种类型：主控板与水质检测传感器组件、图像采集组件、水质处理投放组件、移动应用终端与计算机终端。如图2所示，控制设备的软件包括下位机监控系统（嵌入主板）和上位机监控平台（安装在移动应用终端和计算机终端上）两个部分。
　　2 设备模块设计与实际操作
　　2.1 无人船主控制板
　　无人船主控制板是监控设备的核心部件，系统采用ARM系列STM32微处理器作为设备的核心控制器。采用NB-IoT模组BC95作为设备的通信模块，支持串口AT命令;数据传输方式支持CoAP，TCP/UDP和MQTT[6]，并且兼具高性能、低能耗等特点;适用于低能耗、广域间距的水质检测和控制系统。根据核心硬件模块设计，将核心控制器的外围区域划分为6个独立的组件功能模块。如图2所示，其功能分别是：远程控制水质和生态监视设备、无线通信、信息的采集和分析、自动化管理、环境调节装置及污水原位处理的控制。核心控制器通过串行外围接口线进行数据通信，实时监测水质数据，每测一组数据，立即传输给核心控制器。核心控制器接收数据后，通过NB-IoT网络与云服务进行交互，使得监控平台可以对无人船数据进行处理，并对控制指令进行传输。

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