《電子技術(shù)應(yīng)用》
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面向水质监测的无人巡检器控制系统设计与开发
2021年电子技术应用第1期
马来宾，马伟锋，楼 姣，季曹婷
浙江科技学院 信息与电子工程学院，浙江 杭州310023
摘要： 针对传统水质在线监测系统成本高、低扩展性等问题，设计了一种基于4G的无人巡检器及控制系统，构建以树莓派为核心，集成视频、水质传感器、超声波传感、GPS等多种信息采集器的边缘计算网络，设计了应用通信协议，研发了控制系统软件包括无人巡检器端控制软件、云服务器端控制软件和手机端控制软件。系统运行结果表明，控制系统能完成一定水域面积下的多点水质监测数据及地理位置的实时采集、传送、存储、查询，利用远程视频实时控制无人巡检器的航行路线、水质监测点等，并支持多台无人巡检器在线作业，具有高扩展性，可平顺切换到5G网络。
中圖分類號： TN108.4；TP273
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191286
中文引用格式： 馬來賓，馬偉鋒，樓姣，等. 面向水質(zhì)監(jiān)測的無人巡檢器控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2021，47(1)：78-81.
英文引用格式： Ma Laibin，Ma Weifeng，Lou Jiao，et al. Remote monitoring mobile water quality monitor and its control system development based on 4G[J]. Application of Electronic Technique，2021，47(1)：78-81.
Remote monitoring mobile water quality monitor and its control system development based on 4G
Ma Laibin，Ma Weifeng，Lou Jiao，Ji Caoting
School of Information and Electronic Engineering，Zhejiang University of Science and Technology，Hangzhou 310023，China
Abstract： Aiming at the problems of high cost and low expansibility of traditional on-line water quality monitoring system, a mobile water quality monitor and control system based on 4G is designed. An edge computing network with raspberry pie as the core, integrating video, water quality sensor, ultrasonic sensor, GPS and other information collectors is constructed, and the application communication protocol is designed. The control system software is developed, including mobile monitor-side control software, cloud server-side control software and mobile-side control software. The system operation results show that the control system can complete the real-time collection, transmission, storage and query of multi-point water quality monitoring data and geographical location under a certain water area, and use remote video to control the navigation route and water quality monitoring points of mobile water quality monitor in real time. It also supports the online operation of multiple mobile water quality monitors, which has high expansibility and can be smoothly switched to 5G network.
Key words : online monitoring；water quality monitoring；edge calculation；remote control system

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)的是實驗室檢測法，該方法通過人工對預(yù)定點進(jìn)行水樣采集，然后在實驗室通過化學(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)報告。實驗室檢測法優(yōu)點在于測定方法多樣，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。隨著網(wǎng)絡(luò)通信、計算機技術(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)計的河流水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)，以MSP430F149單片機為核心，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)計了船體運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)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、多點檢測以及水質(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，實時控制無人巡檢器航行路線、水質(zhì)監(jiān)測點等。該系統(tǒng)能完成一定水域面積下的多點水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)及地理位置的實時采集、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)。




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作者信息:

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)

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