水质监测无人艇控制系统设计

刘群铭 兰育飞 史颖刚

摘   要：文章设计了水质监测无人艇的控制系统，包括艇载系统、手持终端和监控中心。系统涉及了嵌入式技术、GPS技术、无线通信技术、PWM控制技术和GPRS通信技术。系统具有两种控制方式：一是通过手持终端、GPS和无线模块对无人艇进行遥控;二是通过GPS和电子罗盘自主导航。两种方式互相独立工作。

关键词：无人艇;控制系统;远程遥控;自主导航

渔业养殖环境的水体质量，对水产动物的生长发育有重大影响，关系到水产养殖业的产量、质量和经济效益[1]。目前，渔业养殖的水体环境监测，主要靠养殖户自己测量[2]，在水面比较辽阔的湖泊，人工检测面临速度慢、过程繁琐、劳动强度大、不能有效覆盖整体水域等难题。为解决上述难题，国内外的专家学者在水质监测系统[3]、水面无人艇[4]、自动巡航监测船[5]等方面，开展了相关研究。本文结合嵌入式技术和无线通信技术，设计了一种水质检测无人艇的控制系统。通过手持终端和上位机软件，实现无人艇的远程控制。

1    系统方案设计

根据无人艇和水质监测的控制要求，设计控制系统架构，如图1所示。系统由艇载系统、手持终端、监控中心和无线通信几个部分组成。在人眼可视范围内，用户操作手持终端，可对无人艇的动作进行无线遥控，无人艇存储并返回位置信息给手持终端。当目标水域过远时，监控中心通过通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service，GPRS）网络，向艇载系统发送地点坐标，实现无人艇自主导航。

2    艇载控制系统设计

2.1  艇载系统硬件方案设计

艇载系统包括嵌入式主控板、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）模块、电子罗盘、SD卡、电机和无线模块等。艇载系统通过无线模块，接收手持终端发送的控制命令，通过GPRS，接收监控中心发送的位置信息。主控板通过多种接口，控制各个模块，并根据无线模块接收的命令，发送相应的动作控制命令。主控板控制两个直流电机，实现无人艇的前进、后退、左转、右转和速度调节等基本运动。电机驱动采用L298N芯片，采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）法[6]对电机进行调速控制。GPS模块用于无人艇的定位，电子罗盘用于获取无人艇运动方向信息，SD卡用于存储无人艇的位置信息和方向信息。艇载系统硬件方案如图2所示。

2.2  艇载系统工作流程设计

系统有两种工作方式：（1）当目标水域在人眼可视范围内，通过手持终端对无人艇进行遥控。（2）当目标水域过远时，无人艇进行自主导航。两种方式互相独立工作，无论采用哪种工作方式，都先要上电初始化，进行通信检查。通信检查无误后，根据命令选择工作方式。

無人艇工作流程如图3所示。系统启动后，首先，进行通信检查，各模块完成初始化。其次，主控板进入等待命令状态，在等待命令的过程中，读取GPS信息和电子罗盘的方向角度，并将信息通过无线模块发送到手持终端。再次，主控板接收到命令后，解析命令，并执行相应的操作。最后，令包括远程遥控和自主导航。与远程遥控相比，自主导航不仅能够节省大量的人力、物力，而且具有导航范围广、控制简便等优点。本文选择GPS与电子罗盘联合进行导航，通过对比GPS坐标，获得无人艇需要运动的方向，利用电子罗盘调整无人艇的运动方向。

3    手持终端硬件设计方案

通过手持终端对无人艇进行无线实时遥控时，用户输入的控制命令由无线模块发送到无人艇上。本文设计手持终端硬件主要由微处理器、电源模块、无线模块、TF卡、TFT触摸屏、五向开关和拨码盘组成，其结构如图4所示。

各个模块的功能如下：

（1）微处理器，手持终端核心，用于处理人机接口的输入，并且与无线模块和TF卡进行通信。手持终端选择功耗低，处理性能强的STM32F103VET6作为微控制单元（Micro Control Unit，MCU）。

（2）电源模块，向各个模块提供工作电压。

（3）TF卡，用于存储监测信息。

（4）TFT触摸屏，TFT触摸屏采用TFT-LCD系统，具有高响应度、高亮度、高对比度等优点[7]。本文采用触摸屏作为人机交互接口，触控操作简便，用户可以根据实际需要对用户界面进行功能扩展。

（5）五向开关、拨码盘：五向开关用于手动控制无人艇的运动状态，包括前进、后退、左转、右转和停止，拨码盘用于实现无人艇的速度控制。五向开关和拨码盘配合使用，共同实现无人艇的运动控制。

4    监控中心方案设计

监控中心由监控计算机和GPRS通信软件组成。通过GPRS网络，监控中心与艇载系统进行远程数据通信，实现无人艇自主导航和GPS信息接收。本文采用C#语言，基于动态库，设计GPRS通信软件，实现艇载系统与监控中心的数据通信。每隔100 ms，系统触发数据发送接收程序，包括客户端的连接、断开和数据接收等，以获取、存储并反馈无人艇当前的位置信息。

5    结语

本文提出了一种水质监测无人艇控制系统的设计方案，完成了艇载系统、手持终端和监控中心的方案设计。由于时间限制，本文只完成了相关硬件设计和软件流程设计，在后续研究中，将进行实物测试实验和数据采集。期待在大面积的渔业养殖场中应用，实现对水体环境的监测，促进水产养殖业的发展。

[参考文献]

[1]曾洋泱，匡迎春，沈岳，等.水产养殖水质监控技术研究现状及发展趋势[J].渔业现代化，2013（1）：40-44.

[2]李家良.水面无人艇发展与应用[J].火力与指挥控制，2012（6）：203-207.

[3]张龙.小型移动在线水质监测系统的研究[D].杭州：浙江大学，2012.

[4]廖煜雷，庞永杰，庄佳园.无人水面艇嵌入式基础运动控制系统研究[J].计算机科学，2010（9）：214-217.

[5]陈永泽，舒军勇，王真亮，等.基于GPS定位的无人艇自主导航[J].重庆理工大学学报（自然科学），2016（8）：117-121.

[6]刘松斌，王海星，李硕恒.基于STM32的直流电机PWM调速系统[J].化工自动化及仪表，2016（8）：834-837.

[7]李金赐，梁九兴.基于ARM Cortex M3内核TFT觸摸屏无线遥控设计[J].福建师大福清分校学报，2012（5）：12-17.

Abstract：This paper designed the control system for water quality monitoring in unmanned boats， including boat system， handheld terminal and monitoring center. The system involves embedded technology， GPS technology， wireless communication technology， PWM control technology and GPRS communication technology. The system has two control modes： one is to remotely control the unmanned boat through the handheld terminal， GPS and wireless module， and the other is to independently navigate through GPS and electronic compass. The two methods work independently of each other.

Key words：unmanned boat; control system; remote control; autonomous navigation