基于仿生机器鱼的水环境监测设备开发

杨晓贝

摘 要：自长江中华鲟灭绝之后，我国水环境保护已经到了迫在眉睫的时期，必须要及时把握水质变化和污染情况，确保水环境的质量。为了实现持续有效的监测，传统方式一般采用多固定点的模式，该模式成本昂贵，不能准确、实时、动态地实施监测。因此，研究了一种基于仿生机器鱼的水环境监测设备，并且对其应用进行了分析。

关键词：仿生机器鱼；水环境；监测；设备

我国水污染情况极为危急，已经严重危害到生态平衡，对环境的可持续发展造成了根本的威胁，人民的生存和健康面临巨大的考验。要建设绿水青山、解决我国水资源短缺和需求的巨大矛盾，就要加强对水温、pH、溶解氧及浊度等指标的监测，避免污染和人为损害[1]。水污染的浓度是不断变化的，会受到时间、地点、气象等不同条件的影响，采用传统人工采样的方法未必准确，而且投入和耗时都比较巨大，反应迟钝。因此，采用动态监测技术势在必行。近年来，机器鱼的技术飞速发展，智能化水平不断提高，能够实现智能监测，甚至还有污染治理功能，这为本研究提供了思路。本研究以低成本、小体积、智能化为原则，对基于仿生机器鱼的水环境监测设备的开发提出了创新的观点。

1 总体方案设计

1.1 总体架构

采用浮标式水质监测系统架构，采用频率为3次/s，能够准确检测温度、pH、浊度信号等指标，提高检测的精确度。检测数据既要可以在仿生鱼机器人系统终端界面显示，还要能够远程上传到PC端和移动端。在机器鱼的终端，要自动采样，分类处理，实时收集实验数据，显示各项监测指标，能够生成历史曲线，包括最大值、最小值及截至目前的平均值等数据，并且进行数据处理，自动生成诊断报告。系统还应具有数据保存功能，界面终端和PC端都具有数据存储功能，确保在剧烈运动和撞击情况下不会丢失数据。同时，设置自动报警装置，在超过警戒线时，自动报警。系统采用4层结构，加装智能化模块，方便后期升级管理，4层分别为水质传感器检测层、现场数据处理层、无线数据传输层和远程控制管理层[2]。系统的总体架构如图1所示。

1.2 通信方案

采用无线通信方式，包括串口、工业无线网、蓝牙和互联网通信等方式，采用Cortex-A8以上核心处理器，各模块要确保抗干扰性强，采用加密算法实现数据的保密，能够在省电模式进行低能耗工作。同时，还要考虑到成本低廉，在模塊化模式下选择ATK-HC05蓝牙模块、机智云模块等，提高系统的智能性。仿生机器鱼通过传感器连接到微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）系统，然后接入通信模组，突破了数据传输距离的限制。平台还可以增加多功能模块，提升机器仿生鱼全生命周期服务的能力。

1.3 监测和定位方案

对水质参数按照物理、化学、生物进行分类，具体分析浊度、透明度、色度、水温、pH、生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）、化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）、农药、菌类、微生物等指标。系统要能够实时显示这些数据，并且通过各个端口控制信号，比如，通过液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）模块进行传输显示[3]。内置GPS模块进行定位，采用异步串行传送方式进行传输，通过GPS模块传输到数据分析中心，经过网络上传到地图平台，如此循环往复。系统有自动导航功能，可以按照轨迹自主运动，无需人为控制。

2 系统设计与实现

2.1 硬件设计

硬件设计要采用模块化方式，主要硬件包括传感器、信号调理机构、主控机构、LCD显示机构、无线串口机构、蓝牙机构、电源设备、按键部件等。处理器要综合考虑速度、性能和成本，满足系统运行需要，更要降低能耗，减少发热量。在此基础上，做好主控模块电路模块设计，完善总体架构。传感器要性能良好、抗干扰能力强，封装后能够适合多种工作场景，测量范围大、测量精度高，支持多点采集。硬件设计要遵循可靠性、经济性和科学性原则，提高系统的监测能力，能够在不同工况下进行监测。供电系统可以使用燃油动力、锂电池和太阳能电池板等，提升续航能力。硬件设计的通用性应该较强。

2.2 软件设计

选择C语言进行编程，安装LCD驱动程序，完善各个硬件模块的驱动程序，系统界面参照Windows模式，提升显示的人机和谐度[4]。系统还应该和外界平台相连接，能够在移动端和PC端进行远程操作和控制。虽然系统数据要有加密性，但是考虑到环保的公益性和信息共享性，尽量提升系统开放性。无论在手机端还是PC端，都要求操作简单、界面友好、数据共享和处理方便，而不是复杂的编程。同时，为了方便设计人员修改，还可以采用可视化编程等模式，提高设计性。为了提高系统的通用性，应该尽量使用外部开放软件进行连接，提升兼容性，强化系统功能。在系统完善之后，要进行精确的测试，对温度、pH、浊度、微生物含量等指标进行检验和对比。

3 系统应用与创新

3.1 在水环境污染监测中的应用

多个仿生机器鱼监测系统可以同时工作，按照规划线路进行监测，发现污染源的位置之后向监控中心报警。同时，机器鱼之间也要进行联网互动，实现团结协作，提升监测效率。为了提高监测的精度，就要对污染源的位置进行搜索，传统采用排查的方式逐渐缩小范围。针对于此，可以进行一些方法上的改进，比如，根据污染源扩散的浓度梯度来搜索污染源的位置。为了提升污染源监测功能，仿生鱼系统在设计中还应该注意确保其密封性，除了漂浮之外，还应该具有潜水功能。除了监测功能，还可以根据仿生鱼的大小，安装污染清除装置，比如针对水面油污，安装油污回收装置。还可以结合我国水环境监测的实际需要，设置探测和搜救功能，提升系统的多元应用性能[5]。视频拍摄功能将是仿生机械鱼的主要功能，在设备上安装可360°旋转的摄像头，对水下环境进行拍摄，还可以探测鱼群的状态。

3.2 当前水污染监测仿生机器鱼的技术瓶颈

首先，动力技术还存在不足，仍然有將电池作为动力的情况，大多数采用充电方式提供动力，能够提供的能量有限，如果要使用全过程视频高清晰拍摄等功能，那么耗电量就比较大。为了解决这一问题，未来仿生鱼可以采用氢能源等清洁动力，确保动力系统的持久性。其次，成本较高，一台能潜水50 m以下的机器仿生鱼成本高达十多万，而且通用性差，还需要个别定制。目前，不同的仿生鱼编程技术不同，功能较少，也不能满足用户的需求。这主要是因为仿生鱼运动学技术研发的成本较高，需要较大的科技投入。要想解决这一问题，就要进一步提升技术标准的通用性，实现各部件的标准化生产。最后，环保性还有待提高，有造成二次污染的风险。比如，造成辐射性污染和油污泄漏的风险。这需要进一步探索绿色技术，提升密封性。

4 结语

仿生机器鱼是基于仿生学原理，针对我国水环境的污染现状，为提升水环境监测水平而设计的。未来智能化将是系统的主要发展方向，仿生鱼将会更好地用于水质监测环境，实现智能化和自主化作业。比如，自动根据水质情况提出智能化判断和处理建议，实现自主探测和救援功能。

[参考文献]

[1] 李岩.我国的水环境现状研究[J].科技风，2016（18）：139.

[2] 叶璐，张珞平，郭娟，等.河口区海洋环境监测与评价一体化研究Ⅰ—珠江口水环境监视性监测方案设计，实施和改进[J].海洋环境科学，2014，33（1）：105-112.

[3] 付如彬，李亮，徐成.基于强化学习的仿生机器鱼节能研究[J].北京大学学报（自然科学版），2019，55（3）：405-410.

[4] 刘珍娜，秦婧文.浅谈仿生水下机器人的发展现状[J].山东工业技术，2018（1）：201.

[5] 陈珏.我国水环境监测存在的问题及对策[J].环境与发展，2019（4）：181.

Development of water environment monitoring equipment based on bionic robot fish

Yang Xiaobei

（Shanxi Conservancy Technical Institute， Yuncheng 044004， China）

Abstract：Since the extinction of Acipenser sinensis in the Yangtze River， the water environment protection in China has reached an urgent period. We must grasp the water quality change and pollution situation in time to ensure the quality of water environment. In order to achieve continuous and effective monitoring， the traditional mode is usually multi fixed point mode， which is expensive and can not complete the monitoring accurately， in real time and dynamically. Therefore， this paper studies a kind of water environment monitoring equipment based on bionic robot fish， and analyzes its application.

Key words：bionic robot fish； water environment； monitoring； equipment