楊曉貝

摘 要：自長(zhǎng)江中華鱘滅絕之后，我國(guó)水環(huán)境保護(hù)已經(jīng)到了迫在眉睫的時(shí)期，必須要及時(shí)把握水質(zhì)變化和污染情況，確保水環(huán)境的質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)持續(xù)有效的監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)方式一般采用多固定點(diǎn)的模式，該模式成本昂貴，不能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地實(shí)施監(jiān)測(cè)。因此，研究了一種基于仿生機(jī)器魚的水環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，并且對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：仿生機(jī)器魚；水環(huán)境；監(jiān)測(cè)；設(shè)備

我國(guó)水污染情況極為危急，已經(jīng)嚴(yán)重危害到生態(tài)平衡，對(duì)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展造成了根本的威脅，人民的生存和健康面臨巨大的考驗(yàn)。要建設(shè)綠水青山、解決我國(guó)水資源短缺和需求的巨大矛盾，就要加強(qiáng)對(duì)水溫、pH、溶解氧及濁度等指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，避免污染和人為損害[1]。水污染的濃度是不斷變化的，會(huì)受到時(shí)間、地點(diǎn)、氣象等不同條件的影響，采用傳統(tǒng)人工采樣的方法未必準(zhǔn)確，而且投入和耗時(shí)都比較巨大，反應(yīng)遲鈍。因此，采用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)勢(shì)在必行。近年來(lái)，機(jī)器魚的技術(shù)飛速發(fā)展，智能化水平不斷提高，能夠?qū)崿F(xiàn)智能監(jiān)測(cè)，甚至還有污染治理功能，這為本研究提供了思路。本研究以低成本、小體積、智能化為原則，對(duì)基于仿生機(jī)器魚的水環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的開發(fā)提出了創(chuàng)新的觀點(diǎn)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

采用浮標(biāo)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)，采用頻率為3次/s，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)溫度、pH、濁度信號(hào)等指標(biāo)，提高檢測(cè)的精確度。檢測(cè)數(shù)據(jù)既要可以在仿生魚機(jī)器人系統(tǒng)終端界面顯示，還要能夠遠(yuǎn)程上傳到PC端和移動(dòng)端。在機(jī)器魚的終端，要自動(dòng)采樣，分類處理，實(shí)時(shí)收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，顯示各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，能夠生成歷史曲線，包括最大值、最小值及截至目前的平均值等數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)生成診斷報(bào)告。系統(tǒng)還應(yīng)具有數(shù)據(jù)保存功能，界面終端和PC端都具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，確保在劇烈運(yùn)動(dòng)和撞擊情況下不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。同時(shí)，設(shè)置自動(dòng)報(bào)警裝置，在超過(guò)警戒線時(shí)，自動(dòng)報(bào)警。系統(tǒng)采用4層結(jié)構(gòu)，加裝智能化模塊，方便后期升級(jí)管理，4層分別為水質(zhì)傳感器檢測(cè)層、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理層、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸層和遠(yuǎn)程控制管理層[2]。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

1.2 通信方案

采用無(wú)線通信方式，包括串口、工業(yè)無(wú)線網(wǎng)、藍(lán)牙和互聯(lián)網(wǎng)通信等方式，采用Cortex-A8以上核心處理器，各模塊要確?？垢蓴_性強(qiáng)，采用加密算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保密，能夠在省電模式進(jìn)行低能耗工作。同時(shí)，還要考慮到成本低廉，在模塊化模式下選擇ATK-HC05藍(lán)牙模塊、機(jī)智云模塊等，提高系統(tǒng)的智能性。仿生機(jī)器魚通過(guò)傳感器連接到微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）系統(tǒng)，然后接入通信模組，突破了數(shù)據(jù)傳輸距離的限制。平臺(tái)還可以增加多功能模塊，提升機(jī)器仿生魚全生命周期服務(wù)的能力。

1.3 監(jiān)測(cè)和定位方案

對(duì)水質(zhì)參數(shù)按照物理、化學(xué)、生物進(jìn)行分類，具體分析濁度、透明度、色度、水溫、pH、生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）、化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）、農(nóng)藥、菌類、微生物等指標(biāo)。系統(tǒng)要能夠?qū)崟r(shí)顯示這些數(shù)據(jù)，并且通過(guò)各個(gè)端口控制信號(hào)，比如，通過(guò)液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）模塊進(jìn)行傳輸顯示[3]。內(nèi)置GPS模塊進(jìn)行定位，采用異步串行傳送方式進(jìn)行傳輸，通過(guò)GPS模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析中心，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到地圖平臺(tái)，如此循環(huán)往復(fù)。系統(tǒng)有自動(dòng)導(dǎo)航功能，可以按照軌跡自主運(yùn)動(dòng)，無(wú)需人為控制。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)要采用模塊化方式，主要硬件包括傳感器、信號(hào)調(diào)理機(jī)構(gòu)、主控機(jī)構(gòu)、LCD顯示機(jī)構(gòu)、無(wú)線串口機(jī)構(gòu)、藍(lán)牙機(jī)構(gòu)、電源設(shè)備、按鍵部件等。處理器要綜合考慮速度、性能和成本，滿足系統(tǒng)運(yùn)行需要，更要降低能耗，減少發(fā)熱量。在此基礎(chǔ)上，做好主控模塊電路模塊設(shè)計(jì)，完善總體架構(gòu)。傳感器要性能良好、抗干擾能力強(qiáng)，封裝后能夠適合多種工作場(chǎng)景，測(cè)量范圍大、測(cè)量精度高，支持多點(diǎn)采集。硬件設(shè)計(jì)要遵循可靠性、經(jīng)濟(jì)性和科學(xué)性原則，提高系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)能力，能夠在不同工況下進(jìn)行監(jiān)測(cè)。供電系統(tǒng)可以使用燃油動(dòng)力、鋰電池和太陽(yáng)能電池板等，提升續(xù)航能力。硬件設(shè)計(jì)的通用性應(yīng)該較強(qiáng)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

選擇C語(yǔ)言進(jìn)行編程，安裝LCD驅(qū)動(dòng)程序，完善各個(gè)硬件模塊的驅(qū)動(dòng)程序，系統(tǒng)界面參照Windows模式，提升顯示的人機(jī)和諧度[4]。系統(tǒng)還應(yīng)該和外界平臺(tái)相連接，能夠在移動(dòng)端和PC端進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和控制。雖然系統(tǒng)數(shù)據(jù)要有加密性，但是考慮到環(huán)保的公益性和信息共享性，盡量提升系統(tǒng)開放性。無(wú)論在手機(jī)端還是PC端，都要求操作簡(jiǎn)單、界面友好、數(shù)據(jù)共享和處理方便，而不是復(fù)雜的編程。同時(shí)，為了方便設(shè)計(jì)人員修改，還可以采用可視化編程等模式，提高設(shè)計(jì)性。為了提高系統(tǒng)的通用性，應(yīng)該盡量使用外部開放軟件進(jìn)行連接，提升兼容性，強(qiáng)化系統(tǒng)功能。在系統(tǒng)完善之后，要進(jìn)行精確的測(cè)試，對(duì)溫度、pH、濁度、微生物含量等指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)和對(duì)比。

3 系統(tǒng)應(yīng)用與創(chuàng)新

3.1 在水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

多個(gè)仿生機(jī)器魚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以同時(shí)工作，按照規(guī)劃線路進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)污染源的位置之后向監(jiān)控中心報(bào)警。同時(shí)，機(jī)器魚之間也要進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)團(tuán)結(jié)協(xié)作，提升監(jiān)測(cè)效率。為了提高監(jiān)測(cè)的精度，就要對(duì)污染源的位置進(jìn)行搜索，傳統(tǒng)采用排查的方式逐漸縮小范圍。針對(duì)于此，可以進(jìn)行一些方法上的改進(jìn)，比如，根據(jù)污染源擴(kuò)散的濃度梯度來(lái)搜索污染源的位置。為了提升污染源監(jiān)測(cè)功能，仿生魚系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中還應(yīng)該注意確保其密封性，除了漂浮之外，還應(yīng)該具有潛水功能。除了監(jiān)測(cè)功能，還可以根據(jù)仿生魚的大小，安裝污染清除裝置，比如針對(duì)水面油污，安裝油污回收裝置。還可以結(jié)合我國(guó)水環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要，設(shè)置探測(cè)和搜救功能，提升系統(tǒng)的多元應(yīng)用性能[5]。視頻拍攝功能將是仿生機(jī)械魚的主要功能，在設(shè)備上安裝可360°旋轉(zhuǎn)的攝像頭，對(duì)水下環(huán)境進(jìn)行拍攝，還可以探測(cè)魚群的狀態(tài)。

3.2 當(dāng)前水污染監(jiān)測(cè)仿生機(jī)器魚的技術(shù)瓶頸

首先，動(dòng)力技術(shù)還存在不足，仍然有將電池作為動(dòng)力的情況，大多數(shù)采用充電方式提供動(dòng)力，能夠提供的能量有限，如果要使用全過(guò)程視頻高清晰拍攝等功能，那么耗電量就比較大。為了解決這一問(wèn)題，未來(lái)仿生魚可以采用氫能源等清潔動(dòng)力，確保動(dòng)力系統(tǒng)的持久性。其次，成本較高，一臺(tái)能潛水50 m以下的機(jī)器仿生魚成本高達(dá)十多萬(wàn)，而且通用性差，還需要個(gè)別定制。目前，不同的仿生魚編程技術(shù)不同，功能較少，也不能滿足用戶的需求。這主要是因?yàn)榉律~運(yùn)動(dòng)學(xué)技術(shù)研發(fā)的成本較高，需要較大的科技投入。要想解決這一問(wèn)題，就要進(jìn)一步提升技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的通用性，實(shí)現(xiàn)各部件的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。最后，環(huán)保性還有待提高，有造成二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。比如，造成輻射性污染和油污泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。這需要進(jìn)一步探索綠色技術(shù)，提升密封性。

4 結(jié)語(yǔ)

仿生機(jī)器魚是基于仿生學(xué)原理，針對(duì)我國(guó)水環(huán)境的污染現(xiàn)狀，為提升水環(huán)境監(jiān)測(cè)水平而設(shè)計(jì)的。未來(lái)智能化將是系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，仿生魚將會(huì)更好地用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)智能化和自主化作業(yè)。比如，自動(dòng)根據(jù)水質(zhì)情況提出智能化判斷和處理建議，實(shí)現(xiàn)自主探測(cè)和救援功能。

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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