謝辰旻，陳凌軒，強(qiáng)嘉鈺，馬帥華

（上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306）

環(huán)境中的中小型水域包括以河流湖泊為主的自然環(huán)境水域和以人工池塘、人工蓄水池（缸）為主的人工水域。近年來，隨著人民生活水平的提高，一方面對于部分水產(chǎn)品的需求增加，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展速度加快，水產(chǎn)養(yǎng)殖面積不斷擴(kuò)大，同時帶來不少環(huán)境污染問題；另一方面，大量興建泳池、蓄水池，購置大型魚缸等帶來了水質(zhì)清潔的問題。

水質(zhì)的惡化將會帶來生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的退化。在水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備中能夠進(jìn)行實時采集的指標(biāo)包括：水溫、pH 值、電導(dǎo)率和溶氧量[1]。為了監(jiān)控水質(zhì)污染問題，社會主流手段為引入監(jiān)測站或浮標(biāo)作為監(jiān)測點進(jìn)行定點監(jiān)測和引入無人船進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。針對水質(zhì)檢測及數(shù)據(jù)反饋研發(fā)的一種大環(huán)境水域監(jiān)測無人船[2]，其主要基于多傳感器和雙通信鏈路，可對傳感器采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時傳輸和反饋。另外，在環(huán)境水域監(jiān)測方面，水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)也發(fā)揮著重要作用，中科院南海海洋研究所曹文熙博士[3]提出了一種高度集成化的全天候數(shù)據(jù)采集和接收水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)裝置，可以實現(xiàn)全天候的定點水質(zhì)監(jiān)測。現(xiàn)代水質(zhì)監(jiān)測手段明顯存在自動化不足、站點不足、專業(yè)性缺乏的問題。從本團(tuán)隊的觀點出發(fā)，前文所述兩種手段均具有一定的優(yōu)勢，但存在以下三方面缺點：一是無法對深水水域進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測并獲取相應(yīng)信息；二是所需空間大，適用于大中型水域；三是現(xiàn)有技術(shù)難以集水質(zhì)改善和水質(zhì)監(jiān)測于一體。針對上述問題，該文設(shè)計制作了一款模塊化的“水寶”裝置。

1 方案綜述

1.1 系統(tǒng)組成

水下機(jī)器人誕生已久，在日常生活中卻很少出現(xiàn)，功能化的水下機(jī)器人更是少之又少。文獻(xiàn)[4]描述的是一種用于探測、打撈的安保水下機(jī)器人；文獻(xiàn)[5]根據(jù)仿生學(xué)原理，對魚類進(jìn)行仿生學(xué)分析設(shè)計了一種水下機(jī)器人。水下機(jī)器人或航行器的設(shè)計不同于地面駕駛工具的推進(jìn)方式和機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制方式也有所不同，其用途正處于探索和開發(fā)階段。該項目將水下航行器應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測和水質(zhì)改善，給業(yè)界拓展了新思路。

“水寶”尺寸約為45 cm×20 cm×10 cm（長×寬×高）（圖1）。裝置采用膠囊型設(shè)計，配有紫外線燈殺毒以及清潔設(shè)備，采用模塊化架構(gòu)以實現(xiàn)更多的功能，設(shè)計三視圖如圖2 所示。“水寶”主要設(shè)計思路如下：

（1）膠囊狀外形可使其在水中受壓相同，適用于全水深作業(yè)。

（2）該裝置可按照既定的路線，實現(xiàn)自主巡航。

（3）裝置配備超聲波傳感器系統(tǒng)（聲吶），可實現(xiàn)水下避障，在水下行駛更加高效、可靠。

（4）該裝置的模塊化結(jié)構(gòu)可根據(jù)不同需求，搭載多種不同類型的模塊，如各種傳感器及自身運(yùn)動姿態(tài)模塊等各種其他功能模塊。

對“水寶”裝置的控制主要由下位機(jī)部分完成，下位機(jī)部分將Arduino Mega2560 作為主控制器，實現(xiàn)對衛(wèi)星定位模塊、深度計裝置、動力推進(jìn)系統(tǒng)、避障系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和水質(zhì)改善系統(tǒng)等子系統(tǒng)的控制。將編寫好的程序燒錄到主控制板中，所有的系統(tǒng)都可發(fā)揮作用：衛(wèi)星定位模塊可確定自身所處的位置并為路徑規(guī)劃提供支持；深度計裝置反饋所處深度；動力推進(jìn)系統(tǒng)使得航行器可以在水下運(yùn)動；避障系統(tǒng)確?！八畬殹痹谒卤荛_障礙安全航行；傳感器系統(tǒng)針對周圍水環(huán)境作出分析，并將數(shù)據(jù)反饋至上位機(jī)平臺；水質(zhì)改善系統(tǒng)包括紫外線燈和pH值調(diào)節(jié)裝置，用于改善水環(huán)境。下位機(jī)系統(tǒng)詳細(xì)構(gòu)成如圖3 所示。

1.2 工作原理

“水寶”裝置采用Arduino 作為裝置主控制器，完成對各個模塊的控制?！八畬殹毖b置搭載GPS+BDS雙模衛(wèi)星定位系統(tǒng)和深度計裝置，通過程序設(shè)定航行的終點和運(yùn)行深度，“水寶”裝置啟動后自動向終點方向航行。航行過程中“水寶”裝置搭載的多傳感器可實現(xiàn)相應(yīng)的功能：超聲波傳感器發(fā)射超聲波用于實現(xiàn)水下自動避障；pH 傳感器選用PHJ-100B 型pH 電極[6]，可采集周圍水環(huán)境pH 值數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸給主控制器，通過將數(shù)值和標(biāo)準(zhǔn)值分析比對，“水寶”將向周圍水環(huán)境釋放酸性或堿性試劑用于改善局部水環(huán)境pH 值；同時溫度傳感器、濁度傳感器、溶氧量傳感器均可正常工作并采集相應(yīng)數(shù)據(jù)。

2 功能設(shè)計

2.1 運(yùn)動控制

定位模塊采用GPS+BDS 雙模定位系統(tǒng)結(jié)合深度計檢測模塊完成“水寶”自主巡航部分，與Arduino 單片機(jī)相連時，對應(yīng)的引腳相連，PPS 引腳空出，即可和主控制器實現(xiàn)信息的交互。在“水寶”航行過程中，GPS 不斷向外界發(fā)射位置信息，并交由控制器（單片機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由此保證了“水寶”按照既定的路線航行。具體方法如圖4、圖5 所示：通過程序設(shè)定終點（C）后，得到若干預(yù)設(shè)點（A、B、C），在GPS 的作用下獲取自身位置，并判斷與結(jié)束點最近預(yù)設(shè)點的相對位置，做出行駛動作，重新獲取自身位置，如此往復(fù)循環(huán)直至達(dá)到目標(biāo)點，跳出循環(huán)。

深度檢測模塊感受水中壓力測得深度，反饋給控制器，并根據(jù)當(dāng)前深度和所需工作深度對螺旋槳朝向進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)“水寶”的上浮和下沉。

2.2 水質(zhì)監(jiān)測及水質(zhì)改善

pH 值的測定通過pH 值檢測采集傳感器模塊實現(xiàn)，當(dāng)檢測的pH 值趨近于0 時，電壓為電源電壓（5V）；當(dāng)pH 值上升時，模塊輸出電壓下降，且模擬輸出電壓與pH 值呈線性關(guān)系。外接溫度補(bǔ)償電路部分可對pH 值進(jìn)行校正，消除了溫度對傳感器準(zhǔn)確性的影響。

該裝置采用雙蠕動泵進(jìn)行pH 值改善，泵1 接酸性試劑，泵2 接堿性試劑。需要實現(xiàn)的pH 值目標(biāo)值由軟件輸入，Arduino 主控制器分析外部水環(huán)境中檢測所得到的pH 值數(shù)據(jù)。若水環(huán)境中pH 值較大，泵1 打開，釋放一定劑量的酸性試劑，反復(fù)測定水域pH 值直到接近目標(biāo)值時停止。若測出水環(huán)境中的pH 值較目標(biāo)值小，則繼電器閉合，泵2 打開，為反應(yīng)液加堿性試劑直至達(dá)到目標(biāo)值。具體流程框圖如圖6 所示。

3 試驗

3.1 水質(zhì)監(jiān)測試驗

水質(zhì)監(jiān)測試驗通過收集巡航路線上采樣點間的pH 值和溫度值數(shù)據(jù)，驗證“水寶”裝置是否能夠在不同水深條件下高效地測得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。該試驗選取0 m（水面）、0.5 m（水下）和1 m（水下）三種深度分別進(jìn)行測量。“水寶”裝置的優(yōu)越性在于在相同時間內(nèi)測得多組數(shù)據(jù)，同時實現(xiàn)了全水深的高效工作。

水質(zhì)監(jiān)測試驗獲取數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 水質(zhì)監(jiān)測采樣數(shù)據(jù)表

3.2 酸性水域模擬調(diào)節(jié)試驗

利用膠頭滴管稀釋配置pH 值為10.27 的NaOH溶液20 mL，倒入反應(yīng)瓶A，向另外稀釋用的瓶中加入經(jīng)稀釋后的NaOH（記為B 瓶）和HCl（記為C瓶）。將pH 計插入A 瓶，由于pH 值大于7.50，所以會立刻聽到與C 瓶相連蠕動泵轉(zhuǎn)動。將C 瓶中的酸液加入反應(yīng)瓶A 中，直至pH 值小于7.50 時，停止轉(zhuǎn)動。完成整個試驗僅10 秒左右，試驗所得數(shù)據(jù)如圖7 所示，試驗數(shù)據(jù)采集頻率0.2 s/次。

3.3 堿性水域模擬調(diào)節(jié)試驗

利用膠頭滴管稀釋配置pH 值為4.15 的HCl溶液20 mL，倒入反應(yīng)瓶A，向另外稀釋用的瓶中加入經(jīng)過稀釋后的NaOH（記為B 瓶）和HCl（記為C瓶）。將pH 值計插入A 瓶，由于pH 值小于6.50，所以會立刻聽到與B 瓶相連蠕動泵啟動。將B 瓶中的堿液加入反應(yīng)瓶A 中，直至pH 值大于6.50 時，停止轉(zhuǎn)動，從而達(dá)到試驗?zāi)康?。試驗所得?shù)據(jù)如圖8 所示。

利用該裝置，我們又取用了其他化學(xué)用液進(jìn)行了試驗測定，各次記錄如下表2。

綜上所述，可見“水寶”所攜帶的水質(zhì)改善裝置具有極高的效率，能夠應(yīng)對各種廢液及各種pH 值環(huán)境。大大減少了改善水環(huán)境酸堿度所需要耗費的時間和人工成本，在中小型水域水質(zhì)改善過程中可起到較大的作用。

4 結(jié)論

水質(zhì)監(jiān)測已經(jīng)歷了人工監(jiān)測、儀器監(jiān)測階段，正在走向自動化監(jiān)測階段[7]。該文設(shè)計了一種基于Arduino 的水下航行器，“水寶”外觀呈膠囊型，確保全身受力均勻可承載較大水壓，適用于全水深工作環(huán)境；具備水質(zhì)改善裝置，能夠以極高的效率將中小型水域的局部pH 值調(diào)節(jié)至正常范圍；融合了多傳感器技術(shù)，能夠?qū)χ行⌒退虻膒H 值等數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測；結(jié)合了GPS 定位算法，通過超聲波傳感器實現(xiàn)自動避障，保證了“水寶”的穩(wěn)定和正常工作。

表2 處理實驗室溶液記錄表

“水寶”為各類型中小型水域提供全水深水質(zhì)檢測和水質(zhì)改善服務(wù)，提高了中小型水域水環(huán)境檢測效率，降低成本，對推廣應(yīng)用農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝置和進(jìn)行水質(zhì)環(huán)境檢測有促進(jìn)作用，同時能使人們的生活質(zhì)量得到保障和提升。