北斗衛星融合定位水質監測智能巡航船

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北斗衛星融合定位水質監測智能巡航船伴隨着現代文明的進步，水污染也在日益加劇。水質監測是保護水資源的重要環節，然而水質定點檢測的方法不足以充分放映整個水域的水質信息，且其工作量大、覆蓋範圍不全面、檢測時效性差、無法實現顯示監測信息。

基於以上考慮，本課題研究的是遠程水質測量船，針對小型人工湖的水質進行大規模大範圍的水質檢測，優化處理水質定點檢測網絡布局，以期實時動態監測檢測水域的水質。

本系統設計分為硬件控制終端、無線通信數據傳輸、監測信息顯示平台三大部分。硬件控制終端由STM32開發板主控，搭載NB-IoT模塊BC26、藍牙數據傳輸模塊、GPS/北斗衛星融合定位模塊、4.8寸LCD顯示屏、多個水質檢測傳感器。使用藍牙數據傳輸模塊對巡航船進行指令控制，在水面上實現前進、後退、左轉、右轉等手動控制操縱。通過主控MCU實現巡航船的衛星定位以及水質檢測數據的採集，NB-IoT模塊BC26將硬件控制終端所採集的數據通過LwM2M傳輸協議上傳至OneNET雲平台上所搭建的監測信息顯示平台，應用NB-IoT物聯網套件進行實時數據顯示，以折線圖的形式直觀地顯示PH、TDS、濁度等水質信息，同時顯示巡航船的衛星定位信息。

關鍵詞：STM32；水質檢測；北斗模塊

目錄

設計方案

此設計研究的是遠程水質測量船，總體可分為硬件控制終端、無線通信數據傳輸、監測信息顯示平台三大部分。巡航船硬件控制終端採用嵌入式開發板，控制電機轉速、舵機轉角和衛星定位信息的接收，以保證巡航船的正常航行，更好地執行水質監測任務。在嵌入式開發板上搭載多個水質檢測傳感器，以採集水質的PH、TDS、濁度等數據信息，通過無線通信數據傳輸模塊實現硬件控制終端與監測信息顯示平台之間的數據通信，將水質數據、衛星定位等信息上傳至監測信息顯示平台，從而進行數據的分析處理、存儲顯示。此外，通過藍牙數據傳輸的方式發送相關指令對巡航船進行控制操作，以實現巡航船的航行以及相關數據採集。

方案論證

船體設計方案選擇

方案一：單船體。考慮到巡航時可能會受水流阻力、水面風浪等影響，採取V字型船首結構設計，往船尾逐漸變寬以減少水流阻力，船橫切面設計為類矩形結構，船底採用平底。這類船體需充分利用船艙的有限空間，提高船體穩定性，以防止巡航過程中由於船體重心發生偏差導致側翻的情況，同時需要對船中的電路做防水保護處理。

方案二: 雙船體。相對於單一船體而言，採用雙船體設計結構更穩固，可提供足夠的穩.定性，船艙可利用空間和承重能力也會更大，方便對巡航船進行操縱控制，但相應地巡航船的航行速度會有一定的影響。

本設計對船體整體的穩定性、防水性都有一定的要求，巡航過程中船體必須保持平穩，防止側翻，同時還需要考慮硬件控制終端電路的防水保護。基於這兩點先決條件的考慮，採用方案二，設計一個雙船體巡航船，保證巡航船的平穩航行，船首採用V字型結構減少水流阻力，船體之間連接處的船艙部分使用鏤空設計，使得硬件控制終端與水平面有一定的高度差，加之輔以泡沫板增加對電路的防水保護。由於本設計中硬件控制終端外設較多，對承重有一定的要求，因此在中間船艙連接處需加固以防止巡航船船體散架。

嵌入式開發板方案選擇

方案一：STM32。STMicroelectronics（意法半導體）生產多系列32位數據處理芯片，可滿足項目具體應用的需求，其數據運算處理快，提供了豐富的I/O口，成本低、功耗低且有眾多軟件包支持，另外提供STM32CUBE給用戶，可根據具體應用開發需求進行選型，簡單易用。

方案二：myRIO。NI(美國國家儀器)的myRIO是一款便攜式設備，包含雙核處理器、多路輸入輸出以及WiFi支持，可使用LabView或C/C++對該設備直接編程，連接多種傳感器且能直接控制多個外設，只需簡單的幾個設計就能完成通信設置，成為一個WiFi熱點，實現硬件控制終端與監測信息顯示平台的數據交互。

方案三：飛控板。相對以上兩種嵌入式開發板，飛控板集成度較高，靈巧輕便，配備對應的接口外接所需要的模塊，外部線路設計簡單，可將上位機的指令轉換成各種控制信號，直接控制搭載在飛控板上的各種外設[2]。

本設計使用的外設較多，需要使用多個I/O口，對數據的處理速度有一定的要求，結合應用開發過程中的具體需求，選用STM32嵌入式開發板，技術文檔豐富全面，使用社群涵蓋面廣，便於開發過程中進行借鑑。

無線通信數據傳輸方案選擇

方案一：WiFi。ESP8266是一款WiFi模塊。其低成本低功耗，能夠快速聯網且無線通信數據傳輸穩定，同時也可進行雙向通信，檢測多種傳感器信息，實現本設計中硬件控制終端的數據上傳以及對巡航船的指令控制。特別需要注意的是該模塊在300m以內可保持穩定可靠的連接。

方案二：Lora。 Lora無線通信模塊使用擴頻通信技術，低功耗、抗干擾能力強、傳輸距離遠，有效通信距離可達3千米以上，但Lora自身有服務端，需要自己組網以進行數據傳輸。

方案三：NB-IoT。NB-IoT（窄帶物聯網）兼備了Lora的技術優勢，覆蓋範圍大，可同時連接多台終端應用設備，但需要運營商的支持，運營商通過收取資費來提供相應的服務。

本設計基於數據傳輸距離和通信發展未來性的考慮，選擇方案三，所採用的模塊是移遠通信的NB-IoT模塊BC26，這個模組使用的是聯發科的芯片MT2625，支持多個雲平台，為系統設計提供極大的便利。

監測信息顯示平台設計方案選擇

方案一：安卓手機應用。用Java設計監測信息顯示平台，可以編寫一個APP，具有良好的人機交互效果，主要開發平台是Android Studio，代碼開源且可利用的技術資源多，若使用ESP8266這款WiFi模塊，可與智能手機進行連接，使用所設計的APP直接對巡航船進行指令控制，且能夠在手機界面直觀顯示。

方案二：PC端上位機。使用C#設計上位機，可在PC端設計一個exe運行文件，相對而言C#語言簡單實用。另外微軟所搭建的Visual Studio平台組件庫豐富，可通過簡單的控件拖拉即可實現較好的UI界面，可直接與SQL Server連接以進行數據的存儲。方便後期數據查看，但數據的上傳下發需要通過第三方雲服務器，其中需要收取一定的資費。

方案三：物聯網雲平台。 OneNET是運營商中國移動為物聯網應用所搭建的第三方應用開發雲平台，通過構建接入平台、大數據平台，提供多設備雲端管理、數據流可視化分析、多協議網絡適配等服務，可快速實現開發者具體應用設計需求。

本設計只需要顯示水質的檢測數據以及巡航船的定位信息，從未來的數據顯示發展趨勢來看，物聯網雲平台是主流，隨着5G通信的日漸成熟，NB-IoT模塊不僅能實現數據上傳，更能實時上傳圖片和視頻信息，進一步保障水質檢測工作的準確性和完整性。所以選擇方案三。