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基于无人船的水质监测及控制系统设计王柏林;唐梦奇;李佳;刘云平【摘要】针对执行水质监测任务过程中固定浮标监测站单点监测存在局限性、船载观测人员取样耗时耗力等问题,本文设计了一种搭载多点、分层自动采水取样装置的智能无人船水质监测系统,可实现目标水域的多点、分层连续水质数据测量及取样.该智能无人船具备基于快速随机树(Rapid Random Tree)算法的自主避障和快速路径规划功能,解决了现有无人船技术存在的多障碍自主路径规划难等问题.同时,本设计结合了ARM9控制芯片、M5310无线传输模块,通过可视化的显示界面和远程WEB访问的功能,大大提升了科研人员及时处理特殊情况便捷性.通过实验测试及比对分析,证明本设计具有智能高效、稳定可靠等优点,能够满足职能部门对于水质监测工作的需要.【期刊名称】《海洋技术》【年(卷),期】2019(038)004【总页数】7页(P32-38)【关键词】水质数据;定点、分层采水;无人船;无线传输【作者】王柏林;唐梦奇;李佳;刘云平【作者单位】中国华云气象科技集团公司,北京100081;南京信息工程大学信息与控制学院,江苏南京210044;中国华云气象科技集团公司,北京100081;南京信息工程大学信息与控制学院,江苏南京210044【正文语种】中文【中图分类】TP39目前国家特别注重水质管理和监测工作，强调要加强水域环境保护的策略。
随着水域污染问题日趋严重，我国政府采取了一系列预防和管理措施，保护水域生物资源和生态系统。
我国水质环境监测技术也在不断提高和进步。
最近几年，国家的水质环境监测机构已经对相关水域采取了全方位监控，以确保能够有效地监测水域环境状况。
以往，我国针对水质监测，主要采用人工采样分析和浮标定点监测两种方式。
对于人工采样，排污口等往往是水质监测的重点区域，还有水域情况复杂的区域，大船往往不能驶入，通常的做法是监测人员租用小木筏或者小渔船到定点区域采样，这对人员工作造成一定的危险[1]。
基于STM32水质监测无人船系统设计摘要：目前对水质的监测主要通过人工采样监测、浮标监测或设置固定水质监测站点来进行，存在的实时性差、准确度不高、工作效率低、成本高、灵活性低、监测范围受限、不适用于对重度甚至有毒水污染环境应急监测等问题，本文以STM32控制器为基础，设计了一种搭载水质监测传感器及摄像头的无人船，实现了对水环境的无人、实时、准确、高效的监测及智慧管理。
关键词：无人船；STM32；水质监测；北斗模块0 引言随着城市化、工业化的生产发展，港口、河流、湖泊的水质环境日益遭到破坏，从而会导致大量的水面污染、鱼类死亡、环境日益恶化，给人民生活带来了极大的影响和破，水质保护面临巨大压力。
因此针对目前的水体污染现象，对河流、湖泊、灌溉水质、城市河道进行水体数据的采集和实时监测便显得尤为重要。
目前，水质监测主要有人工采样监测、固定的水质自动监测站、浮标、大型移动船只测量方式。
水质自动监测站，自动监测站可以提供准确的水质信息，连续工作，但是经费投入大，需要定期人工维护和人工监测河道中心水质数值。
现有的自动监测站站点不足，不能满足现如今更大规模对于水体保护监测的要求；浮标相对于自动监测站点具有体积小、方便投放等优点，但监测范围窄、易损坏、维护困难；大型水质监测移动船不适用于水面较为狭窄的城市河道。
针对传统水质监测存在的问题，结合GPS、超声波和图像算法做到水域内自主巡航和避障，根据监测工作的需求搭载多种水质监测传感器，能将一定的水体样本带回实验室分析，设计了一种自主航行无人船，能到达水体大部分区域，可对水体进行连续性监测，可用于城市内河、湖泊甚至近海岸等各种类型水体的监测。
1 水质监测无人船系统总体设计方案水质监测无人船系统的总体设计方案如图1所示。
主要由主控制模块、信息采集模块、通信模块、航行控制系统模块、电源模块五部分组成。
主控制模块选用STM32G431单片机，信息采集模块包括GPS-BD定位模块、水质检测模块、超声波测距模块、电子罗盘，选用4G-DTU作为通信模块，左、右电机和两个无刷电调组成航行控制系统模块，电源模块采用一块12V的蓄电池和太阳能板，在白天太阳光照充足的情况下使用太阳能模块供电；在光照不足时采用蓄电池模块为无人船平台的其他模块供电。
面向无人船的水体监测系统设计摘要：在 21 世纪，我国踏入经济高速发展时期，各类大大小小企业随之建立，全方面塑造我国进入工业化时代。
但我国大部分企业忽视对排放污水的治理，随意将工业废水排放湖泊河流中，致使大量可饮用水源遭受，水环境污染问题愈发严重，水质监测也显得愈发重要。
关键词：无人船；水体监测；系统设计；引言无人船在海上领域的发展中有着广泛的应用，在水质检测、海面巡逻等方面有着较大发展空间和发展前景。
当下，世界各国都十分关注海洋下的资源和宝藏，因此各国都在大力研发能够探测海底的设备，而无人船可以广泛地应用到海上领域，因此无人船的发展也受到了各国的高度重视。
如今，无人船已经发展成监测海洋环境、观测海洋水文数据、勘探海洋资源和海洋灾害的重要手段。
随着水环境问题的日益严峻和政府对水环境监测能力要求不断提升，为了弥补现有水质监测工作的缺陷，有必要研究一款面向无人船的水体监测系统，将其应用到水域环境监测，实现水质例行监测和污染事故应急监测，促进水域环境的科学管理。
1.水质监测无人船总体结构本文的智能水质监测平台是基于无人船进行设计开发的，主要考虑了无人船的以下特点：（1）无人船尺寸小，不但可以监测大范围水域，也适合狭小水域作业。
（2）无人船设备操作便携灵活，只需工作人员远程遥控作业而不必亲自下水，大大降低了工作人员的自身安全隐患，并且可以提高水质监测的效率。
另外，基于无人船的智能水质监测平台是传统监测模式的一个补充监测手段，不是替代，为了提高水质监测的准确性和机动性。
无人船智能水质监测平台主要包括以下几个组成部分：监测不同水质参数的传感器、监测终端、手持终端设备、监控平台中心以及无线通信模块。
1.1监测终端监测终端主要由嵌入式主控板、动力电机、转向舵机、GPS 模块、SD 卡和无线模块等组成。
通过手持终端发送控制指令，再通过无线模块接收指令进而控制监测终端，水质监测传感器监测到的数据通过 GPRS 网络模块发送到控制中心。
智慧渔业水质监测系统设计设计方案智慧渔业水质监测系统设计方案一、项目背景随着渔业的不断发展和水资源的日益紧缺，水质监测成为了渔业生产过程中的重要环节。
传统的水质监测方法费时费力，且准确性难以保证。
为了提高渔业生产效益和保护水资源，需要设计一个智慧渔业水质监测系统，实现对水质的实时监控和准确评估，从而为渔业生产提供科学依据。
二、系统设计方案1. 系统架构智慧渔业水质监测系统由传感器、数据采集模块、数据处理模块、数据库和用户界面组成。
2. 传感器系统采用多种不同种类的传感器，包括PH传感器、浊度传感器、溶解氧传感器等，用以检测水质的不同参数。
3. 数据采集模块数据采集模块通过接收传感器发出的信号，将采集到的数据传输给数据处理模块。
数据采集模块需要具备稳定可靠的信号接收和传输功能。
4. 数据处理模块数据处理模块对采集到的数据进行处理和分析，计算各个指标的值，并根据预设的阈值进行判断，警报或报警。
5. 数据库系统通过数据库存储采集到的数据，实现对历史数据的管理和查询。
数据库需要具备高效的存储和检索功能。
6. 用户界面用户界面为系统的显示和控制平台，方便用户实时监控水质状况和管理系统。
用户界面需要具备友好的操作界面和功能丰富的操作。
三、系统功能1. 实时监测功能：系统能够实时监测水质参数，包括PH值、溶解氧含量、浊度等，同时能够及时发出警报，并将警报信息推送给相关人员。
2. 预警功能：系统在数据处理模块根据预设的阈值进行判断，当某一指标超过阈值时，系统能够自动进行预警，通知相关人员及时采取措施。
3. 数据分析功能：系统能够对采集到的数据进行分析和统计，生成水质报表，为决策提供科学依据。
同时，系统能够根据历史数据分析水质的趋势和变化，提供水质变化的预测。
4. 远程控制功能：用户界面可以实现对传感器的远程监控和控制，方便用户对渔业生产过程进行远程管理。
四、系统优势1. 实时性高：系统能够实时监测水质参数，及时发出警报和预警信息，提高了监测和控制的效率。
水产养殖环境监测系统的设计与实现随着人类对食品质量和安全的要求越来越高，水产养殖行业也面临着越来越多的挑战。
水质是影响水产养殖质量和安全的一个重要因素，因此，水产养殖环境监测系统的设计和实现变得非常必要。
一、现状分析当前，水产养殖环境监测系统的普及率不高，仍然存在很多问题。
例如，部分养殖企业还在采用传统的检测方式，手工抽取水样进行化验，这种方式效率低下且成本较高。
另外，一些企业采用了自动化水质监测设备，但由于设备的精度不足或者网络不稳定，导致监测结果的准确性不高或者无法及时反馈给企业管理者。
二、设计方案针对以上问题，设计一款水产养殖环境监测系统。
该系统主要由 pH 值、溶解氧、氨氮、温度等多个传感器、嵌入式系统、数据库、网络通信模块等组成。
1. 传感器：传感器是该系统的核心部件，用于实时监测水质指标并将数据反馈给嵌入式系统。
通过对多种传统水质监测仪器的比较和分析，选用低成本、高精度、稳定性好的传感器。
例如，pH 值传感器采用玻璃电极传感器，溶解氧传感器采用极谱氧传感器等。
2. 嵌入式系统：嵌入式系统是指将硬件和软件集成在一起的系统。
系统既需要具备数据采集及分析处理的功能，又要具备网络通信等交互性质。
这里嵌入式系统采用了基于ARM 架构的微处理器。
主控芯片采用 STM32F103RET6，并集成了以太网接口，可以实现数据的远程传输。
3. 数据库：系统采用MySQL 数据库来存储和管理数据，可以实现多用户同时访问和修改。
在数据库设计时，需要结合实际需求来决定数据表的数量和字段，如水质监测数据表和养殖企业信息表等。
可以将数据可视化并实现实时监测以及预警等功能。
4. 网络通信模块：系统采用 TCP/IP 协议进行网络通信。
传感器将监测数据采集后发送到嵌入式系统，嵌入式系统再将数据上传至服务器。
通过 HTTP 协议和 WEB 小程序的设计，将数据可视化并交互给企业管理者，同时也可提供远程控制的功能。
三、实现方案该系统是一个具有实用功能的硬件和软件集成系统，需要首先实现硬件方面和服务器端的开发。
基于无人船的水中环境监测技术研究随着技术的不断进步和人们对环境保护重视程度的提高，水中环境监测技术研究越来越受到关注。
无人船作为一种可以自主行驶的水面载体，正逐渐成为水中环境监测的重要工具。
本文将探讨基于无人船的水中环境监测技术研究。
一、无人船在水中环境监测中的应用无人船具有自主导航、自主控制的功能，能够根据用户的需求完成测量、取样、录像等任务。
在水中环境监测方面，无人船可以搭载各种设备和传感器，对水质、水温、水位等水环境参数进行监测。
与传统的手动监测方式相比，无人船在监测范围、监测精度、监测效率等方面具有很大的优势。
二、无人船监测系统的组成基于无人船的水中环境监测系统主要由无人船、控制系统、传感器和数据传输系统等组成。
其中，无人船作为载体，负责在水体中行驶，将监测任务完成。
控制系统则负责指挥无人船的行动和控制传感器的工作。
传感器则是监测系统的核心部分，负责实时获取水环境参数。
最后，数据传输系统则将获取的数据传输到后台服务器进行处理和分析。
三、无人船监测系统的优点基于无人船的水中环境监测系统相较于传统的手动监测方式有以下优点：1、无人船具有自主导航、自主控制的功能，可以完成对更广泛的水域进行监测，监测范围更大；2、传感器贴近水面并能够周密高效的收集水质、水温、水位等数据，监测效率更高，监测精度也更大；3、该系统可以对水域进行实时监测、调查和分析，及时发现污染源，保护水体生态环境。
四、无人船监测系统在现实应用中的案例基于无人船的水中环境监测技术已经在现实中得到了广泛的应用和验证。
例如，黄河流域水质监测系统是基于无人船所开发的水环境监测系统之一，通过安装多种传感器，以及相机和声纳等实时监测水质、水温、地下水位、底泥粒度、水下浮游生物等水文生态信息。
餐饮废水管理水环境监测式同样基于无人船开发的环境监测系统。
其中无人船已经在南昌市的洪涝沟渠和河道中完成了污水浓度、流速水温等监测任务。
这些案例表明，基于无人船的水中环境监测技术具有巨大的应用前景和潜力。
基于无人机的测绘技术在海洋环境监测中的应用案例随着无人机技术的发展，其在各个领域的应用越来越广泛。
在海洋环境监测中，无人机的使用已经成为一种重要的手段。
本文将通过几个应用案例来讨论基于无人机的测绘技术在海洋环境监测中的应用。
案例一：水质监测海洋水质对于海洋生态环境的健康至关重要。
传统的水质监测方法需要人工采集样本，并且时间和空间的限制使得监测效果有限。
而利用无人机进行水质监测则可以克服这些限制。
无人机可以搭载各种传感器，如浊度传感器、溶解氧传感器等，通过无人机航行于海面上空，实时采集海水的各项指标。
与传统的采样方法相比，无人机在时间上更加灵活，能够实现对多个监测点的快速覆盖，从而更加全面地了解海洋水质的状况。
案例二：海洋生态监测海洋生态环境的监测对于保护生物多样性和生态平衡具有重要意义。
传统的海洋生态监测通常需要人力和物力投入较大，并且对于大范围的监测相对困难。
而无人机可以通过航拍技术，实现对海洋生态环境的高分辨率监测。
无人机搭载的高清相机能够拍摄到更多细节，并可以进行多角度的拍摄，从而更加准确地了解海洋生态系统的状况。
同时，无人机还可以利用红外传感器等高级技术，实现对底栖生物的快速识别和计数。
这样的监测方式不仅提高了效率，更加全面地了解了海洋生态环境的变化。
案例三：海洋油污监测海洋油污对于海洋生态环境和人类健康造成了严重的威胁。
传统的油污监测方法通常需要通过人工巡逻发现，并且对于海域辽阔的情况下效果较差。
而无人机的使用可以提高油污监测的效率和准确性。
无人机搭载的红外传感器可以识别水面上的油污并进行实时监测。
此外，利用无人机进行监测还可以避免了人类因巡逻工作而面临的安全风险。
无人机的使用大大提高了海洋油污监测的效率，有助于及时发现和处置油污事件，减少了对海洋生态环境的损害。
综上所述，基于无人机的测绘技术在海洋环境监测中具有重要的应用价值。
水质监测、海洋生态监测和海洋油污监测等领域都可以通过无人机的使用获得更准确、有效的监测数据。
水产养殖智能监控系统设计方案摘要：水产养殖行业的发展日益增长，但由于生产过程的不确定性和环境因素的干扰，养殖效益和生产的稳定性难以保证。
为解决这一问题，本文提出了一种基于智能监控技术的水产养殖智能监控系统设计方案。
该方案主要包括环境监测、鱼群行为监测、水质参数监测和远程控制等功能模块，利用传感器和网络通信技术实现对养殖环境和养殖过程的实时监测和控制，提高养殖效益和生产的稳定性。
关键词：智能监控系统，水产养殖，环境监测，鱼群行为监测，水质参数监测，远程控制1.引言水产养殖是一种重要的经济活动，然而，由于生产条件的复杂性和环境因素的影响，水产养殖行业存在一些问题，如水质污染、疾病传播和鱼群行为异常等。
为了提高养殖效益和生产的稳定性，必须对养殖环境和养殖过程进行实时监测和控制。
本文旨在设计一种水产养殖智能监控系统，通过智能监控技术实现对养殖环境和养殖过程的实时监测和控制，提高水产养殖的效益和生产的稳定性。
2.1环境监测模块水产养殖的环境对养殖效益和生产的稳定性具有重要影响。
因此，设计一个环境监测模块非常关键。
该模块通过安装温度、湿度和氧气等传感器，实时监测养殖水体和空气中的环境参数。
传感器将采集到的数据传输给中央控制器，并根据预设的阈值进行判断和报警，实现对养殖环境的实时监测和管理。
2.2鱼群行为监测模块鱼群行为监测是水产养殖过程中的另一个重要环节。
通过安装摄像头和图像处理算法，监测和分析鱼群的运动特征和行为。
例如，可以检测鱼群的聚集、分散、进食和游泳速度等行为，根据实时的鱼群行为数据，及时调整养殖环境和饲养方式，保证养殖效益和生产的稳定性。
2.3水质参数监测模块水质是水产养殖过程中的关键因素，影响着养殖效益和生产的稳定性。
设计一个水质参数监测模块，通过安装传感器可实时监测水中的溶解氧、PH值、浊度和氨氮等重要指标。
传感器将采集到的数据传输给中央控制器，并根据预设的标准进行判断和报警，及时采取措施调节水质，提高养殖效益和生产的稳定性。
摘要在21世纪，我国踏入经济高速发展时期，各类大大小小企业随之建立，全方面塑造我国进入工业化时代。
但我国大部分企业忽视对排放污水的治理，随意将工业废水排放湖泊河流中，致使大量可饮用水源遭受，水环境污染问题愈发严重，水质监测也显得愈发重要。
本文结合国内外移动在线水质监测系统的研究现状，设计了一种基于无人船的水质监测系统。
该新型水质监测移动系统可以用于处理突发的水质污染事件，实时移动追踪污染源，监测可饮用水源的日常水质。
该基于无人船的水质监测系统具有体积小可被放入车辆携带、低成本、高精度和高速度检测和可远程控制等优点，丰富我国的水质监测方式。
但由于水的流动性导致水会流经多种复杂地形，工作人员无法探测，如水流经洞穴等。
或又由于天气的多变，如水域长期处于多雾天气，使工作人员视线受阻，无法准确对无人船实时操作。
可以利用无人船的自主航行到达目标水位进行检测，则可以通过路径规划技术加以实现。
本文的主要研究内容如下：（1）完成基于无人船的水质监测系统的整体设计。
系统由监测终端、监控中心和手持终端等部分所组成，其能实现高精度、高速度的移动水质检测，并实时记录水质监测系统上传的水质数据。
（2）完成基于神经网络和Q学习相结合的无人船路径规划方法研究，使该方法加快收敛速度从而路径达到最优化，并对无人船在不同场景条件下对路径规划仿真结果进行分析。
（3）对水质监测系统进行各项模块功能测试。
利用路径规划方法进行实地环境测试，分析导致无人船故障的原因，及时修复测试期间出现的各种故障，提高无人船整体性能。
该基于无人船的水质监测系统在浙江农林大学东湖进行了实际环境测试，结果表明，该水质监测系统与路径规划设计均能按照预期实现。
关键词：水质监测；无人船；路径规划；控制系统ABSTRACTIn the 21st century, China entered the period of rapid economic development, and all kinds of enterprises are established, and all aspects of China's entry into the industrialized era. However, most enterprises in China neglect the treatment of discharged sewage, and arbitrarily discharg industrial waste water into lakes and rivers. What result in a large number of drinking water sources, water pollution problems become more serious. So water quality monitoring is becoming more and more important.Based on the research status of mobile online water quality monitoring system at home and abroad, this paper design a water quality monitoring system based on unmanned ship. The new water quality monitoring mobile system can be used to handle sudden water pollution incidents, to track pollution sources in real time, and to monitor the daily water quality of potable water sources. The unmanned ship based on water quality monitoring system has the advantages of small size, which can be carried in the vehicle, low cost, high precision, high speed detection and remote control. The system enrich the existing water quality monitoring methods in China.Due to the fluidity of the water, the water would flow through a variety of complex terrain, and the staff cannot detect it, such as water flow through caves. And because of the changing weather, such as the long-term foggy weather made the staff's line of sight is blocked, and result what impossible to accurately operate the unmanned ship in real time. The staffs can use the unmanned ship's autonomous navigation to reach the target water level for detection, which can be achieved through path planning techniques.The main research contents of this paper are listed as follows:(1) This work complete the overall design of the water quality monitoring system based on the unmanned ship. The system consist of monitoring terminal, monitoring center and handheld terminal, which can realize high-precision and high-speed mobile water quality detection. Furthermore, the system can record the data of water quality in real time.(2) The research on the unmanned ship path planning method based on the combination of neural network and Q learning is completed, which make the method accelerate the convergence speed and optimize the path. The simulation results of the path planning of the unmanned ship under different scene conditions are analyzed.(3) The test of each functional modules has been completed. The path planning method is used to test the real environment, and the causes of the failure of the unmanned ship are analyzed. And repair all kinds of faults during the test in time to improve the overall performance of the unmanned ship.The water quality monitoring system in the unmanned ship is tested in the East Lake of Zhejiang Agriculture & Forestry University. The results show that the water quality monitoring system and path planning design can be achieved as expected.Keywords:water quality monitoring; the unmanned ship; path planning; control system目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1 绪论 (1)1.1 研究背景和意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.2.1 基于无人船的水质监测方法研究现状 (2)1.2.2 基于无人船的路径规划方法研究现状 (6)1.3研究内容与论文结构安排 (9)1.4 本章小结 (10)2 基于无人船的水质监测系统硬件平台设计方案 (11)2.1水质监测无人船总体结构 (11)2.2 无人船船体结构设计 (12)2.2.1 船体模型设计 (12)2.2.2 动力模块与转向控制模块 (14)2.3 无人船核心控制模块 (14)2.4 水质参数采集模块 (16)2.4.1 溶解氧传感器及接口电路 (16)2.4.2 电导率传感器及接口电路 (16)2.4.3 PH传感器及接口电路 (17)2.4.4 浊度传感器及接口电路 (18)2.5 无人船GPS定位模块 (19)2.6 数据存储模块 (21)2.6.1 SD卡模块 (21)2.6.2 RS232接口 (22)2.7 超声波模块 (22)2.8 手持终端模块 (23)2.9 电源模块 (24)2.10本章小结 (24)3 基于无人船的路径规划方法 (25)3.1 问题描述 (25)3.2基于传统Q学习的路径规划方法 (25)3.3 改进的Q学习路径规划算法 (27)3.4 本章小结 (29)4 无人船路径规划与水质监测实验 (30)4.1 路径规划仿真实验与分析 (30)4.2 水质监测试验与分析 (33)4.3 本章小结 (39)5 总结和展望 (40)5.1 总结 (40)5.2 展望 (40)参考文献 (42)作者在读期间发表的学术论文 (46)致谢 (47)1 绪论1.1 研究背景和意义水资源在地球表面的占用面积多达72%，是生物体的生命构成和生存活动的物质基础，也是生态系统得以持续发展的重要条件，故地球上生物的生存无法脱离水的存在[1]。
第45卷第3期 渔业现代化Vol .45 No .32018 年 6 月FISHERY MODERNIZATION Jun . 2018DOI : 10. 3969/j . issn . 1007-9580. 2018. 03. 004基于小型无人船的海洋养殖环境监测系统设计刘培学，刘纪新，姜宝华，陈玉杰(青岛黄海学院机电工程学院，山东青岛266427)摘要：为实现大规模海水养殖过程中养殖环境的动态移动采集、数据无线传输及结果的远程监控，设计了一 种基于第4代移动通信(4G )、长距离无线通信（Lora )、遗传算法的小型无人船海洋养殖环境监测系统。
该 系统以小型无人船为载体，以STM 32为控制核心，以4G 、L o ra 为数据无线传输手段，岸基电脑（P C 机）或云 平台为上位机，通过搭载遗传算法，依据上位机给出的巡检坐标，自动完成区域内海水养殖环境巡检及数据 上传，用户可通过浏览器、手机等手段进行数据查看。
结果显示：pH 、溶氧传感器采集的数据与标定仪器测 量数据具有较高的一致性，温度最高偏差为0.5 T ：，行驶距离较未优化前有大幅度下降。
研究表明：该系统 准确性、稳定性良好，方便易用，具有一定理论及应用价值。
关键词：海洋养殖环境;无人船;无线传输;环境监测中图分类号:TN 915.4 文献标志码:A 文章编号:1007 -9580(2018)03 -022 -06溶氧（DO )、PH 、氨氮、温度等参数对海水养 殖鱼类、贝类生长具有至关重要的作用[14]。
近 年来，海参、鲍鱼等海洋养殖产业逐渐规模化和集 约化。
为了追求经济效益，养殖密度不断加大，导 致了海洋养殖水质环境的恶化，影响到了养殖生 物的生长发育，病害时有发生，养殖户经济效益受 损，且养殖区域需人员长期驻守，浪费大量人力、物力、财力[^6]。
基于此，海洋养殖自动化监控系 统的研究逐渐兴起。
随着传感器技术及嵌入式系统技术的发展，对海洋养殖环境参数如pH 、温度、溶氧等进行自动化监控提供了可能。
目前，海水 养殖自动监控系统自动化程度较低，存在着有线 检测布线复杂、监测点不易移动、数据传输速率 慢、客户端/服务器（C /S )架构设备价值较高以及 采集点过于单一等问题。
研究适合大规模 养殖、能够进行移动监测以及数据可远程查看的 海水养殖监控系统具有重要的实际意义[11]。
本研究基于小型无人船结合长距离无线通信 (Lom )、第4代移动通信(4G )传输模块，设计了一种移动浏览器/服务器（B /S )架构的海洋养殖监测系统，该系统能够自动巡检养殖区域内水质 参数，并将采集的数据储存到云端，终端用户通过 浏览器就可以查询观测养殖场的监测数据，方便收稿日期=2018-03-28基金项目：山东省重点研发计划(2017GGX 201004);山东省髙等学校科技计划项目（J 16LN ：75，J 16LN ：78，JHKB 152)作者简介:刘培学（1983—），男，副教授，硕士，研究方向:嵌入式系统应用、信号与信息处理等。
E -mail :93987898@qq . com易用，且动态采集多点信息，使监控更加精细化。
1系统架构系统整体架构如图1所示，分为采集终端、云端和客户端三部分。
采集终端为携带有传感器及 信号传输设备的小型无人船，云端包含带数据库的服务器，客户端为岸基电脑（P C 机）或用户 手机。
携带有传感器及信号传输设备的无人船图1系统整体结构图Fig . 1 System overall structurediagram第3期刘培学等:基于小型无人船的海洋养殖环境监测系统设计23首先，云平台或客户端给出采集点坐标，无人 船根据给出的采集点信息，自动规划路径，按照规 划的路径形式，依次采集各个采集点的信息，包含 pH、温度、溶氧等。
采集完成后，无人船通过4G 网络上传至云平台，云平台完成信息的接收及存 储，同时向无人船发送确认信息，通过握手确保传 输信息的可靠性。
若4G网络不存在，无人船通 过Lom无线通信方式将信息传至现场P C机;若 存在Internet网路，可通过安装在P C机的软件将 信息上传至云平台。
同时，客户端P C机或手机 可通过数据网络浏览采集数据，接收报警信息等。
2硬件设计海洋养殖环境采集的信息一般有温度、pH、溶氧等，主要完成指定区域的海水参数采集。
整 个监测系统的硬件部分主要安装在无人船上，分 为传感部分及通信部分。
2.1传感器设计传感器设计如图2所示，整个传感器系统由 控制器、pH传感器、溶氧传感器、温度传感器、时 钟模块构成。
图2传感器系统结构体检测范围为〇〜14,该传感器工作温度范围为-10 1〜+50 1，其输出为模拟电压量，具有良 好的线性，因此其输出需接到STM32本身自带 AD，采集的结果用公式（1)计算，Z为采集的模拟 电压值，F为输出PH[16]。
7 = - 5.964 7 X + 22. 255 (1)溶氧传感器采用LDO工业在线荧光溶氧传 感器，该传感器采用荧光检测技术，通过检测荧光 强度和寿命来检测溶氧值，较之传统的电化学传 感器，该传感器在测试过程中不消耗氧气，没有搅 拌和控制流速过程，不需要电解质溶液，也不需要 标定，使用方便[1>18]。
该传感器防护等级可达 IP68,工作电压为宽电压5〜16 V，输出信号为4〜2〇MA电流信号或0〜5 V电压信号，分辨力为 0.01 m g/L。
本设计中采用0〜5 V电压信号，信 号输出接入STM32自身携带AD转换电路。
2.2通信电路设计本设计有两种通信方式，一种为无人船通过 4G网络信号将信息传至云平台，另一种为4G信 号不存在时，通过Lom将信息传至本地监控PC，因此，无人船携带的通信设备有2种。
通信系统 设计如图3所示，整个通信系统由控制器、4G模 块及Lom模块构成。
Fig.2 Sensor system structure图3通信系统结构图无人船的控制核心为STM32 F103ZET6微控 制器，该微控制器是由瑞士 ST(意法半导体)公司 研发的STM32系列中的一种32位处理器，具有 256 K的程序存储器和64 k B的数据存储器，完全 能够满足本设计需要[12_14]。
温度传感器选用防 水性数字温度传感器18B20,该传感器采用一线 制通信，提供数字温度信号，除供电引脚外，只需 将数据引脚D Q连接到控制器的任一 I/O 口[15]。
pH传感器采用PH复合电极E -201 - C，该传感 器采用5 V电压，工作电流范围为5〜10 mA，PHFig.3 Communication system structure diagram4G模块负责信息的远程传输，设计中采用了 USR - LTE - 7S4模块，该模块支持5模12频移 动联通电信4G高速接入，嵌入式Linux系统开 发，具有高度的可靠性，支持RNDIS远程网络驱 动接口，电脑可以通过U SB连接该设备访问互联 网，允许4个网络连接同时在线，支持T C P和 UDP，每路连接可缓存10 k B串口数据，支持宽电 压范围（5〜16 V)，带SIM卡槽，支持串口 A T指 令[19]。
该设备连接到STM32控制器的第一串24渔业现代化2018 年口。
Lom模块采用USR - L100 - C模块，该模块 工作频率为398〜525 MHz，典型值为470 MHz，传输距离可达4 700 m，工作电压1.8〜3.6 V，可 通过AMS1117输出需要的电压，该模块与STM32 嵌入式控制器通过串口进行通信，连接至控制器 的第二串口[2()]。
3软件设计本系统采用4G技术、Lom技术，基于小型无 人船采集pH、温度、溶氧信息，软件部分主要为无 人船的巡航路径规划及信息的远程传输。
3.1无人船路径规划无人船船体较小，采用电池为动力，而海洋养 殖面需要采集多点参数，采集点位置通过上位机 或者云平台给出，节能体现在以最短的路径将所 有检测点遍历完毕，因此，选择合适的遍历路径就 显得尤为重要。
路径规划对无人船检测海洋养殖 环境具有重要意义，对进一步监测海水环境有着 重要的理论价值，小型无人船的路径规划是本文 讨论的重点。
本设计中，无人船的工作路径规划采用遗传 算法[21_22]，无人船的工作环境为海表面，根据海 洋养殖环境的特点，建立二维笛卡尔坐标系（％，7)下离散栅格空间。
分别为〜y轴方向栅 格的大小。
栅格中任一点3可定义为：q= q(i j) ,〇< rn,0 < n(2)式中:分别为轴方向的最大栅格个数。
将二维平面空间进行栅格化处理，每个栅格 为边长1km的正方形，任意一个采集点i的坐标 为(A A)，则问题转化为计算从海洋养殖无人船 停靠点出发，经过所有采集点，采集信息后回到停 靠点的最短路径。
本文通过定义一个距离来表示 两者之间的实际距离，距离的定义主要考虑了两 个区域之间的直线距离，距离定义为L =- ^)2 + (ji - Jj)2(3)式中乂一两点之间的距离;'、％—采集点€的坐 标;一采集点y的坐标。
对每个个体路径评估，采用路径距离作为适 应度，即将每条路线先后经过的检测点的距离计 算出来，并进行累加，作为该条路径的适应度函 数。
二维平面中，假设任意一个个体的第i段路径是由节点(^^，:)^)、(^，3〇连接而成，计算出它的长度为4，累加值越小的个体能量消耗越小，适应度越强，表示的路径越优[23^4]。
E=⑷i e path式中:4一第i段路径距离，E—路线总距离。
巡航路径规划如下：① 无人船等待上位机或岸基P C机的巡检坐 标，将巡检坐标以数组形式存储。
② 种群初始化，种群中的个体是随机产生的，每一个个体对应一个备选的路径。
个体的产生为每个采集点经过的顺序。
针对海洋养殖无人船路径优化问题的特点，采用十进制编码方案，使用各个需求点的节点编号作为基因来组成染色体，每一条染色体的编码为巡检点出现先后顺序。
例如对于染色体 X[l，6,3,4,5,2,7,8,20,9，"*，16]。
则无人船从原点出发，先经过第一个检测点，再到第6个检测点，最后达到第16检测点，然后回到原点，同时计算适应度。
③ 选择算子，选择优质个体，淘汰部分适应度 差的个体的过程，此过程通常也被称作复制或繁殖，本研究采用轮盘赌选择。
④ 交叉算子，指将两个相互配对的父代染色 体按照某种方式相互交换其部分基因，生成两个新的子代染色体的操作。
为了保持种群的多样性，本研究采用部分交叉方案，染色体具有不能重复及不能漏检的特殊性，当交叉算子应用于父代个体X I和X2时，首先从父代个体X I和X2中随机选择交换区间I到J，然后将X I中I后面J前面的基因和X2中对应位置的基因逐位交叉，由于该路径所有点必须都经过，为避免出现漏点及重复点，交换后必须将原染色体中跟交换进来的元素相等的位置变为交换出去的数据，交换完成形成两个新的染色体，最后检测染色体合法性，若染色体不合法转到步骤③，合法转步骤⑤。
