水陆两栖飞行器河流污染监控及水质检测研究

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　　摘 要：近年来，受人类活动和社会发展的影响，水资源问题越来越严重，引起了政府的高度重视。我国在水质监测方面投入了大量人力、物力，为提高水质监测效率，并结合新时代的智能化要求，本文提出了一种基于水陆两栖技术的全新水质监测装置，从多角度进行智能监测，并可随时取样、及时检测水体质量，由此可达到水质监测自动化、信息化和现代化的目的。
　　关键词：水陆两栖;水质监测;STM32;河流污染
　　中图分类号：X522;X832 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）07-0137-02
　　Abstract： In recent years， due to the influence of human activities and social development， water resources problems have become more and more serious， which attracted the government's attention. China has invested a lot of labor power and material resources in water quality monitoring， in order to improve the efficiency of water quality monitoring， combined with the intelligent requirements of the new era， this paper proposesed a new water quality monitoring device based on amphibious technology， which can be used for intelligent monitoring from different angles and sampled at any time to detect the quality of water in time， and the purpose of automation， informatization and modernization of water quality can be achieved.
　　Keywords： amphibious; water quality monitoring; STM32; river pollution
　　隨着中国经济的迅速发展，生活用水量和工业用水量迅速增加，使社会需水量与水资源总量之间的矛盾不断加剧。同时，水污染情况日益加重，水资源问题已经成为社会可持续发展的巨大阻碍，因此，加强水质监测、逐步解决水污染问题迫在眉睫。目前，我国水环境监测大多采用人工采样监测或自动监测站监测等方法，监测一次需消耗一定的人力、物力，且监测范围有限。新出现的水质监测船受水面环境和运行状况的限制，不能进行多方位多角度的水质监测。本文研究的基于水空两栖技术研发的新型河流污染监控及水质监测装置，在一定程度上解决了传统水质监测方法所存在的问题，提高了水质监测的高效化和精确化，补充了我国现有水质的检测方式[1]。
　　1 水质监测采样装置的创新特色及拟解决问题
　　1.1 创新特色
　　基于水陆两栖飞行器技术的水质监测采样装置，可以监测更广阔的水域;进行多角度、无死角地全面检测;可用于水环境污染监控和其他数据监测，相比传统的监测方法，更加方便快捷，节省能源、初始成本低;整个操作流程自动化、智能化。该装置的工作模式可以很好地满足水质信息对时效性的要求，与其他水文信息采集技术相比，具有很好的兼容性，结合使用后，可广泛应用于河流水质参数采集、水体富营养化监控乃至鱼类养殖业等方面，发展前景可观[2]。
　　1.2 设计水陆两栖飞行器装置拟解决的问题
　　①应用于地形条件复杂、地处偏僻、不方便人工采样的水样采集点：借助水陆两栖飞行器装置可提高水样采集效率，并在一定程度上降低人员的操作危险性，提高安全系数;②适用于公园（校园等）的池塘、湖泊：装置本身可快速准确地判断出游客带来的垃圾污染，并可从空中大体观察水面环境，以便对某些紧急情况做出快速反应。同时，也可以随时检测湖中水体的氮磷含量，及时预防水体富营养化，减少藻类等污染;③适用于某些需要在水域中央采样的水以及需要频繁采样的水域，大大减少人员、车辆与船舶的经济开支，降低单次水体采样成本，避免人力资源浪费[3]。
　　2 水质监测采样装置的设计结构
　　2.1 机械设计部分
　　水陆两栖飞机的机身或浮筒上装有供陆上起飞着陆用的起落架。该起落架是可收可放的，在水上起飞降落时，起落架处于收上的位置。该装置有4个螺旋桨，具有飞行稳定、易于操作、动作灵活等优势，同时也便于在水体上运行。模型机体采用PVC板，用激光雕刻机进行加工，方便实用，且质量较轻，通过乳胶将飞行器拼接而成，保证装置有较好的密封性。减速电机选用直流减速电机，其电机型号和驱动型号要和螺旋桨相匹配，此电机具有功率小、扭矩大的特点，比较符合使用要求。螺旋桨采用轮船的桨，提供动力较大，稳定性好。
　　2.2 集成控制部分
　　水陆两栖飞行器装置以STM32开发板为核心，GPS定位模块、无线通信模块以及控制器通过串口与STM32处理器进行数据通信。采用STM32高性能单片机作为主控芯片控制装置整体运行，通过输出不同占空比的PWM信号控制高扭力无刷电机，并配合电调为装置提供充足的动力，使用可多次充电、易更换的电池为装置提供电力能源。单片机通过自主设计的装置时时监测水面情况，并通过无线模块将画面传回地面站。当监测到水体异常时，单片机控制继电器，飞行器降落在水面，对异常情况的水体进行取样、带回。通过GPS模块可实现对装置精确定位、规划路径行进、一键返航等，保证装置安全有效工作[4]。 　　2.3 水面监控及水体取样部分
　　2.3.1 水面监控部分
　　在装置上安装可旋转的红外摄像头，在装置飞行时对整体水面环境进行监控，并将实时影像返还至控制终端，以便工作人员多角度、全方位地进行水面监测，具有灵活机动、反馈信息时效性高、在夜间和恶劣天气下能够顺利执行监测任务等优点。
　　2.3.2 水体取样部分
　　水样采集部分主要包含上盖板、下盖板、支柱、连杆、法兰盘、万向节、橡胶卡、伸缩臂、导管、浮漂与滤网。法兰盘安装在装置底部，作用是将连杆与万向节相连接，万向节的作用是为避免水样瓶采样的先后顺序导致水样采集部分側翻，通过将不平衡的扭矩传递到装置上，通过飞控感应控制螺旋桨，维持整体平衡。装置上、下盖板之间通过支柱刚性连接，下盖板平均分布4个橡胶卡，用来固定采样瓶，该设计的优点是快速兼容多口径、多容量的采样瓶，并及时更换采样瓶。在飞行器下方加一个伸缩机械臂，并连接一个装有折弯的导管，由此将水样输送至采样瓶中，进水口连接柔性软导管，导管末端安装滤网，滤网上方安装可调节的浮漂，用于限定采集水样深度。当装置悬停在水面附近或降落在水面时，通过控制单元进行伸缩，取得河流水样，从而方便工作人员随时通过操控装置采集待测水源的水样，降低水质采样的人力成本，提高工作效率，保障工作人员的人身安全[5]。
　　2.4 水质检测部分
　　检测装置单元根据比色法及水质中的氨氮等与纳氏等试剂发生反应生成带有颜色的物质，从而测定出该物质的含量，制作一个便携装置，利用光传感器，根据已有的有色物质溶液颜色深度和待测组分含量的关系进行编程，利用装置直接显示各组分含量，分析水质情况，并将数据返回到设备终端进行记录，操作简单方便，同时也可利用实验设备对取样水体进行全面检测。
　　3 水陆两栖飞行器的运行模式
　　水陆两栖飞行器装置有两种运行方式：①空中运行，装置悬浮在空中，通过摄像头对水面进行实时监控，适用于监测水面上有无漂浮污染物，并对整体水环境有一个初步印象和大体把握;②水中运行，在装置上装上GPS设备，根据视频传输图像加之肉眼视觉作为参考依据，采用卫星定位进行直达定点飞行或航行，控制装置自动按照设定轨迹运动，并在预定采集点位置进行取样、带回，可往返监测点进行多次取样，以便进行下一步全面、深层次检测和研究。
　　4 结语
　　本文以水陆两栖技术为载体设计了一款全新的水质监测采样装置，通过STM32高性能单片机作为主控芯片控制整体装置，将水体采样装置以及水质分析处理装置与我国侧重发展的水陆两栖飞行技术相结合，具有实时监测、多点采样、随时采样等特点。该装置实现了在恶劣环境下的水体采样，并对水体进行实时分析监测，降低了水质监测的成本，使多水域、全方位覆盖监测成为可能，同时，为水质监测开辟出一条全新的发展道路，缓解我国的水质监测问题[6]。
　　参考文献：
　　[1]刘亮，王击，杨泽.基于ARM Cortex—M3和Internet的实时数据采集系统设计[J].2011（11）：18-19.
　　[2]周启星.环境基准研究与环境标准制定进展及展望[J].生态与农村环境学报，2010（1）：1-8.
　　[3]杨明智，王敏.四旋翼卫星飞行器控制系统设计[J].计算机测量与控制，2008（16）：485-490.
　　[4]单海燕.四旋翼无人直升机飞行控制技术研究[D].南京航空航天大学，2008.
　　[5]朱莎.水空两用无人机动力系统设计与研究[D].南昌：南昌航空大学，2012.
　　[6]朱莎.水空两用无人机动力系统设计与研究[D].南昌：南昌航空大学，2012.
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