基于NB-IOT的无人水质监测船-立创商城

基于NB-IOT的无人水质监测船
2023-09-12 17:36:00 阅读量：3246

本文作者：立创开源硬件平台 OSHWHub 用户@ u8xx ，禁止商用，未经许可禁止转载，点击查看原文章

1、项目说明

本团队基于NB-IOT设计了无人水质监测小船。旨在解决水质监测作业环境恶劣、重复性强、采样时间长的作业特点和任务需求。

2、项目功能

在STM32F4 系列的MPU芯片上搭载FreeRTOS，具有——水质监测、自主巡航、双重运动遥控、数据云传输、微信小程序等功能。

作者视角：
1、以无人小船为监测平台，能够通过GPS和北斗双模模块的定位，通过电子罗盘和GPS配合PID算法和贪心算法实现自主巡航。

2、能够监测多种水质气象信息，包括：水温，pH值，浊度，TDS，气压，海拔，环境湿度温度，光照强度等。

3、能够通过NB-IOT模块实现数据的远程传输。
4、通过距离传输的433M模组进行远程控制，无限制距离控制采用微信小程序，二者可随意切换。通过mqtt服务器与微信小程序通信，实时显示船体位置和运动轨迹以及下达船体运动命令，完成地图寻路。
5、采用水泵监测水质，可装上清洁网通过规划湖面地图点位进行多点巡航。
6、小程序上带有电量显示，船体当前状态提示，低电量报警值等功能。

3、设计图

小船的硬件系统主要分为4个部分：
1、船体框架和动力螺旋桨电机。
2、主电路和外围传感器器件等组成的电路驱动系统。
3、 4G调制解调器和UVC摄像头组成的图传系统。
4、遥控器。
这是小船的电路设计图：

原理图（点击进入嘉立创EDA编辑器打开）

PCB图（点击进入嘉立创EDA编辑器打开）

无人船设计历程

值得注意的是：

为了保证船体行驶稳定，我们将图传模块和主电路分开。

船体的控制信息和数据通过NB-IOT模块传输给云服务器，而图像信息通过4G调制解调器直接传输给上位机，网络传输部分使用了两条链路同时工作，从而避免图传线路异常时，船体失联。

虽然会增加整体系统的功耗，但我们认为这是必要的取舍。

4、规格参数

尺寸：60x20cm
重量：1.3KG
巡航速度：1m/s-3m/s
最大航行时间：≥ 30分钟
搭载传感器类型：pH，TDS，水温，光照，海拔，环境湿度，环境温度
通信方式：2.4GHz, NB-IOT, 4GLTE
电池容量：5400mAh
工作温度范围：0~+70℃

5、船体组装与改造

01、 船体组装

将购买后的散件组装完成即可。

螺旋桨的安装图：

02、 船体钻孔

为了让船体具备水质采集与检测能力，必须在现有的船体框架上进行钻孔并安放传感器和采样装置。

上图可以看出，我们在船的盖板上安装了一个亚克力平台，平台上放置了一个密封的采样盒，并将传感器放入采样盒进行水质采样。

当然，你也可以直接将传感器外置进行采样，不过必须做好相应的放水措施。

注意：pH传感器比较脆弱，浸泡时间过长可能导致测量数据不准或损坏。

03、 添置浮力棒

船体内部放有各种器件，使得船体质量变大，在无人船航行的过程中可能会因为速度过快引起沉船风险。
需要在船体两侧加装浮力棒增加船体浮力。

04、 电路组装

按照项目的电路原理图进行焊接。

将电路板放入船仓内并连接上电源和各种线缆，船体上方的盖子一定要盖好再下水。

电子罗盘建议将它的接线出来，安装到船体尾部中间。

传感器需要放置在抽水系统盒子里面，打孔后采用防水胶704将其粘好，不会漏水即可。

抽水系统由两个水泵组成的：一个是抽水进盒子的水泵、一个是盒子里排水的水泵。

盒子里面不能完全封闭，所以在盒子上方开了两个孔连接管道用于空气流通，防止难以抽水。

抽水泵电机方向的正负极需要注意一下不能接反，否则也无法抽水进来。

抽取水面上的那个水泵的水管需要做一下处理，以防湖水的渣质抽到水泵里卡住水泵，无法工作。

如果堵住了，需要拆卸下面的螺丝，将头拿去用水冲洗薄膜。

电源的开关在船体尾部。

船体上方的盖子一定要盖好后再下水。

小心不要让水溅到主控板上，或者电路线上，建议是准备好纸张擦一下船壳上方的水。

04、 图传模块安装

相较于传统的图传模块，这个4G图传可以在任何4G信号覆盖到的地方工作。

真正摆脱了对于距离的限制。

项目中使用的4G调制解调器，使用了UFI设备改造而成。

这类设备通常是用来作为便携上网设备使用，其内部运行的是安卓系统。我们将设备改成常规的Linux系统，再搭载通用的摄像头即可实现图像获取功能。

改装方式如下：
①刷入armbian系统。
②连接UVC摄像头，这里有两种方法：

使用USBhub1拖4电路拓展主板的USB口。将设备插入usb口并从核心板上的摄像头接口拉电源线接上，并把UVC摄像头插上即可。

直接使用USB母对母转接头接入UVC摄像头。

这样虽然不方便后期的功能拓展，但无需焊接转接板，只要焊两根电源线。

06、微信小程序上机位说明

打开微信小程序列表搜索：“IOT太阳能水质船”，即可获取无人水质检测船的微信小程序上位机。

01、遥控器模式

使用2.4G遥控器控制船体。

在小程序上点击手动监测控制，直接驱动抽水泵将水槽灌满，进行水质监测，将传感器数据上传小程序。

02自主航行模式

用该模式采样往地图上设置坐标点，控制船体自主航行到坐标点自动进行水质检测，完成检测完后无需人为控制，自主返回出发点。

自主航行步骤：

①点击航行矫正按钮。注意：罗盘矫正成功，小程序上会提示Compass_Successful。

如果是Compass_error请重新矫正，直到看到Compass_Successful，不然无法进行下一步。

②点击设置路径点按钮，在地图上设置坐标点。

③点击开始任务，船体开始自主航行。

④状态提示。

07、MQTT服务器搭建

要使船体具备云功能，就需要搭建一个专门为船体提供MQTT服务的平台，这个平台必须具备公网IP环境。

可以通过以下两种方式获取MQTT服务器。

①使用EMQX Cloud的试用额度（不推荐）：每月1百万分钟连接数和1GB流量的试用额度。

②搭建EMQX开源版私人MQTT服务（推荐）：自己搭建MQTT服务器的好处是——无限制的流量和设备连接数。

在此之前你需要一台运行Linux操作系统的公网VPS。

08、图传软件安装

01、 安装motiion

首先需要在图传里面安装motion监控软件，用来驱动UVC摄像头。

①使用ssh进入图传的shell终端。
②在终端输入命令：apt install motion。

③编辑配置文件。

02、 安装zerotier软件

因为图传和上位机使用的网络环境并非公网，所以无法进行点对点访问，只能通过P2P远程组网的方式，将微信小程序上位机和图传，进行远程组件局域网来进行相互之间的访问。

①使用ssh进入图传的shell终端

②在终端中输入命令：curl -s | sudo bash

这个命令会自动安装zerotier所需要的组件和程序本体。

09、 成本公布

项目成本：921.52元。

更多详情及附件，可从原工程查看。

本文作者：立创开源硬件平台 OSHWHub 用户@u8xx，禁止商用，未经许可禁止转载

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