基于仿生机器鱼的水环境监测系统设计及开发

摘要

针对各流域、湖泊、沿海水资源污染事件频发，水质状况不容乐观的现状，我国各级政府相继出台了一系列水资源保护和水污染治理的政策，以加强对环境与水资源的保护。其中对水环境进行持续有效的监测，及时发现测试水域水质状况的异常变化，对当前水环境做出诊断报告并及时追踪污染源，是实现这一目标的重要途径。针对现有水环境监测系统多为固定点监测，成本昂贵，无法准确确定污染源等不足，本课题以仿生机器鱼为载体，研制了一套可移动分布式智能水环境监测平台，并将之应用于水产养殖行业，该系统具有监测范围广、成本低、无人化等特点，主要内容如下:
　　(1).完成了基于仿生机器鱼的智能水环境监测平台的整体方案设计与开发。水环境监测的参数指标根据所测水域的用途不同而不同，主要指标有温度、pH值、浊度、溶解氧、电导率、化学需氧量COD、生物需氧量BOD、总氮、总磷、氨氮等，还包括一些重金属离子等参数。系统完成了水温、pH值和浊度三个参数的样机调试，能够准确测出采样水域上述参数的值。其他水质参数的检测，可以同样方法实现。上位机子系统由基于LabVIEW的电脑客户端和基于Android系统的手机客户端两部分组成，具有实时接收、显示、存储和分析下位机所采集数据的功能。能够以曲线方式显示给定时间段内水质参数的变化情况，以及当任一水质参数超出预设阈值时自动报警。同时，上位机还具有监视和遥控机器鱼平台的功能，以确保机器鱼能够到达指定区域进行水样采集，以及当机器鱼自主游动出现故障时，能够通过遥控进行回收。下位机子系统由机器鱼、数据采集系统、定位模块三部分组成，其功能包括:通过地图导航，机器鱼能够在所测水域进行自主游动;数据采集模块能够分时段获取所在水域pH值、水温、浊度、溶氧和电导率等水质参数;基于BD-126的导航定位模块能够实时获取所在水域的位置信息。上位机与下位机采用机智云和串口通信，串口通信主要用于近距离水质数据的传输，机智云用于网络远程数据传输。
　　(2).基于仿生机器鱼的水环境监测系统应用于污染源定位。根据污染物在液体中的扩散模型—由内向外污染物浓度依次降低，机器鱼采用基于浓度梯度的污染源搜索方法，实现对污染源的定位。多条机器鱼同时工作，通过机器鱼之间的通信，实现污染源的分布式定位。
　　(3).基于仿生机器鱼的水环境监测系统应用于水产养殖领域。针对甘肃省冷水淡水资源丰富，冷水淡水鱼如鲑鳟鱼养殖潜力巨大，但对养殖水域的水质标准要求极高，如水温、pH值、溶解氧、氨氮等水产养殖行业关注的重要指标，需要准确实时地掌握养殖水域重要指标的变化情况，将所开发水环境监测系统应用于水产养殖行业，能够很好地完成监测任务，而且分布式监测更科学，使养殖数字化，使农业智能化。同时，机器鱼在工作的过程中，对真鱼运动行为的影响，使鱼类更活泼，更接近野生鱼的成长方式，有利于产量和质量的提高。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国外研究现状

1．3 国内研究现状

1．4 移动在线水环境监测系统

1．5 水环境监测系统的应用现状

2 基于仿生机器鱼的水环境监测系统总体方案设计

2．1 基于仿生机器鱼的水环境监测系统总体架构

2．1．1 系统总体设计要求

2．1．2 系统总体架构

2．2 通信系统设计方案

2．2．1 无线串口模块

2．2．2 蓝牙模块

2．2．3 机智云模块

2．3 监测参数选择

2．4 实时显示系统设计方案

2．5 定位系统设计方案

3 基于仿生机器鱼的水环境监测系统设计及实现

3．1 系统硬件设计

3．1．1 微处理芯片选型

3．1．2 水质参数传感器选择

3．1．3 温度数据采集模块设计

3．1．4 浊度数据采集模块设计

3．1．5 pH值数据采集模块设计

3．1．6 通信系统设计

3．1．7 电源电路和复位电路设计

3．1．8 GPS定位模块设计

3．2 系统软件设计

3．2．1 下位机软件设计

3．2．2 基于LabVIEW的电脑客户端设计

3．2．3 基于Android系统的手机客户端设计

3．3 系统搭建及联合调试

3．3．1 下位机数据采集准确性测试方法

3．3．2 测试结果

3．3．3 无线数据传输测试

3．3．4 测试结果

3．3．5 GPS客户端测试

3．3．6 测试结果

3．4 续航能力提升措施

3．5 实物连接图

3．6 小结

4 基于仿生机器鱼的水环境监测系统应用研究

4．1 水环境污染源检测的应用研究

4．1．1 污染源扩散模型分析

4．1．2 污染源定位方法研究

4．1．3 污染源定位方法仿真与实验

4．2 基于仿生机器鱼的水环境监测系统在水产养殖领域的应用

4．2．1 水环境监测系统应用在水产养殖领域的优势

4．2．2 黄河湿地公园整体监测实验

4．3 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果