传统取水监测-无人机自动取水装置
伍耀东
[摘 要]针对以无人机为基础的水质监测采样装置进行分析，介绍了这一装置的设计方案，并探讨了这一装置的使用可能会解决的问题，结合这些内容，对无人机技术的水质监测采样装置作出总体探究，希望通过对这些内容的分析，对我国水域水质检测采样工作提供一定帮助。
[关键词]无人机技术；水质监测采样装置；数据传输
中图分类号：X853 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）06-0197-01
近年来，因为人类活动的影响，促使水资源污染更加严重，大约一半的水资源受到严重污染。当前，我国水质监测主要是以人工监测以及无人船监测为主，其中人工监测要进行实地采样，操作过程周期长，并且需要投入大量人力物力。当下，最新出现的水质监测船存在一定的缺陷。
1 基于无人机技术水质采样装置设计方案
无人机水质监测采样装置，主要是以无人机为基础，属于一种大型水域水质监控采样一体化系统。其组成部分有无人机、地面监控中心、手持移动终端，而無人机搭载主要有空中拍照单元、空中摄像单元、飞行控制单元、水质监测单元、空中测控中心等。其中空中拍照单元、水质监测单元以及水样采集单元、空中摄像单元、地面测控中心是以连接形式存在的，同时地面测控中心和手持移动终端通信相互连接。无人机所使用的是螺旋翼无人机或者直升无人机[1]。对于水质监测单元而言，主要是结合需要搭载的不同直接获取水质数据的水质监测传感器，传感器中的探头所使用的是硬质外壳，起到一定的保护作用，而外壳则使用折叠的设计方式，促使在具体监测时，能够自动伸缩，快速和水体之间相互接触，或者收入机舱。对于水样采集单元而言，主要是搭载水样采集器，可以在水样采集器上方安装相应数量的硬质塑料采样瓶，或者和硬质塑料采样瓶之间进行连接的伸缩杆，其中使用的手持移动终端可以是智能手机，也可以是平板电脑。
2 拟解决的关键问题
使用无人机水质监测装置，解决的问题主要有以下几点：
①地形复杂、险要、地处偏僻的水样采集点，取代传统索道采集方式，通过这种方式，能够促使采集效率得到有效提升，同时还能够降低人员操作的危险性。②进一步开拓有害、有毒、放射性污染物的水域和地域人员难以涉足的采样空白领域，进一步提高突发事件处置的有效性。③针对那些需要频繁采样的水域而言，或者在水域中央位置进行采样的水域，使用无人机水质监测采样装置，能够有效降低单词采样成本，还能够有效降低人力、车辆和船舶等的经济开支。
3 基于无人机技术的水质监测采样装置总体探究
3.1 无人机主体
以某无人机为例，其使用的是市场上较为常见的四、六翼无人机，对多旋翼无人机进行应用，飞行相对稳定，操作起来也十分方便快捷，具有动作灵敏等特点。无人机使用的是11.2V、3300mAh锂电池作为系统的能源，由于飞行环境和水样的溶剂存在不同之处，将飞行时间控制在25-40min之间。这一无人机使用的是自组装四旋翼无人机，并且设置了NAZALITE飞控，2212电机，GPS模块，1045和8045浆各两片，30A电调，这一装置在具体飞行过程中，能够负载1kg的重物[2]。
3.2 水样采集装置
对于水样采集装置而言，其主要内容有：上盖板、下盖板、连杆、支柱、法兰盘、万向节、橡胶卡、舵机、水泵、导管、浮漂与滤网组成。其中的法兰盘被安装在无人机的底部位置，主要作用是对连杆以及万向节进行连接，其中万向节的主要作用在于，防止水样瓶采样的先后顺序，促使水样采集部分侧翻，同时让不够平衡的扭矩向无人机上传递，通过飞控感应对螺旋桨进行控制，主要目的是为了维护平衡。在万向节的下端位置，连接了连杆，这时的连杆和上盖板刚性连接，上下盖板借助支柱实现刚性连接，而下盖板的中心圆孔则较为容易下放。对于下盖板而言，主要是使用支柱进行刚性连接，在下盖板的中心位置，设有圆孔，方便导管的下放[3]。对于下盖板而言，其中分别设置了四个橡胶卡，主要作用是对采样瓶进行固定，主要优势在于能够极快的对采样瓶进行更换，还能够实现多个口径和多个容量的兼容。
对上盖板进行安装，将电机的外壳进行刚性连接，对输出轴的安装有小面积圆盘，而圆盘的上方位置固定了一个水泵。在水泵的出水口位置，安装一个被折弯的导管，这时将水样向采样瓶当中输送，在进水口位置，连接相应柔性软导管，促使其被延伸到无人机悬停水域或者水面的下放，在柔性导管的下放位置，设置相应的过滤网，同时在过滤网的上方位置安装可调节的浮漂，从而实现对水样的深度进行控制。
3.3 控制和数据传输
①以STM32微处理器作为基础，使用识别遥控器，对没有使用的第五或者第六通道所发出的PWM波进行接收，来取代开关量的功能[4]。当所识别出来的PWM波占据比例在一定百分比以上的时候，这时便触发了采集水样的操作。其中的单片机引脚所发送的信号为三级管的经过电流放大后，衔接在电器上方，对水泵的开关进行控制。②对STM32所发出的PWM占空比进行控制，从而对舵机的角度进行调节。最终实现每触发一次开关量，便实现了接下来的十秒内分别执行两次顺时针旋转45度的指令。③使用传感器，针对已经接受采样的水样作出详细检测，以某水域的检测为例，技术人员仅检测了水样的温度，在后续检测过程中，加入了更多的传感器。这一功能所用到的模块主要有SIM900A模块，STM32F103，DS1820温度传感器。
若这一装置开始正式运行后，DS18B20则会将原始数据借助串行口，促使其发送到STM32并且进行处理，将每次测量的时间以及测量的温度数据存储到外部的EEPROM中，以防止丢失。其中SIM900的GPRS模块与STM32之间的通信，主要是借助串行口进行发送，这时AT指令完成，再借助AT指令将SIM900初始化，配置相应参数，从而使用AT指令对GPRSModem进行控制，并且对服务器作出相应连接，最终实现透明传输，促使数据被传送到服务器中去。
4 结束语
综上所述，基于无人机技术的水质监测采样装置，主要是使用STM32F103与SIM900A的GPRS模块分析和传输数据，将存在水泵的小型化采样以及分析处理装置和无人机技术相结合，对这一装置进行应用，十分方便快捷，能够实现监测、无线控制和多点采样等特点。能够在环境相对恶劣的条件下进行水质的采样，还可以对相关数据进行实时分析。
参考文献
[1] 曾令福.影响水质监测中现场水质采样质量的因素及对策分析[J].科技与创新，2017，（12）：109-110.
[2] 梁杰.浅谈水质监测中现场水质采样的质量保证[J].城市建设理论研究（电子版），2017，（11）：241-242.
[3] 宁立，张红，叶鑫.浅谈水质监测中现场水质采样的质量保证[J].资源节约与环保，2016，（10）：105.
[4] 黄龙，王云燕，封蕾，毛静.创新样本采样器在透析用水水质监测中的应用[J].中国血液净化，2016，（09）：501-503.
