CN107389129A - 一种远程体感控制水文水质监测系统平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种远程体感控制水文水质监测系统平台，包括：水文传感模块；水质传感模块；气象传感模块；视频采集模块；GPS/北斗导航模块；多用电源供电系统；数据采集器；控制系统；GPRS通讯模块；服务器；终端设备。多用电源包括太阳能电源及直流备用电源模块，为系统平台供电；数据采集器，与各类传感模块相连接收传感器采集的数据；视频采集模块进行实时视频监控，由客户端实现水文状况直播；GPS/北斗定位系统对系统进行精确定位，使后台在地图上获取系统位置信息及周边地形信息并通过标记目的地使系统移动到新的目的地；系统控制模块，包括遥控传感模块以及手势传感感应运动方向识别模块，实现遥控器以及授权操作者通过相关手势动作进行系统移动控制的双重控制功能；平台采集信息与客户端发送的控制信息的双向通讯及数据处理由GPRS通讯模块以及服务器端完成。

Description

一种远程体感控制水文水质监测系统平台

技术领域

本发明属于水文水质自动监测系统，具体涉及一种远程体感控制水文水质自动监测系统。

背景技术

水是人类赖以生存的有限自然资源，水质的好坏对人们的日常生活有着直接影响，我国总体的水质情况不容乐观。根据2013年我国环境监测总站给出的水质月报数据显示：我国主要江河水系水质达到国家地表水Ｉ类标准的仅有3.33％，而几乎无使用功能的劣Ｖ类水质高达10.25%。河湖中水体富营养化加剧。其中，以水华的危害最为严重，其不但导致藻类大量繁殖，致使水体透明度下降、水质恶化，更严重破坏了生态环境，甚至威胁到了人们的健康。而近年来，我国气候异常，强降雨引发的洪错灾害异常严重。

水环境质量监测是我国环境保护工作的重要组成部分,实施水环境质量监测可以及时掌握监测地区的水质状况,保障水资源安全。水文监测系统适用于水文部门对江、河、湖泊、水库、渠道和地下水等水文参数进行实时监测，监测内容包括：水位、流量、流速、降雨雪、蒸发、泥沙、冰凌、墒情、水质等。水质监测是监视和测定水体中污染物的种类、各类污染物的浓度及变化趋势，评价水质状况的过程。监测范围十分广泛，包括未被污染和已受污染的天然水江、河、湖、海和地下水及各种各样的工业排水等。主要监测项目可分为两大类：一类是反映水质状况的综合指标，如温度、色度、浊度、pH值、电导率、悬浮物、溶解氧、化学需氧量和生化需氧量等；另一类是一些有毒物质，如酚、氰、砷、铅、铬、镉、汞和有机农药等。

目前我国在水环境监测中主要采用了实验室手工监测为主远程自动化监测为辅的监测方法,其中水质实验室监测实时性较差、人力消耗较大、自动化程度较低；水质自动监测方面在我国开始研究的时间相对较晚,这些技术还处于刚起步阶段,与欧洲、北美等发达地区还有着较大的差距。存在智能化程度低、稳定性差和测报精度低等问题，条件恶劣的偏远地区监测站不能实现无人职守。因此，现在的水文测报方式和设施己经不能满足水文水资源管理和防洪抗旱的工作要求。当前我国水质监测工作主要面临着水质监测点地理位置分散,高级水质监测设备主要靠进口、成本相对较高,国产有线水质监测设备安装维护困难、信息传输速率低等问题。

另外，对于系统的控制方面，体感控制有着无法估量的潜力，它在于人们可以很直接地使用肢体动作，与周边的装置或环境互动，而无需使用任何复杂的控制设备，便可让人们身历其境地与内容做互动。目前主要应用于游戏领域，让人们得到身临其境的游戏体验。其他关于体感控制的应用还包括：3D虚拟现实、空间鼠标、游戏手柄、运动监测、健康医疗照护等，在未来都有很大的市场。云计算、虚拟现实等新技术也为体感交互带来前所未有的挑战。人们不断将人工智能、计算机科技、传感器技术、软件工程等技术应用到体感交互产品的设计与开发，创造出更加人性化的智能产品。

体感技术依照方式和原理的不同可分为惯性感测、光学感测、光学和惯性联合感测。在国外，体感技术一般采用动态捕捉技术对人体动作、人体影像等进行识别，然后运用惯性与光学联合感测的方式，对采集区域内的人体进行跟踪和分析，实现不同功能。不久前麻省理工学院和人工智能实验室的Maurice Fallon 教授，以 Kinect 和开源的 PR2 机器人为基础，研发出能够自主认路的机器人。该机器人可以根据获取的地理信息绘制三维地图数据库，然后根据地图来自主规划行走路线。而在国内，体感技术的应用还处于起步阶段，在研究者的努力下创造出一定的系统远程控制技术成果，正待将研究与现实应用进行广泛结合。而将远程水文水质自动监测系统与体感控制系统的结合，将是体感控制应用的一大开拓。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种远程水文水质自动监测系统平台，能够用于湖泊、河流及水库的环境要素的长期监测和测定参数的即时获取，即使在远离观测现场的异地，也能实现对水质污染的重要参数，如温度、 pH值、溶解氧、氨氮、盐浓度等进行现场综合的自动、长期、连续地监测、查询和设置，实现远程监测和数据共享。

进一步的，本发明基于流媒体服务器，提供水文状况实时直播平台，民众和管理机构可通过网络随时随地实时监控各监控点水文水质情况，对水污染治理及水文状况获取直观认识。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种远程体感控制水文水质监测系统平台，其特征在于：包括现场工作端、服务器和终端系统三个主要部分，其中，在野外无人值守的湖泊、河流及水库的环境监测站及水文工作现场的监测船上设置现场工作端，在远离现场工作端的工作室内设置服务器，现场工作端和服务器之间通过GPRS通讯连接，终端系统根据工作需要随意设置在远程各处并通过互联网与服务器端无线通讯；所述现场工作端至少包括水文传感器、水质传感器、气象监测系统、GPS/北斗定位系统、视频监控系统、数据采集器、控制系统、多用电源、GPRS通讯模块；其中，多用电源包括太阳能电源及直流备用电源模块，为系统平台供电；数据采集器，与各类传感模块相连接收传感器采集的数据；视频采集模块进行实时视频监控，由终端系统实现水文状况直播；GPS/北斗定位系统对系统进行精确定位，使后台在地图上获取系统位置信息及周边地形信息并通过标记目的地使系统移动到新的目的地；控制系统包括遥控传感模块以及手势传感感应运动方向识别模块，实现遥控器以及授权操作者通过相关手势动作进行系统移动控制的双重控制功能；现场工作端采集的信息与终端系统发送的控制信息的双向通讯及数据处理由GPRS通讯模块以及服务器端完成。

进一步的，水文传感器、水质传感器、气象监测系统、GPS/北斗定位系统、视频监控系统各自分别与数据采集器和所述多用电源相连接，数据采集器与控制系统和GPRS通讯模块分别连接；所述控制系统位于监测船上，与船只电机相连，终端系统发送操纵指令至服务器，经服务器转发由控制系统接收，并以此控制监测船电机进行远程移动控制；GPRS通讯模块分别和数据采集器、控制系统相连接，主要负责数据通讯，包含上行数据和下行数据两部分，并通过 GPRS 与服务器进行通信，当服务器收到数据采集器采集的测量数据后，存储至数据库并进行数据转发；测量数据中的监控视频图像以视频流或图片的方式通过 GPRS 方式将数据传递到服务器 上，并将视频或照片存在服务器上；终端系统通过互联网与服务器相连接，接收包含测量数据的数据，通过互联网访问服务器获得视频流或照片，实现水文情况实时直播功能，同时获取水文水质监测数据分析图样以及系统GPS实时监测位置，同时，终端系统可通过授权发指令到服务器并通过数据通信对控制系统进行操控功能。

进一步的，数据采集器内包括远程控制模块和无线传输模块，所述远程控制模块对各传感器的采样时间、采样频率进行远程控制，所述无线传输模块将所述测量数据通过GPRS 传输至所述服务器中；数据采集器内还包括预警模块，当所述水文、水质参数达到或超过预设水情报警阈值时，以短信或GPRS 的方式向所述终端系统发送报警信息。

进一步的，终端系统中一般用户手机端为手机app安装即可使用，电脑端可由网页访问监测数据，检测中心安装客户端软件进行数据监控和系统管理。

进一步的，控制系统包括遥控传感模块以及手势传感感应运动方向识别模块，实现遥控器以及操作者相应的手势动作的双重控制，做出相应的控制，包括开动 / 关闭电动机，移动系统位置。

进一步的，服务器将接收到的终端系统客户端指令，通过验证、解码、加密处理再将该指令重新打包进行发送，现场工作端通过 GPRS 通讯模块接收该指令并通过控制系统完成对该指令的解密、解析，控制相关的机械电机控制系统的开关与移动以及视频图像的操作。

综上，本系统提供一种远程水文水质监测系统平台，能够基于无线通讯技术通过数据采集器、无线通信网络、终端系统及各种传感器等可实时监测、查询和设置。也能方便地对水情要素如水位、水温、流量等环境数据的采集读取，实现远程监测和数据共享。

在系统控制方面，此系统采取最新的体感控制技术，使用客户端对操作者手势进行实时采集并通过特定算法识别手势轨迹，通过GPRS方式传到系统控制器上，并通过控制器对控制指令的解析控制监测平台的相应移动动作。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

本系统将水文和水质监测的传感器整合在一起，通过综合测量水体温度、 pH值、溶解氧、盐度、氨氮、营养盐浓度等水质要素，可以测量半湿地等环境，以实现水文监测过程中对水质污染的重要参数进行现场综合的自动、长期、连续的监测。

本系统采用 GPRS、短信等通讯方式和太阳能供电的工作方式，可以在野外无人值守的情况下长期、连续、在线监测水环境变化，不需要监测人员到现场去采样分析，可以每天多次进行监测，避免了由于人力监测频次不够而导致的漏报现象发生，并且整个监测过程不受人工干扰，避免了由监测人员手工测量引起的误差。

本系统可用于环境监测站及水文工作站，也可用于离岸较远的水文水质监测站点，故其电源供应可采用多种供电形式，其中太阳能电池板和蓄电池组合，既节省能源又可保证全天候正常运行。

本系统可以在后台地图上通过标记目的地，系统平台可以根据平台上的 GPS/ 北斗导航模块智能控制系统移动到新的位移目的地，系统有一定的人工智能，可以在具体的路线选择中选取一条最适合的路线。

本系统除了将监测数据发送到监测中心之外，还可以在数据采集器中设置预警参数，例如当某一环境指标达到一定阈值时发送报警信号进行自动预警，例如给监测中心的工作人员发送报警短信，实时地提示工作人员采取相应的措施应对可能发生的污染事件。

本系统可采用多种控制方式，采用客户端遥控方式，并且引用最新的体感控制技术，使用体感识别系统对授权操作者手势进行实时采集并通过特定算法识别手势轨迹，经过转码发送至服务器，再由服务器通过GPRS转发至系统控制器，并通过控制器对控制指令的解析控制监测平台的相应移动动作，实现体感控制。

目前，我国各地污水治理正在如火如荼的展开，当地水质水文状况也引起了民众广泛的关注，系统通过流媒体服务器开启水质监测及水文状况直播模式，可以让民众参与进来，进行更好的水情监督与官方互动，让监测过程更加透明，增强民众保护意识。

附图说明

图1为本发明的系统框架图。

具体实施方式

根据本发明实施的远程水文水质自动监测系统平台如图1所示。至少包括水文传感器1、水质传感器2、气象监测系统3、GPS/北斗定位系统4、视频监控系统5、数据采集器6、控制系统7、多用电源8、GPRS通讯模块9，服务器10，终端系统11。

在野外无人值守的湖泊、河流及水库的环境监测站及水文工作现场的监测船上设置现场工作端12，服务器10可以设置在远离现场工作端12的工作室内，终端系统11根据工作需要随意设置在远程各处。终端系统11一般用户手机端为手机app安装即可使用，电脑端可由网页访问监测数据，检测中心可安装客户端软件进行数据监控和系统管理。

各系统模块结构和功能如下：

水文传感器1：

功能：用于检测水体的水文参数，包括雨量传感模块、流量流速检测模块和水位检测模块中的一种或者多种。

连接：水文传感器1分别与所述数据采集器6和所述多用电源8相连接。

水质传感器2：

功能：用于检测水体的水质参数，包括 pH 值检测模块、水温监测模块以及高锰酸盐、总磷、总氮、氨氮、叶绿素、营养盐、溶解氧、电导率、浊度等各类传感监测模块中的一种或者多种。

连接：水质传感器2分别与所述数据采集器6和所述多用电源8相连接。

气象传感器3：

功能：气象传感器，用于检测水体附近的气象参数，包括风向检测模块、风速检测模块、温湿度检测模块和气压检测模块等的一种或者多种。

连接：气象传感器3分别与所述数据采集器6和所述多用电源8相连接。

GPS/ 北斗定位系统4：

功能：用为系统位置的定位，在终端系统中显示。

连接：GPS/ 北斗定位系统4与所述数据采集器6和所述多用电源8相连接。

视频监控系统5：

功能：视频监控系统5用于监测系统周围的环境图像，可以将自动监测系统周围的环境图像以直播视频或图片的方式发送到平台上。

连接：视频监控系统5与数据采集器4和所述多用电源8相连接。

数据采集器6：

功能：数据采集器6内包括预警模块，当所述水文、水质参数达到或超过预设水情报警阈值时，可以以短信 /GPRS 的方式向所述终端系统11发送报警信息。数据采集器内包括远程控制模块和无线传输模块，所述远程控制模块对各传感器的采样时间、采样频率进行远程控制，所述无线传输模块将所述测量数据通过 GPRS 传输至所述服务器中。

连接：数据采集器6分别与水文传感器1和水质传感器2、气象传感器3、GPS/北斗定位系统4、视频监控系统5、多用电源8相连接。

控制系统7：该控制系统位于监测船上，与船只电机相连，终端系统发送操纵指令至服务器，经服务器转发由控制系统接收，并以此控制监测船电机进行远程移动控制。

功能：其中包括遥控传感模块以及手势传感感应运动方向识别模块，实现遥控器以及操作者相应的手势动作的双重控制，做出相应的控制，包括开动 / 关闭电动机，移动系统位置等。

多用电源8：

功能：多用电源包括太阳能电源与备用直流稳压电源，用于向所述控制系统、数据采集器和各传感器提供电力供应。

连接：多用电源8分别与所述水文传感器1、水质传感器2、气象传感器3、GPS/ 北斗定位系统4、视频监控系统5、数据采集器6、控制系统7相连接。

GPRS 通讯模块9：

功能：包括 GPRS 模式和短信模式，其中 GPRS 模式用于传输检测数据，短信模式用于污染报警。

连接：分别和数据采集器6和控制系统7相连接。

服务器10：

功能：接受、转发 GPRS 数据并将数据记入数据库中，同时接收由终端系统发送的控制指令并转发至控制系统，完成双向通讯。其中流媒体服务器的主要功能是对流媒体内容进行采集、缓存、调度和传输播放。

终端系统11：

功能: 终端系统11为桌面电脑、可携式电脑11-1或手机11-2等移动终端系统，终端系统中一般用户手机端为手机app安装即可使用，电脑端可由网页访问监测数据，检测中心安装客户端软件进行数据监控和系统管理。通过互联网从服务器获取所述水体当前的水文数据以及实时监控数据并进行相应数据分析以及水文状况直播，并可以通过授权，由客户端进行操作者手势识别发送系统指令控制系统移动。

系统工作过程

1：水文数据采集工作过程

本发明的远程水文水质自动监测系统平台，一般置于江、河、湖泊、水库、渠道等需要进行水文水质监测的水域，系统检测区内含有水文传感器 1和水质传感器 2 ，分别用于检测水体的各类水质参数和水文参数。

数据采集器 6 通过其上的传感器端口与水文传感器1、水质传感器 2 相连接，用于接收水文传感器 1、水质传感器 2、气象传感器3、GPS/ 北斗定位系统 4、 和视频监控系统 5 的测量数据。

多用电源8分别与所述水文传感器1、水质传感器2、气象传感器3、GPS/ 北斗定位系统4、视频监控系统5、数据采集器6、控制系统7相连接，用于向数据采集器5、水质传感器2、水文传感器1、GPS/ 北斗定位系统4、视频监控系统5 和控制系统7提供电力供应。

GPRS通讯模块 9 分别和数据采集器 6、控制系统 7 相连接，主要负责数据通讯，包含上行数据和下行数据两部分，并通过 GPRS 与服务器 10 进行通信，服务器10接收数据采集器上传的监测数据，存储至数据库并进行转码分发至客户端。

终端系统 11通过互联网与服务器 10相连以接，接收包含测量数据的数据。测量数据中的监控视频图像以视频流或图片的方式通过 GPRS 方式将数据传递到服务器 10平台上，经服务器转码、存储、分发，终端系统 11 最后再通过互联网访问服务器 10获得视频流或照片，实现水文情况实时直播功能。同时获取水文水质监测数据分析图样以及系统GPS时时监测位置，同时，终端系统 11 也可以发指令到服务器 10通过数据通信对控制系统进行操控功能。

2：远程遥控工作过程

服务器 10 将接收到的客户端指令，通过验证、解码、加密等处理再将该指令重新打包发送到远程水文水质监测系统平台船上，通过 GPRS 通讯模块 9 接收该指令通过控制系统 7 完成对该指令的解密、解析，控制相关的机械电机控制系统的开关与移动操作。控制系统7实现对整体系统的开关及移动控制，包括遥控传感模块以及手势传感感应运动方向识别模块，实现遥控器以及授权操作者相关手势动作的双重控制，系统根据接收到的指令，做出相应的控制，包括开动 / 关闭电动机，移动系统位置等。同时远程水文水质监测系统平台携带GPS/北斗定位系统，给服务器提供平台船准确的经纬度坐标定位，管理员可以通过此坐标对平台位置进行调整。

Claims (6)

1.一种远程体感控制水文水质监测系统平台，其特征在于：包括现场工作端、服务器和终端系统三个主要部分，其中，在野外无人值守的湖泊、河流及水库的环境监测站及水文工作现场的监测船上设置现场工作端，在远离现场工作端的工作室内设置服务器，现场工作端和服务器之间通过GPRS通讯连接，终端系统根据工作需要随意设置在远程各处并通过互联网与服务器端无线通讯；所述现场工作端至少包括水文传感器、水质传感器、气象监测系统、GPS/北斗定位系统、视频监控系统、数据采集器、控制系统、多用电源、GPRS通讯模块；其中，多用电源包括太阳能电源及直流备用电源模块，为系统平台供电；数据采集器，与各类传感模块相连接收传感器采集的数据；视频采集模块进行实时视频监控，由终端系统实现水文状况直播；GPS/北斗定位系统对系统进行精确定位，使后台在地图上获取系统位置信息及周边地形信息并通过标记目的地使系统移动到新的目的地；控制系统包括遥控传感模块以及手势传感感应运动方向识别模块，实现遥控器以及授权操作者通过相关手势动作进行系统移动控制的双重控制功能；现场工作端采集的信息与终端系统发送的控制信息的双向通讯及数据处理由GPRS通讯模块以及服务器端完成。

2.根据权利要求1所述的远程体感控制水文水质监测系统平台，其特征在于：水文传感器、水质传感器、气象监测系统、GPS/北斗定位系统、视频监控系统各自分别与数据采集器和所述多用电源相连接，数据采集器与控制系统和GPRS通讯模块分别连接；所述控制系统位于监测船上，与船只电机相连，终端系统发送操纵指令至服务器，经服务器转发由控制系统接收，并以此控制监测船电机进行远程移动控制；GPRS通讯模块分别和数据采集器、控制系统相连接，主要负责数据通讯，包含上行数据和下行数据两部分，并通过 GPRS 与服务器进行通信，当服务器收到数据采集器采集的测量数据后，存储至数据库并进行数据转发至终端系统；测量数据中的监控视频图像以视频流或图片的方式通过 GPRS 方式将数据传递到服务器上，并将视频或照片存在服务器上；终端系统通过互联网与服务器相连接，接收包含测量数据的数据，通过互联网访问服务器获得视频流或照片，实现水文情况实时直播功能，同时获取水文水质监测数据分析图样以及系统GPS时时监测位置，同时，终端系统可通过授权发指令到服务器并通过数据通信对控制系统进行操控功能。

3.根据权利要求1所述的远程体感控制水文水质监测系统平台，其特征在于：数据采集器内包括远程控制模块和无线传输模块，所述远程控制模块对各传感器的采样时间、采样频率进行远程控制，所述无线传输模块将所述测量数据通过 GPRS 传输至所述服务器中；数据采集器内还包括预警模块，当所述水文、水质参数达到或超过预设水情报警阈值时，以短信 或GPRS 的方式向所述终端系统发送报警信息。

4.根据权利要求1所述的远程体感控制水文水质监测系统平台，其特征在于：终端系统中一般用户手机端为手机app安装即可使用，电脑端可由网页访问监测数据，检测中心安装客户端软件进行数据监控和系统管理。

5.根据权利要求1所述的远程体感控制水文水质监测系统平台，其特征在于：控制系统包括遥控传感模块以及手势传感感应运动方向识别模块，实现遥控器以及操作者相应的手势动作的双重控制，做出相应的控制，包括开动 / 关闭电动机，移动系统位置。

6.根据权利要求1所述的远程体感控制水文水质监测系统平台，其特征在于：服务器将接收到的终端系统客户端指令，通过验证、解码、加密处理再将该指令重新打包进行发送，现场工作端通过 GPRS 通讯模块接收该指令并通过控制系统完成对该指令的解密、解析，控制相关的机械电机控制系统的开关与移动以及视频图像的操作。