CN107542073A - 一种基于树莓派的智能混动水面清理和水质监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于树莓派的智能混动水面清理和水质监测装置及方法，装置包括主体模块、图像识别模块、自动控制模块、混合动力模块及水质监测模块，主体模块包括采用连接板连接的双体船壳、搭载在双体船壳间的底板、放置在底板上的支撑板及通过支撑板支撑的顶板；底板的下方设有一垃圾收集网兜，垃圾收集网兜的开口位于船体前端，船尾连接有一连通垃圾收集网兜的收纳网；收纳网与双体船壳间设有一拉力传感器；图像识别模块、自动控制模块、混合动力模块及水质监测模块设置在底板或顶板上；图像识别模块包括用于采集当前图像的摄像头以及用于储存原始图像和处理从摄像头传来的当前图像的树莓派。该装置自动化程度高，能实时追踪垃圾并进行处理。

Description

一种基于树莓派的智能混动水面清理和水质监测装置及方法

技术领域

本发明涉及水面清理和水质监测领域，具体地说，涉及一种基于树莓派的智能混动水面清理和水质监测装置及方法。

背景技术

随着城市化的加快，我国垃圾的产生量在迅速增长。水面的漂浮垃圾不仅对水域环境产生破坏性影响，更不利于城市形象的塑造。根据调查，杭州西湖景区垃圾打捞量超出300吨/年，平均1吨/天。目前我国水面垃圾清理的方式主要有两种：第一，依靠人工打捞的方式，但该方式劳动强度大，且在水面上进行打捞作业存在一定的风险，因此愿担任此工作的人数较少，另外该方式垃圾收集效率低，清理效果不理想；第二，使用燃油驱动和人工驾驶的机械装置收集垃圾，但该装置体积较大，结构复杂且成本过高，不利于小型河道和景区水域的垃圾清理，且使用燃油驱动存在空气污染及噪声污染等问题。

进年来有大量的研究者提出了许多的构想，比如遥控方式的无人水面垃圾清理船，需要通过人的远程遥控来收纳垃圾，又比如主副船体构造的自动垃圾清理船及以叶轮旋转方式回收垃圾的单体垃圾自动清理船。

公布号为CN103287549A的专利文献公开了一种智能水质监测与水面清理船，包括太阳能供电模块、水面清理模块、动力控制模块、水质数据采集模块、主处理器、无线传输模块、GPS全球定位模块、自动导航模块、智能避障模块以及远程控制终端。

上述发明设计不够环保，且清理船只能根据预先设计好的路线在水面上行驶，自动化程度不够高，同时，根据预先设计好的路线很容易出现漏掉未出现在设计路线内的垃圾，浪费资源。

发明内容

本发明的目的为提供一种基于树莓派的智能混动水面清理和水质监测装置，该装置可自动识别垃圾并规划行驶路线，大大提高了自动化程度。

本发明的另一目的为提供一种基于树莓派的智能混动水面清理和水质监测方法。

为了实现上述目的，本发明提供的智能混动水面清理和水质监测装置包括并排设置的至少两个船体以及连接在相邻两船体之间的支架，每个船体均设有螺旋桨和电机；支架底部安装有垃圾收集网兜；支架上还安装有图像识别模块、自动控制模块及水质监测模块，图像识别模块包括用于采集当前水面图像的摄像头，以及将所拍摄图像与原始水面图像进行分析判断是否存在漂浮垃圾的树莓派；自动控制模块用于根据所述树莓派的分析结果，控制螺旋桨和电机来调整船体的行驶路线和速度；水质监测模块用于采集工作区域内的水质信息。

上述技术方案中，树莓派是基于Linux系统、只有信用卡大小的微型电脑，可以直接调用其引脚控制电机，因此树莓派可以同时实现上位机和下位机的功能。以树莓派为载体来实现程序算法，运行全自动，无需传统人工驾驶或遥控操作，节省人力。通过多体船的结构，不但可以在两船体间建立垃圾回收的输送通道，而且减小船体在收集作业时的行驶阻力，可以显著提高水上工作稳定性和垃圾收集能力。在每个船体上设置连接螺旋桨的电机，通过控制各电机的转速来改变装置的前进方向。将水域环境的原始图像储存在树莓派的数据库中，利用摄像头捕捉当前水域环境图像，将捕捉到的画面进行图像处理与数据库进行比对，若存在垃圾，则输出信号控制两侧电机利用差速法实现变向，追踪垃圾位置并将其收入船体间网兜内，完成垃圾收集工作。该装置可自动识别垃圾并规划行驶路线，无需人工事先规划路线，大大提高了自动化程度。

具体的方案为垃圾收集网兜包括浸没在水面下的收集网和连接在船尾的收纳网；收纳网与船体间设有检测垃圾收集重量的拉力传感器，由自动控制模块根据拉力传感器的信号判断是否控制船体返航。将收集网浸没在水面下方便垃圾进入收集网并沿着收集网进入收纳网内，通过拉力传感器可检测收纳网内垃圾的重量并传给自动控制模块。

另一个具体的方案为支架上安装有为电机提供动力的混合动力模块，混合动力模块包括向电机供电的蓄电池，以及为蓄电池充电的太阳能电池板。优选的，还包括给铅蓄电池充电的太阳能充电站；太阳能电池板安装在顶板的顶部，太阳能充电站位于岸边。通过在岸边设置太阳能充电站，可在装置水上作业时进行太阳能充电，将能量存储于蓄电池中，待装置返航后再更换装置内蓄电池。在装置的顶板的顶部覆盖太阳能电池板，可边工作边进行充电，延长装置运行时间。

另一个具体的方案为自动控制模块包括用于收集树莓派的输入信号，并输出信号给电机调整船体方向和速度的PID控制器及用于引导船体回到岸边的人工回收垃圾处的无线电导航设备。

无线电导航设备主要是在小范围内对装置进行导航，让装置在电量不足或垃圾收集满的情况下定位到岸边的人工回收垃圾处并自动返航。使用一个叫做picamera的库来捕捉摄像头，拍摄图片，用opencv视觉库调用内存中jpeg文件进行图像分析，处理结果输出给PID控制器(比例积分控制器)，PID控制器输出信号给电机，从而调整运行方向。运行出现异常时可以直接由树莓派接管处理，不会将异常信号输送给电机，保证船的稳定和保护电机，防止出现翻船等情况。相比于上位机下位机分开，增加程序鲁棒性和健壮性。

进一步具体的方案为在岸边的垃圾回收点设置一无线电信号发射源，在船体上装有一接收器，PID控制器根据接受到的无线电信号控制船体返航，当返航流程启动后，PID控制器操控装置向电信号发射源靠近。

另一个具体的方案为船体上安装有红外避障传感器，红外避障传感器利用物体的反射性质工作，在一定范围内，如果没有障碍物，发射出去的红外线由于传播距离越远而逐渐减弱，最后消失。如果有障碍物，红外线被反射到达传感器接收头，传感器检测到这一信号，并传送给树莓派，树莓派进行一系列的处理分析改变船的方向，完成障碍物躲避。

再一个具体的方案为水质监测模块包括：用于测量水域温度的温度传感器；用于测量水的PH值的PH测试仪；用于测量水的TDS值的TDS传感器；用于测量水的盐度值的电导电极；用于存储水质监测数据的服务器；用于定位摄像头的监测点位置的GPS单元；用于将监测得到的数据上传至服务器中的3G无线通信单元；以及与服务器进行通讯并用于操控船体的移动端。

通过开发移动端app实现用户友好控制，将各传感器测得的信号经过运算放大器送入树莓派外扩板A/D转换，将数据通过3G模块上传到服务器，并提供了移动客户端实现移动监测，服务器端可以用excel的形式记录水质监测的历史数据。工作人员可随时查看实时水质及历史纪录。若大规模应用可作为水质检测网，可以应用于海洋，湖泊等水体的动态监测。

为了实现上述另一目的，本发明提供的采用基于树莓派的智能混动水面清理和水质监测装置进行水面清理和水质监测的方法，包括以下步骤：

垃圾识别步骤，利用摄像头拍摄水面图像，并由树莓派对当前水面图像与原始水面图像进行识别，判断水面是否有异物，并标记异物位置传送给控制系统；

垃圾收集步骤，控制系统根据异物位置，调整船体的行驶方向，使异物收入船尾的收纳网中；

水质监测步骤，利用船体安装的TDS、PH和水温传感器对水域的水质情况进行监测，并并生成水质监测数据；

装置返航步骤，当装置蓄电池内电量不足时，或收纳网内装有垃圾量达到上限时，通过拉力传感器将信号传递给控制系统，控制系统发出信号控制装置返航；在岸边的垃圾回收点设置一个无线电信号发射源，在装置上装一接收器，当返航流程启动后，控制系统操控设备向信号发射源靠近，最后到达岸边的垃圾回收点；

垃圾回收步骤，装置返航抵达岸边信号发射源处，对收纳网内垃圾进行回收；

装置充能步骤，将太阳能充电站与垃圾回收点设置在同一处，当装置返回岸边时，通过岸边蓄电池向装置内部蓄电池充电，在装置正常工作时，充电站中太阳能电池板通过吸收太阳能将电能存储于蓄电池中，同时装置本身上表面全部覆盖有太阳能电池板，在装置运行时进行同时充电。

上述技术方案中，服务器端使用Windows server 2016系统，申请固定的静态公网IP，使船在任何时间点都能与服务器连接。在服务器上使用微软服务端的shell脚本语言powershell来实现服务端的功能。Powershell可以实时侦听制定端口的数据，当船向服务器发送文件时，powershell根据接收到的命令和数据实现手自动切换或水质监测数据的excel写入功能当手机移动端向服务器发送文件时，powershell根据接收到的指令实现发回监测数据或发给船体控制信号的功能。

具体的方案为垃圾识别步骤中对图像进行识别包括：将水面的原始图像储存在树莓派中；通过对比当前图像与原始图像来识别图像中是否存在异物。

另一个具体的方案为水质监测步骤还包括：服务器与移动端的app进行通讯，根据移动端的请求将水质数据传到移动端，同时服务器将手机移动端的控制请求发送给装置，对装置实现手动操控。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)装置本身能够实现自动识别垃圾，自动追踪垃圾，自动收集垃圾的功能。针对不同水域面积或垃圾处理量可将本发明的装置设计成不同尺寸，针对不同垃圾种类的收集也可通过改变算法及网兜孔径实现，应用领域极广。

(2)本发明成本低廉，且节能减排效果显著，可迅速推广，产生较大社会，经济效益。结合云处理，这在水面垃圾收集领域是开创性的使用。云服务器可以7*24小时不间断的运行，在任何时间为船提供数据保存和远程手动操控的服务。同时云服务器可以保存历史数据为excel格式，方便管理者和研究人员调取研究。使用云端来转发手动操控的控制数据也可以保证控制的稳定性。

(3)本发明利用树莓派作为控制中枢，自动控制整个装置，通过树莓派内部的图像识别处理和自动控制程序实现水面垃圾的准确定位、回收与返航过程，无须遥控，相比之下可以节省下更多的人力。

(4)本发明采用了双体船设计，在多个等大船体之间建立垃圾回收的输送通道，减少了装置在水面以上的工作部分，同时也有了更加流畅的形态，与上述发明相比，既减小了船体在作业中的行进阻力，又提高了船只在水上运行的稳定性，兼顾在行进过程中实现垃圾回收的功能。

(5)和传统的无人垃圾清理船相比，本发明减少了废气废液排放，节省了一定的使用和维护成本，更加符合我国建设“资源节约型、环境友好型社会”的系列要求。

附图说明

图1为本发明实施例省略垃圾收集网兜的主视图；

图2为本发明实施例的仰视图；

图3为本发明实施例的俯视图；

图4为本发明实施例省略顶板和太阳能电池板的俯视图；

图5为本发明实施例的工作流程图；

图6为本发明实施例的返航流程图；

图7为本发明实施例的树莓派工作流程图；

图8为本发明实施例的服务器工作流程图；

图9为本发明实施例的红外避障传感器电路图；

图10为本发明实施例的太阳能电池板向蓄电池供电电路图；

图11为本发明实施例的太阳能充电站向蓄电池充电电路图；

图12为本发明实施例的理论电路图；

图13为本发明实施例的树莓派图像处理流程图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

基于树莓派的智能混动水面清理和水质监测装置实施例

参见图1至图4，基于树莓派的智能混动水面清理和水质监测装置包括并排设置的至少两个船体1以及连接在相邻两船体1之间的支架，每个船体1均设有螺旋桨11和电机12，支架上安装有图像识别模块、自动控制模块、混合动力模块、水质监测模块及避障模块。图12为整个装置的电路图。

本实施例设置有两个船体1，连接两船体1之间的支架包括连接板10、底板2、支撑板3及顶板4。船体1采用塑料材质，两船体之间用PVC材质的连接板10连接，间隙为445mm，螺旋桨11安装在电机12的转轴输出端；底板2搭载在连接板10之上。支撑板3在底板2上搭成三角支架用于支撑顶板4。在两船体1之间位于底板2下方安装有一垃圾收集网兜5，垃圾收集网兜5包括浸没在水面下的收集网和连接在船尾的收纳网。收纳网与船体间设有检测垃圾收集重量的拉力传感器，由自动控制模块根据拉力传感器的信号判断是否控制船体返航。

图像识别模块包括低精度的彩色摄像头6以及树莓派7。彩色摄像头6安装在顶板4的前端，用于采集图像。树莓派7设置在顶板4上，用于处理图像信息，识别水上漂浮垃圾，树莓派图像处理流程图可参见图13。

自动控制模块包括PID控制器及无线电导航设备，PID控制器用于收集树莓派的输入信号，并输出信号给电机12调整方向，无线电导航设备用于引导装置回到岸边的人工回收垃圾处(也作为太阳能充电站)，主要是在小范围内对装置进行导航，让装置在电量不足或垃圾收集满的情况下定位到岸边的人工回收垃圾处并自动返航。根据彩色摄像头6拍摄的图像，自动控制装置的运动速度与方向，使得其处于能够收集垃圾的合理路线上。

混合动力模块用于提供装置前进的动力，包括铅蓄电池8、太阳能电池板9以及太阳能充电站。铅蓄电池8提供主要动力，同时，铅蓄电池8连接稳压元件，使一段电路的电压保持稳定，也可以用降压模块，在一定范围内调节并稳定电压。太阳能电池板9安装在顶板4的顶部，利用太阳能发电，在行驶过程中提供补充动力，太阳能电池板9向蓄电池8供电的电路图如图10所示。太阳能充电站位于岸边，利用太阳能发电，在装置不工作时为装置内电池提供电力，同时也作为人工回收垃圾处，太阳能充电站向蓄电池8充电的电路图如图11所示。

水质监测模块用于对装置工作的水域的水质情况进行实时监测，并将监测结果上传至云端服务器，包括用于定位监测点位置的GPS单元、用于将监测得到的数据上传至服务器中的3G无线通信单元、用于测量水域温度的DS18B20数字温度传感器、用于测量水的PH值的E-201-C型复合玻璃电极、用于测量水的TDS值的TDS传感器以及用于测量水的盐度值的js-1c型电导电极。GPS单元实现装置在大范围内定位，可用于用户移动端对装置的定位，以及在水质监测模块中用于水质的大数据统计。

避障模块包括安装在船体上的红外避障传感器。红外避障传感器的电路图如图9所示，利用物体的反射性质工作，在一定范围内，如果没有障碍物，发射出去的红外线由于传播距离越远而逐渐减弱，最后消失。如果有障碍物，红外线被反射到达传感器接收头，传感器检测到这一信号，并传送给树莓派，树莓派进行一系列的处理分析改变船的方向，完成障碍物躲避。

将树莓派7、彩色摄像头6、稳压元件、PID控制器和铅蓄电池8在控制面板上按以下方式连接：6V铅蓄电池8用导线连接稳压元件的输入端，树莓派一端用杜邦线连接在稳压元件的输出端，一端用杜邦线连接PID控制器输入端，彩色摄像头6用AWM数据线连接在树莓派7上，并将位置固定在装置前方，PID控制器输出端接出四条杜邦线，分别与两个船舱内部的四个电机12用导线相连。此外，太阳能电池板9覆盖在控制面板上。

通过将模型装置放置于小型水域中，在水面上随机放置塑料袋，塑料瓶等常见的水面漂浮垃圾来模拟实际工作环境，

本实施例可以等比例放大或缩小以适应不同的水域面积；根据垃圾量，可改变网兜尺寸来增大或减小收集量；根据不同的目标物，可以改变算法来实现功能。以清理石油泄漏水域为例，可将双体船改为多个船体相连，各船联接处使用石油收集模块，由此可进行大范围的石油泄露处理。将本实施例应用于国内各个水域后，水质监测的结果将形成数据网，即将大数据与水质监测相结合。可以通过云端分析国内水质发展情况，方便决策管理者对国内水质发展情况进行统筹规划和研究分析。

利用基于树莓派的智能混动水面清理和水质监测装置进行水面清理和水质监测的方法实施例

参见图5至图8，基于树莓派的智能混动水面清理和水质监测方法包括以下步骤：

垃圾识别及收集步骤S1。将装置放置于水面上正常航行，通过有线方式将彩色摄像头6拍摄到的画面实时传输到树莓派7中，内部程序进行处理，对图像进行识别，当系统识别出有垃圾的存在时，就会标记垃圾位置并通过控制系统发出信号，从而控制输出电压或电流的方式来控制双体船两侧带有螺旋桨11的电机12的不同转速来改变装置的前进方向；通过彩色摄像头6的实时画面不断反馈调整前进轨迹，追踪垃圾的位置，最终将垃圾收入船尾的收纳网中，完成一次工作，并以当前位置为初始点进行下一个垃圾收集过程。

水质监测和服务器服务步骤S2。在装置运行时，每小时内可以通过船体安装的TDS、PH和水温传感器对水域的水质情况进行实时的监测，并将监测的结果上传服务器，服务器通过历史上传来的水质监测记录，生成基于日期的水质数据excel表格，同时服务器与移动端的app进行通讯，根据移动端的请求将水质数据传到移动端，另外服务器可以将手机移动端的控制请求发送给装置，对装置实现手动操控；当水域内突然出现污染源的时候，可以通过操控装置监测各个区域的水质情况分析水污染来源。

装置返航步骤S3。当装置蓄电池内电量不足时，或收纳网内装有垃圾量达到上限时，通过拉力传感器将信号传递给控制系统，控制系统发出信号控制装置返航；在岸边的垃圾回收点设置一个无线电信号发射源，在装置上装有接收器，当返航流程启动后，控制系统操控设备向信号发射源靠近，最后到达岸边的垃圾回收点。垃圾回收及装置充能步骤S4。装置返航抵达岸边信号源处，对收纳网内垃圾进行回收。同时在该位置设有太阳能充电站，在装置正常工作时，充电站中太阳能电池板通过吸收太阳能将电能存储于蓄电池中，当装置返回岸边时，通过岸边蓄电池向装置内部蓄电池充电，同时装置本身上表面全部覆盖有太阳能电池板，可在装置运行时进行同时充电，从而延长装置工作时间。

Claims (10)

1.一种基于树莓派的智能混动水面清理和水质监测装置，包括并排设置的至少两个船体以及连接在相邻两船体之间的支架，每个船体均设有螺旋桨和电机；其特征在于：

所述的支架底部安装有垃圾收集网兜；

所述的支架上还安装有：

图像识别模块，包括用于采集当前水面图像的摄像头，以及将所拍摄图像与原始水面图像进行分析判断是否存在漂浮垃圾的树莓派；

自动控制模块，用于根据所述树莓派的分析结果，控制螺旋桨和电机来调整船体的行驶路线和速度；

水质监测模块，用于采集工作区域内的水质信息。

2.根据权利要求1所述的智能混动水面清理和水质监测装置，其特征在于，所述的垃圾收集网兜包括浸没在水面下的收集网和连接在船尾的收纳网；

所述的收纳网与船体间设有检测垃圾收集重量的拉力传感器，由所述自动控制模块根据拉力传感器的信号判断是否控制船体返航。

3.根据权利要求1所述的智能混动水面清理和水质监测装置，其特征在于，所述支架上还安装有为所述电机提供动力的混合动力模块，所述混合动力模块包括向所述电机供电的蓄电池，以及为所述蓄电池充电的太阳能电池板。

4.根据权利要求1所述的智能混动水面清理和水质监测装置，其特征在于，所述的自动控制模块包括用于收集树莓派的输入信号，并输出信号给电机调整船体方向和速度的PID控制器及用于引导船体回到岸边的人工回收垃圾处的无线电导航设备。

5.根据权利要求4所述的智能混动水面清理和水质监测装置，其特征在于，在岸边的垃圾回收点设置一无线电信号发射源，在船体上装有一接收器，所述的PID控制器根据接受到的无线电信号控制船体返航，当返航流程启动后，所述PID控制器操控装置向所述电信号发射源靠近。

6.根据权利要求1所述的智能混动水面清理和水质监测装置，其特征在于，所述的船体上安装有红外避障传感器。

7.根据权利要求1所述的智能混动水面清理和水质监测装置，其特征在于，所述的水质监测模块包括：

温度传感器，用于测量水域温度；

PH测试仪，用于测量水的PH值；

TDS传感器，用于测量水的TDS值；

电导电极，用于测量水的盐度值；

服务器，用于存储水质监测数据；

GPS单元，用于定位所述摄像头的监测点位置；

3G无线通信单元，用于将监测得到的数据上传至服务器中；

移动端，与所述服务器进行通讯并用于操控所述的船体。

8.一种利用基于树莓派的智能混动水面清理和水质监测装置进行水面清理和水质监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

垃圾识别步骤，利用摄像头拍摄水面图像，并由树莓派对当前水面图像与原始水面图像进行识别，判断水面是否有异物，并标记异物位置传送给控制系统；

垃圾收集步骤，所述控制系统根据异物位置，调整船体的行驶方向，使异物收入船尾的收纳网中；

水质监测步骤，利用船体安装的TDS、PH和水温传感器对水域的水质情况进行监测，并生成水质监测数据；

装置返航步骤，当装置蓄电池内电量不足时，或拉力传感器检测到收纳网内装有垃圾量达到上限时，将信号传递给控制系统，控制系统发出信号控制装置返航；在岸边的垃圾回收点设置一个无线电信号发射源，在装置上装一接收器，当返航流程启动后，控制系统操控设备向信号发射源靠近，最后到达岸边的垃圾回收点；

垃圾回收步骤，装置返航抵达岸边信号发射源处，对收纳网内垃圾进行回收；

装置充能步骤，将太阳能充电站与垃圾回收点设置在同一处，当装置返回岸边时，通过岸边蓄电池向装置内部蓄电池充电，在装置正常工作时，充电站中太阳能电池板通过吸收太阳能将电能存储于蓄电池中，同时装置本身上表面全部覆盖有太阳能电池板，在装置运行时进行同时充电。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的垃圾识别步骤中对图像进行识别包括：

将水面的原始图像储存在树莓派中；

通过对比当前图像与原始图像来识别图像中是否存在异物。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的水质监测步骤还包括：

服务器与移动端的app进行通讯，根据移动端的请求将水质数据传到移动端，同时服务器将手机移动端的控制请求发送给装置，对装置实现手动操控。