CN108918806A - 一种基于rov的水下环境监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ROV的水下环境监测系统，包括ROV水下作业平台、水面数据转发端以及上位机监测系统，ROV水下作业平台设有电力线通信发送模块，水面数据转发端设有电力线通信接收模块，电力线通信发送模块与电力线通信接收模块通过零浮力线缆相连接，水面数据转发端通过无线网络与上位机监测系统相连接，ROV水下作业平台用于监测水域环境，并以Raspberry Pi微型电脑与Arduino开发板处理采集数据；水面数据转发端用于将ROV水下作业平台所采集数据转发至上位机监测系统；上位机监测系统用于实时监测采集数据、远程控制ROV水下作业平台、统计和分析水域环境数据，该系统弥补了传统监测的缺点，具有应用范围广、扩展性强、立体分层监测、自动化程度高、成本低等优点。

Description

一种基于ROV的水下环境监测系统

技术领域

本发明涉及水环境监测技术领域，尤其涉及一种基于ROV的水下环境监测系统。

背景技术

现有的水域监测设备主要包括传统水域监测设备与定点环境监测系统设备，传统水域监测设备常依赖人工进入水域采集水样再到岸上分析检测,即人工监测。定点环境监测系统设备在传统水域监测技术基础上实现了实时性，但监测范围固定化，其监测区域有限，仅能监测三维空间的一个点。对于一片水域，需要大规模投放，安装复杂，布线困难，裸露水面，影响人们的生产活动，其安装成本和维护成本较高。这种监测系统应用场景单一，对于无电力设施的偏远水域，无法使用，而且安装固定后不易拆除，因此不适用于多水域采样监测。

另一方面，目前市面上水质监测设备根据性能差异价格在几千元到十几万元不等，价格较低廉的设备往往功能较少且性能难以保证；功能相对完善、使用体验较好的监测设备价格则比较昂贵。另一方面现有的大部分水质监测设备都不具备预测报警功能，无法预测水域状况的发展趋势。

发明内容

鉴以此，本发明的目的在于提供一种基于ROV的水下环境监测系统，以至少解决以上问题。

一种基于ROV的水下环境监测系统，包括ROV水下作业平台、水面数据转发端以及上位机监测系统，所述ROV水下作业平台设有电力线通信发送模块，所述水面数据转发端设有电力线通信接收模块，所述电力线通信发送模块与电力线通信接收模块通过零浮力线缆相连接，所述水面数据转发端通过无线网络与所述上位机监测系统相连接，

所述ROV水下作业平台用于监测水域环境，并以Raspberry Pi微型电脑与Arduino开发板解析、整合、存储、发送采集数据；

所述水面数据转发端用于将ROV水下作业平台所采集数据转发至所述上位机监测系统；

所述上位机监测系统用于实时监测采集数据、远程控制ROV水下作业平台、统计和分析水域环境数据。

进一步的，所述ROV水下作业平台设有Raspberry Pi微型电脑、Arduino开发板、传感器系统、摄像机、电力线通信发送模块、电源以及推进器；所述Raspberry Pi微型电脑与Arduino开发板相连接；所述传感器系统、推进器受控于Arduino开发板；所述摄像头与Raspberry Pi微型电脑相连接；所述电力线通信发送模块通过RJ45接口连接Raspberry Pi微型电脑；所述电源为所述ROV水下作业平台提供电能。

进一步的，所述传感器系统包括姿态传感器、压力传感器、水质传感器，所述水质传感器包括PH传感器、浊度传感器、电导率传感器。

进一步的，所述ROV水下作业平台上还设有超短基线定位系统，用于定位ROV水下作业平台在水下的精确位置，所述电源为超短基线定位系统提供电能。

进一步的，所述水面数据转发端包括水面浮标，所述水面浮标上设有通信缆板、路由器以及太阳能电池板，所述通信缆板包括电力线通信接收模块与电源模块，电源模块与通信模块相连接以提供稳定电压；所述电力线通信接收模块与所述路由器通过RJ45接口相连接；所述太阳能电池板为水面数据转发端供电。

进一步的，所述上位机监测系统包括登录模块、实时监控模块、数据分析模块、数据统计模块、参数设置模块以及用户管理模块，并设有可视化界面以进行人机交互，

所述登录模块用于验证用户登录名与密码确认用户权限；

所述实时监控模块用于根据采集数据实时通过可视化界面显示监测指标的变化、实时展示监控视频图像；控制ROV水下作业平台的运动；

所述数据分析模块用于对历史监测数据进行分析处理；生成水质预警预测模型；

所述数据统计模块用于对历史监测数据进行查询、统计和图表显示；

所述参数设置模块用于设置水质参数上下限值以及通信参数；

所述用户管理模块用于管理系统用户的操作权限以及数据资源访问权限。

进一步的，所述实时监控模块可进行报警提示，当采集数据超过所述水质参数上下限值时，可视化界面通过声音与画面提示用户。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种基于ROV的水下环境监测系统，以ROV水下作业平台为核心，在成本相对较低的基础上，可针对不同用户的需求，在ROV水下作业平台上搭载不同的传感器，对不同类型的水域进行智能化监测，打破了传统定点监测的局限性，通过立体分层监测对水域实现纵向测量，提升监测范围；上位机监测系统可远程实时进行数据采集显示以及数据处理；实时显示水下画面；实现控制功能，有效提高监测效率，节省监测成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的系统整体结构示意图。

图2是本发明实施例的ROV水下作业平台整体结构示意图。

图3是本发明实施例的水面数据转发端整体结构示意图。

图4是本发明实施例的上位机监测系统整体结构示意图。

图5是本发明实施例的ROV水下作业平台运动控制流程示意图。

图中，1是ROV水下作业平台，2是水面数据转发端，3是上位机监测系统，11是Raspberry Pi微型电脑，12是Arduino开发板，13是传感器系统，14是摄像机，15是电力线通信发送模块，16是电源，17是推进器，21是水面浮标，22是通信缆板，23是路由器，24是太阳能电池板，31是登录模块，32是实时监控模块，33是数据分析模块，34是数据统计模块，35是参数设置模块，36是用户管理模块，221是电力线通信接收模块，222是电源模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所列举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

参照图1，本发明提供一种基于ROV的水下环境监测系统，所述水下环境监测系统包括ROV水下作业平台1，水面数据转发端2以及上位机监测系统3，所述ROV水下作业平台1设有电力线通信发送模块15，水面数据转发端2设有电力线通信接收模块25，所述电力线通信发送模块15与电力线通信接收模块25通过零浮力线缆相连接以进行数据交互；所述水面数据转发端2同时通过无线网络与所述上位机监测系统3相连接。

参照图2，在本发明的实施例中，所述ROV水下作业平台1用于监控水域环境、采集相关数据；设有Raspberry Pi微型电脑11、Arduino开发板12、传感器系统13、摄像机14、电力线通信发送模块15、电源16以及推进器17；所述Raspberry Pi微型电脑11与Arduino开发板12相连接；所述传感器系统13、推进器17受控于Arduino开发板12；所述摄像头14与Raspberry Pi微型电脑11相连接；所述电力线通信发送模块15通过RJ45接口连接Raspberry Pi微型电脑11；所述电源16为所述ROV水下作业平台1提供电能。

其中，所述Raspberry Pi微型电脑11和Arduino开发板12为ROV水下作业平台1进行数据处理的核心组件，Raspberry Pi微型电脑11处理性能强，且体积十分小巧，Arduino开发板12扩展性能好，两者相结合可以更好地实现系统的功能。所述Raspberry Pi微型电脑11安装有Raspbian操作系统，并在所述Raspbian操作系统中安装了Mjpg-streamer视频流软件。所述Mjpg-streamer视频流软件可实现对视频的抓取、播放，并建立ROV操作界面。所述摄像头14采集水域视频监控图像后传输视频数据至Raspberry Pi微型电脑11，通过Mjpg-streamer视频流软件对视频数据进行处理。Raspberry Pi微型电脑11与Arduino开发板12通过串口通信进行数据传输，从而在采集视频数据的同时实现对Arduin开发板12的监听和控制。

所述Arduino开发板12与所述传感器系统13、推进器17相连接，主要用于处理传感器系统13所采集数据以及对推进器17的控制。Arduino开发板12除了负责控制传感器系统13进行相应数据的采集，还需对采集数据进行解析、整合，并实现数据的存储与发送。Arduino开发板12自带A/D转换模块，可以更好地接收模拟量数据。传感器系统13获取环境数据后，将环境数据传输至Arduino开发板12，由其通过串口发送至Raspberry Pi微型电脑11，由上位机监测系统3进行整合显示。

在本发明的一个实施例中，所述传感器系统13包括姿态传感器、压力传感器以及水质传感器。所述姿态传感器用于通过陀螺仪、加速度计、电子罗盘等器件采集ROV水下作业平台1的姿态数据，通过内嵌的低功耗ARM处理器输出校准过的角速度、加速度等数据，通过基于四元数的传感器数据算法进行运动姿态测量，并输出以四元数、欧拉角等形式表示的ROV水下作业平台1三维姿态数据。

所述压力传感器用于测量ROV水下作业平台1目前所承受的水压值。根据水压与水深的线性管理，通过测量水压值可得出当前作业水域深度。

所述水质传感器包括浊度传感器、PH传感器、盐度传感器、电导率传感器，用于采集衡量水域水质的重要指标数据。所述浊度传感器利用光学原理，通过测量水域透光率和散射率来判断水体浑浊情况，从而达到监测水质的目的；所述PH传感器用于测量水域水体的PH值，其检测电极采用低阻抗敏感玻璃膜制成，可应用于各种条件的PH值测量，具有回应快、热稳定性好等特点，并具有良好的再现性，不易水解，可基本消除碱误差，可长时间在线检测PH值；所述电导率传感器用于采集水域水体电导率数据，通过电导率数据可以计算出水体的所含盐分，从而作为衡量水域水质的一项重要指标。

ROV水下作业平台1所采集的监控数据通过所述水面数据转发端2转发至上位机监控系统3。参照图3，所述水面数据转发端2包括水面浮标21，所述水面浮标21上设有通信缆板22、路由器23以及太阳能电池板24。所述通信缆板22包括电力线通信接收模块221与电源模块222，其中电力线通信接收模块221使用了HomePlugAV2规范的电力线通信SoC——BCM60333KFSGB，它能与所有HomePlugAV2产品完全兼容，支持1Gbps SISO以及1.8GbpsMIMO PHY传输速率，支持针对IEEE 1905.1标准的nVoy认证，本地支持TR-069远程管理、符合包括EuP Lot 6以及CENELEC 50561-1标准在内的所有电力监管要求；电源模块222为适配器，其输入端与所述太阳能电池板24相连接，输出端与电力线通信接收模块221相连接，用以为所述电力线通信接收模块221提供稳定电压；所述电力线通信接收模块221与所述路由器23相连接；所述路由器23通过RJ45接口连接电力线通信接收模块221；所述太阳能电池板24为水面数据转发端2供电。

在本发明的实施例中，由于无线电波在水下传输衰减十分严重，ROV水下作业平台1与水面数据转发端2的数据传输采用电力线载波通信的方式。电力线载波通信是指利用电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式，该技术是把载有信息的高频信号加载于电流，然后用电力线进行信号传输，信息接收端再将高频信号由电流中分离出来并传输到计算机之类的终端以实现信息的传递。ROV水下作业平台1通过所述电力线通信发送模块15将监控数据通过零浮力线缆传输至水面数据转发端2的电力线通信接收模块221，上位机监控系统3通过访问连接所述电力线通信接收模块221的路由器23所建立的局域网，以获取和传输数据，构成数据传输网络。

参照图4，所述上位机监控系统3用于实时监测采集数据、远程控制ROV水下作业平台、统计和分析水域环境数据。上位机监控系统3包括登录模块31、实时监控模块32、数据分析模块33、数据统计模块34、参数设置模块35以及用户管理模块36，并设有可视化界面以进行人机交互。

用户通过所述登录模块31输入用户名及密码，登录模块31会验证该用户是否存在以及该用户所拥有的系统使用权限。

所述实时监控模块32用于根据ROV水下作业平台1实时采集的监测数据，通过可视化界面以动态曲线图、动态柱状图等形式显示监测数据的变化，同时该模块还可实时展示ROV水下作业平台1传回的视频监控图像，用户可通过该模块控制ROV水下作业平台1的运动。

参照图5，所述ROV水下作业平台1在通电瞬间完成硬件的初始化，包括所搭载元器件的设置连接以及推进器17电机的通电待机。初始化完成后，用户通过实时监控模块32发送控制指令，控制指令经由水面数据转发端2发送至ROV水下作业平台1，Raspberry Pi微型电脑11根据指令控制所述摄像机14调整拍摄角度，并通过串口通信将控制指令发送给Arduino开发板12进行读取和分析，Arduino开发板12根据指令控制推进器17从而实现ROV水下作业平台1的前、后、左、右、升、潜等动作以及电机功率的增减等功能。同时所述姿态传感器将实时采集ROV水下作业平台运动过程中的姿态信息以供用户查看和Arduino开发板12分析调整，从而保证RPV水下作业平台1的平稳运行。

所述数据分析模块33用于对历史监测数据进行分析处理，用户可通过设置调取任意时间段的水域监测数据，根据监测数据数值变化以折线图或柱状图对比方式动态展示给用户，方便用户更好地观察水域监测数据的变化；该模块还可根据监测数据变化趋势，以图表形式生成水质预警预测模型，为用户治理水域问题提供决策依据。

所述数据统计模块34用于对历史监测数据进行查询、统计和图标显示。

所述参数设置模块35用于设置水质参数上下限值以及通信参数。通过设置水质参数上下限值，当实时监控模块32检测到ROV水下作业平台1采集的任一水质监测数据超出该项水质参数上下限值时，上位机监测系统3将通过声音和画面对用户进行提示。

所述用户管理模块36用于管理系统用户的操作权限以及特定数据资源的访问权限。

在本发明的一个实施例中，由于无线电波在水中的快速衰减使常规的GPS定位不适用于水下定位的应用场景，因此本发明通过超短基线定位系统对ROV水下作业平台1在水下的位置进行定位。所述超短基线定位系统包括发射换能器、接收基阵以及应答器，其中，所述应答器设在ROV水下作业平台1上，所述发射换能器以及接收基阵可设在所述水面数据转发端2上，所述定位系统工作时，发射换能器发出一个声脉冲，应答器接收到所述声脉冲后回发声脉冲，接收基阵接收到回发的声脉冲后，计算出X、Y两个方向的相位差，并根据声波达到时间计算出ROV水下作业平台1距离接收基阵的距离L，从而计算出ROV水下作业平台1在平面坐标上的位置和深度，并通过水面数据转发端2发送至上位机监测系统3。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于ROV的水下环境监测系统，其特征在于，所述系统包括ROV水下作业平台、水面数据转发端以及上位机监测系统，所述ROV水下作业平台设有电力线通信发送模块，所述水面数据转发端设有电力线通信接收模块，所述电力线通信发送模块与电力线通信接收模块通过零浮力线缆相连接，所述水面数据转发端通过无线网络与所述上位机监测系统相连接，

所述ROV水下作业平台用于监测水域环境，并以Raspberry Pi微型电脑与Arduino开发板解析、整合、存储、发送采集数据；

所述水面数据转发端用于将ROV水下作业平台所采集数据转发至所述上位机监测系统；

所述上位机监测系统用于实时监测采集数据、远程控制ROV水下作业平台、统计和分析水域环境数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于ROV的水下环境监测系统，其特征在于，所述ROV水下作业平台设有Raspberry Pi微型电脑、Arduino开发板、传感器系统、摄像机、电力线通信发送模块、电源以及推进器；所述RaspberryPi微型电脑与Arduino开发板相连接；所述传感器系统、推进器受控于Arduino开发板；所述摄像头与Raspberry Pi微型电脑相连接；所述电力线通信发送模块通过RJ45接口连接Raspberry Pi微型电脑；所述电源为所述ROV水下作业平台提供电能。

3.根据权利要求2所述的一种基于ROV的水下环境监测系统，其特征在于，所述传感器系统包括姿态传感器、压力传感器、水质传感器，所述水质传感器包括PH传感器、浊度传感器、电导率传感器。

4.根据权利要求2所述的一种基于ROV的水下环境监测系统，其特征在于，所述ROV水下作业平台上还设有超短基线定位系统，用于定位ROV水下作业平台在水下的精确位置，所述电源为超短基线定位系统提供电能。

5.根据权利要求1所述的一种基于ROV的水下环境监测系统，其特征在于，所述水面数据转发端包括水面浮标，所述水面浮标上设有通信缆板、路由器以及太阳能电池板，所述通信缆板包括电力线通信接收模块与电源模块，电源模块与通信模块相连接以提供稳定电压；所述电力线通信接收模块与所述路由器通过RJ45接口相连接；所述太阳能电池板为水面数据转发端供电。

6.根据权利要求1所述的一种基于ROV的水下环境监测系统，其特征在于，所述上位机监测系统包括登录模块、实时监控模块、数据分析模块、数据统计模块、参数设置模块以及用户管理模块，并设有可视化界面以进行人机交互，

所述登录模块用于验证用户登录名与密码确认用户权限；

所述实时监控模块用于根据采集数据实时通过可视化界面显示监测指标的变化、实时展示监控视频图像；控制ROV水下作业平台的运动；

所述数据分析模块用于对历史监测数据进行分析处理；生成水质预警预测模型；

所述数据统计模块用于对历史监测数据进行查询、统计和图表显示；

所述参数设置模块用于设置水质参数上下限值以及通信参数；

所述用户管理模块用于管理系统用户的操作权限以及数据资源访问权限。

7.根据权利要求6所述的一种基于ROV的水下环境监测系统，其特征在于，所述实时监控模块可进行报警提示，当采集数据超过所述水质参数上下限值时，可视化界面通过声音与画面提示用户。