CN109738605A - 一种便携式无人水面移动水质监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种便携式无人水面移动水质监测装置，包括船身(1)和水质传感器(5)，其特征在于：所述船身(1)上设有用于驱动船身在上面移动的风力推进装置(6)，以及改变船身在上面移动方向的转向装置(7)；所述船身(1)还上设有密封盒(4)，密封盒(4)内设有供电模块(41)、主控制模块(42)、定位模块(43)、无线通信模块(44)和摄像头(45)。与现有技术相比，本发明的优点在于：发明装置体积小，重量轻，易携带和部署，采用风力推进装置进行船体推进，无需水样采集，进行“边采集边分析”，还能将实水质检测结果发送给外部控制设备，实现无人水面移动和在线水质连续监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种便携式无人水面移动水质监测装置。
背景技术
水质监测被称为水资源保护的“眼睛”，是水资源环境管理与保护的重要基础。目前普遍采用的是技术是利用水质监测站对采集样本的水质进行检测和分析，然而水质监测站由于位置固定难以实时发现和跟踪污染。随着物联网这个新兴产业的迅速发展，把智能感知装备嵌入到各种环境监控对象中，通过互联网与云计算机将环保领域物联网整合起来，可以实现人类社会与环境业务系统的整合，以更加精细和动态的方式实现环境管理和决策。
目前市场上基于物联网技术的水质监测系统主要分为两类，一类是基于无线传感网络的在线水质监测系统，另一类是移动式水质在线监测系统。基于无线传感网络的在线水质监测系统中，必须在所需监测的区域内选择大量的采样点，在每个采样点上布置传感器，成为传感器节点，然后将所有传感器节点采集到的数据进行检测和分析；但是因为需要部署大量传感器节点，直接导致了系统成本过高，因此并不适用于普通水质监测。移动式水质在线监测系统最大的特点就是系统监测位点是可移动的，一种方法是将水质分析仪器搭载在移动车上，通过移动车的移动由操作人员采集不同水域的水，利用车上的分析仅器进行水质监测；这种方式适用于发生污染之后的应急监测或者常规的定期监测；另一种方法是采用水质监测船，将大量的水质分析仪器搭载在水质监测船上，通过水质监测船在水面的航行来采集不同区域的水质情况，这种方式适用于大型的水域如大江大河等，水质监测船往往提及较大，成本太高，而且存在二次污染。
随着智能技术与物联网技术的发展，出现了无人机和无人船，但是由于现有的无人监测船存在体积大、携带不方便、设备昂贵等缺点，不适宜用于水质参数在线连续采集，也难以大规模推广。建立一种体积小、重量轻、易携带和部署、功率低、稳性好、参数多样、无人值守、且能连续采集的水面移动物联网装置是目前移动在线水质监测领域急待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种能在线连续采集水质数据的便携式无人水面移动水质监测装置。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种便携式无人水面移动水质监测装置，包括船身和水质传感器，其特征在于：所述船身上设有用于驱动船身在上面移动的风力推进装置，以及改变船身在上面移动方向的转向装置；所述船身还上设有密封盒，密封盒内设有供电模块、主控制模块、定位模块、无线通信模块和摄像头，供电模块、定位模块、无线通信模块和摄像头均与主控制模块电连接，主控制模块通过无线通信模块与外部控制设备电连接；风力推进装置和转向装置通过导线与密封盒内的主控制模块连接，主控制模块通过内部预设的航行路线的或通过接收外部控制设备发来的航行路线，并根据定位模块和摄像头获取船身所处的实时位置数据，对风力推进装置和转向装置进行控制；所述水质传感器设置在密封盒外，且在船身置于被测水域中时能与被测水接触，水质传感器通过导线与密封盒内的主控制模块通信连接，主控制模块结合定位模块采集的实时位置数据，对水质传感器采集的水质数据进行在线收集和分析，得出实时水质检测结果，并能将实时水质检测结通过无线通信模块发送给外部控制设备。
作为改进，所述船身包括两片平行设置的长条形支撑件，两片长条形支撑件的上方设有两个平行间隔设置的梯形支架，两个梯形支架的长边两端分别与两片长条形支撑件固定，两个梯形支架之间固定有甲板，所述密封盒固定在甲板上。
再改进，两个梯形支架的上方设有三角形支架，风力推进装置和转向装置安装在三角形支架上。
再改进，所述风力推进装置包括风叶，与风叶连接的电机，及与电机连接的用于控制电机速度转速的电机控制模块。
所述转向装置包括转向舵机和矢量转向器，转向舵机与矢量转向器相联，电机安装在矢量转向器上，从而通过转向舵机控制电机的矢量位置。
所述主控制模块采用型号为Raspberry Pi 3b的主控单元；所述控制盒内还设有与主控制模块连接的Arduino板；转向装置的控制线与Arduino板的PWM接口连接，主控制模块将转向控制指令通过Arduino板的PWM接口发送给转向舵机；电机控制模块的控制线与Arduino板的PWM接口连接，主控制模块将控制电机的转速和输出转矩的控制指令通过Arduino板的PWM接口发送给电机控制模块。
所述水质传感器包括PH值传感器、浊度传感器和水温传感器。
所述控制盒内还设有型号为STM32的单片机；水质传感器与型号为STM32的单片机连接，型号STM32的单片机将传感器数据通过USB接口传输给型号为Raspberry Pi 3b的主控单元。
所述供电模块为充电宝。
所述控制盒上设有与供电模块电连接的能为供电模块充电的电充接口，所述控制盒上设有与供电模块电连接的用于给风力推进装置供电的第一电源接口和用于给转向装置供电的第二电源接口。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的船体采用风力推进装置进行船体推进，可以有效避免水下螺旋桨推动方式的船体在运行时对水质采样过程的扰动，保证了水质监测数据的可靠；本发明无需水样采集，不需要船体在行进过程中暂停下来等水体稳定以后再抽取水样进行分析，这样大大降低了装置的体积、成本和功耗等，满足不同应用的监测要求；本发明在船体运行中可进行“边采集边分析”，主控制模块能够在线实时对水质进行连续的采集和分析，并根据实时位置数据，得到实水质检测结果，能够为污染溯源提供实时的依据，还能将实水质检测结果发送给外部控制设备，实现无人水面移动和在线水质连续监测。
附图说明
图1为本发明实施例中便携式无人水面移动水质监测装置的侧视图；
图2为本发明实施例中便携式无人水面移动水质监测装置的主视图；
图3为本发明实施例中便携式无人水面移动水质监测装置的俯视图；
图4为本发明实施例中便携式无人水面移动水质监测装置中功能模块连接图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提供的便携式无人水面移动水质监测装置，参见图1～3所示，包括船身1，船身1由两片平行设置的长条形支撑件11、12组成，两片长条形支撑件11、12的上方设有两个平行间隔设置的梯形支架21、22，两个梯形支架21、22的长边两端分别与两片长条形支撑件11、12固定，两个梯形支架21、22之间固定有甲板3，甲板3上固定有密封盒4；两个梯形支架21、22的上方固定有三角形支架8，三角形支架8上固定有风力推进装置6和转向装置7。整个船体长度为83厘米，宽度为35厘米，高度为40厘米，甲板上放置的密封盒的长度为14厘米，宽度为12厘米，高度为10厘米。船身材料为玻璃钢，支架和甲板材料为铝合金，密封盒为PVC材质。
本实施例中，所述风力推进装置6包括风叶61，与风叶61连接的电机62，及与电机62连接的用于控制电机速度转速的电机控制模块63。所述转向装置7包括转向舵机71和矢量转向器72，转向舵机71与矢量转向器72相联，电机62安装在矢量转向器72上，从而通过转向舵机71控制电机62的矢量位置。
本实施例中，密封盒4内设有供电模块41、主控制模块42、定位模块43、无线通信模块44和摄像头45，参见图4所示，供电模块41、定位模块43、无线通信模块44和摄像头45均与主控制模块42电连接，主控制模块42通过无线通信模块44与外部控制设备电连接；风力推进装置6的电机控制模块63和转向装置7的转向舵机71通过导线与密封盒4内的主控制模块42通信连接，主控制模块42通过内部预设的航行路线的或通过接收外部控制设备发来的航行路线，并根据定位模块43和摄像头45获取船身所处的实时位置数据，对风力推进装置6和转向装置7进行控制；密封盒(4)外设有水质传感器5，在船身置于被测水域中时能与被测水接触，水质传感器(5)通过导线与密封盒4内的主控制模块42连接，主控制模块42结合定位模块采集的实时位置数据，对水质传感器采集的水质数据进行在线收集和分析，得出实时水质检测结果，并能将实时水质检测结通过无线通信模块发送给外部控制设备。
本实施例中，驱动风叶61转动的电机62采用朗宇X2216无刷电机，控制电机速度的电机控制模块63采用HobbyKing HK-30A ESC无刷电调，电机62最大功率为12V*17.5A；改变船体移动方向的转向舵机71为TowerPro MG996R型的舵机，转向舵机71及矢量转向器72的最大功率为5V*1A。密封盒4内的主控制模块42采用型号为Raspberry Pi 3b的主控单元，其工作功率为5V*0.5A；定位模块43采用GPS模块，其最大工作功率为5V*0.1A，水质传感器、摄像头及其附属电路的总功率为5V*0.5A。
供电模块41采用充电宝，充电宝具有12V和5V两种输出电压，12V用于电机的电源，5VV用于转向舵机和电机控制模块63，摄像头、水质传感器和定位模块从主控制模块42即Raspberry Pi 3b的USB接口中取电。因此，控制盒上设有与供电模块41电连接的能为供电模块41充电的电充接口411，所述控制盒上设有与供电模块41电连接的用于给风力推进装置6供电的第一电源接口412和用于给转向装置7供电的第二电源接口413。
控制盒4内还设有与主控制模块42连接的Arduino板47；转向装置7的控制线与Arduino板的PWM接口连接，主控制模块42将转向控制指令通过Arduino板47的PWM接口发送给转向舵机；电机控制模块63的控制线与Arduino板的PWM接口连接，主控制模块42将控制电机的转速和输出转矩的控制指令通过Arduino板47的PWM接口发送给电机控制模块63，从而控制电机控制模块的电压，即在定子磁场不变的情况下，通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电机控制模块的转速和输出转矩。对于转向舵机的控制也是由Arduino产生可变宽度的脉冲来进行控制，转向舵机控制线与Arduino的PWM接口连接。一般而言，转向舵机的基准信号都是周期为20ms，宽度为1.5ms，这个基准信号定义的位置为中间位置；本发明装置的舵机的最大转动角度为-80°到80°，中间位置定义为0°。
本发明中，水质传感器5设有多种，如PH值传感器51、浊度传感器52和水温传感器53等等，所述控制盒内还设有型号为STM32的单片机46；水质传感器5与型号为STM32的单片机连接，型号STM32的单片机将传感器数据通过USB接口传输给型号为Raspberry Pi 3b的主控单元；PH值传感器、浊度传感器和水温传感器。PH值传感器输出的电压信号很微弱，为了确保测量精度，经过一个可调增益的运算放大电路放大信号源，然后再接入STM32的单片机；浊度传感器通过使用光电二极管和晶体管以及光学传感器，测量从光源到接收器的光线量，从而计算出水的浊度；水温传感器测量范围为-55℃～+125℃，精度为±0.5℃，采用单总线通信模式，仅需要一条I/O口线即可实现与STM32的双向通讯；STM32单片机将传感器数据通过USB接口传输给主控单元Raspberry Pi 3b。
本发明中，由于主控制模块采用是的性能较高的基于ARM的低功耗微型电脑主板，即型号为Raspberry Pi 3b的主控单元，进行感知数据的汇聚传输和操控命令的接收执行，它以SD/MicroSD卡为内存硬盘，卡片主板周围有4个USB接口和一个100M以太网接口，可连接键盘、鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口，以上部件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上。同时它拥有丰富的GPIO口，可以与其他设备进行良好的通信，而且该主控单元具有WiFi通信模块，无线通信模块可以采用一只智能手机，其具有WiFi通信模块和3G或4G通信模块，将智能手机的WiFi热点模式打开后，通过设置主控单元的WiFi连接到智能手机的WiFi热点，这样主控单元通过智能手机的3G或4G通信链路接入互联网，并通过HTTP或HTTPS或EBHTTP或CoAP或MQTT或TCP Socket等服务协议接入物联网云平台。主控单元一方面它接收来自云物联网云平台的操控命令，将解析后的操控命令通过USB接口发送给Arduino，由它负责命令的执行从而改变电机转速和舵机方向，从而远程控制本装置的航线；另一方面通过USB接口获得STM32单片机发送过来的水质传感器的数据，并将水质参数数据传输给物联网云平台，从而实现在线水质监测。
本发明可以通过无线通信模块接入外部控制设备，如外部的物联网云平台，然后可以通过配套的手机端应用软件(APP)或浏览器端应用软件以在线交互的方式控制本发明装置的航行路线，也支持自主路径控制的智能航行模式，采用与主控单元Raspberry Pi3b连接的摄像头采集的图像和定位模块获得的实时位置信息，基于计算机视觉和GPS定位算法对船体进行控制。主控制模块利用深度学习，通过大量的数据样本对深度网络进行训练，训练后的模型可以对不同障碍物以及水的边缘进行检测，通过计算船体与障碍的距离，最终得到船的二维坐标。综合风速、水流等因素，结合GPS导航和流体力学的计算方法实现小船的路径智能控制技术，实现无人水面移动和连续在线采集的目标。
本发明通过无线通信模块接入外部物联网云平台后可以通过配套的手机端应用软件(APP)或浏览器端应用软件可以在线查看实时更新的水质监测数据，也可以采用深度学习网络，以各个传感器参数为输入，污染程度为标签，人工制作数据集进行训练，使用训练完毕的网络框架可实时获得水质污染情况，结合时间与空间等信息，使用python可视化技术，对水质污染进行场景建模，最终组合成端到端的污染分析系统，输出二维的污染图，为水体污染源定位、水体污染实时监测等提供可靠依据。
发明装置体积小，重量轻，易携带和部署；功率低，采用充电宝供电，可持续工作2小时以上；转向稳定平衡，稳性好；可扩展性好，能够根据需要安装所需的水质传感器；可接入互联网以及物联网云平台，支持在线交互的航行控制模式，以及自主路径控制的智能航行模式；本发明可以在船体运行中可进行“边采集边分析”，能够通过运行在主控制模块对水质进行连续的建模分析，从而可以在线做出一些关于水体质量的判断，能够为污染溯源提供实时的依据，支持水质监测数据的在线实时传送，以及为水质污染场景的建模分析提供丰富的历史数据。
Claims (10)
1.一种便携式无人水面移动水质监测装置，包括船身(1)和水质传感器(5)，其特征在于：所述船身(1)上设有用于驱动船身在上面移动的风力推进装置(6)，以及改变船身在上面移动方向的转向装置(7)；所述船身(1)还上设有密封盒(4)，密封盒(4)内设有供电模块(41)、主控制模块(42)、定位模块(43)、无线通信模块(44)和摄像头(45)，供电模块(41)、定位模块(43)、无线通信模块(44)和摄像头(45)均与主控制模块(42)电连接，主控制模块(42)通过无线通信模块(44)与外部控制设备电连接；风力推进装置(6)和转向装置(7)通过导线与密封盒(4)内的主控制模块(42)通信连接，主控制模块(42)通过内部预设的航行路线的或通过接收外部控制设备发来的航行路线，并根据定位模块(43)和摄像头(45)获取船身所处的实时位置数据，对风力推进装置(6)和转向装置(7)进行控制；所述水质传感器(5)设置在密封盒(4)外，且在船身置于被测水域中时能与被测水接触，水质传感器(5)通过导线与密封盒(4)内的主控制模块(42)连接，主控制模块(42)结合定位模块采集的实时位置数据，对水质传感器采集的水质数据进行在线收集和分析，得出实时水质检测结果，并能将实时水质检测结通过无线通信模块发送给外部控制设备。
2.根据权利要求1所述的便携式无人水面移动水质监测装置，其特征在于：所述船身包括两片平行设置的长条形支撑件(11、12)，两片长条形支撑件(11、12)的上方设有两个平行间隔设置的梯形支架(21、22)，两个梯形支架(21、22)的长边两端分别与两片长条形支撑件(11、12)固定，两个梯形支架(21、22)之间固定有甲板(3)，所述密封盒(4)固定在甲板(3)上。
3.根据权利要求2所述的便携式无人水面移动水质监测装置，其特征在于：两个梯形支架(21、22)的上方设有三角形支架(8)，风力推进装置(6)和转向装置(7)安装在三角形支架(8)上。
4.根据权利要求1所述的便携式无人水面移动水质监测装置，其特征在于：所述风力推进装置(6)包括风叶(61)，与风叶(61)连接的电机(62)，及与电机(62)连接的用于控制电机速度转速的电机控制模块(63)。
5.根据权利要求4所述的便携式无人水面移动水质监测装置，其特征在于：所述转向装置(7)包括转向舵机(71)和矢量转向器(72)，转向舵机(71)与矢量转向器(72)相联，电机(62)安装在矢量转向器(72)上，从而通过转向舵机(71)控制电机(62)的矢量位置。
6.根据权利要求5所述的便携式无人水面移动水质监测装置，其特征在于：所述主控制模块(42)采用型号为Raspberry Pi 3b的主控单元；所述控制盒内还设有与主控制模块(42)连接的Arduino板(47)；转向装置(7)的控制线与Arduino板的PWM接口连接，主控制模块(42)将转向控制指令通过Arduino板(47)的PWM接口发送给转向舵机；电机控制模块(63)的控制线与Arduino板的PWM接口连接，主控制模块(42)将控制电机的转速和输出转矩的控制指令通过Arduino板(47)的PWM接口发送给电机控制模块(63)。
7.根据权利要求6所述的便携式无人水面移动水质监测装置，其特征在于：所述水质传感器(5)包括PH值传感器(51)、浊度传感器(52)和水温传感器(53)。
8.根据权利要求7所述的便携式无人水面移动水质监测装置，其特征在于：所述控制盒内还设有型号为STM32的单片机(46)；水质传感器(5)与型号为STM32的单片机连接，型号STM32的单片机将传感器数据通过USB接口传输给型号为Raspberry Pi3b的主控单元。
9.根据权利要求1所述的便携式无人水面移动水质监测装置，其特征在于：所述供电模块(41)为充电宝。
10.根据权利要求9所述的便携式无人水面移动水质监测装置，其特征在于：所述控制盒上设有与供电模块(41)电连接的能为供电模块(41)充电的电充接口(411)，所述控制盒上设有与供电模块(41)电连接的用于给风力推进装置(6)供电的第一电源接口(412)和用于给转向装置(7)供电的第二电源接口(413)。
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