CN110825096B - 适用全天候水质监测的报警平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用全天候水质监测的报警平台，包括若干移动监测单元和监测总站，移动监测单元包括无人机、水质检测装置和地面控制装置，其中，水质检测装置用于获取水质参数，并生成第一加密数据；地面控制装置接收第一加密数据，对数据进行解密并显示；地面控制装置对检水作业指令进行加密以生成第二加密数据，并将其发送至无人机；监测总站获取第一加密数据，并对第一加密数据进行解密处理，以获取水质参数和飞行参数，监测总站的主控制器读取水质参数和飞行参数，并判断水质参数是否为预警参数，如果是，则控制警示模块发出报警信号。本发明可实现多个水域的全天候监测，机动化程度高，作业精准性高，数据传输安全性高，环境监管效率高。

Description

适用全天候水质监测的报警平台

技术领域

本发明属于水质监测技术领域，特别涉及一种适用全天候水质监测的报警平台。

背景技术

近年来，随着无人机技术的普及，逐步将无人机应用于环境监测领域，与常规人工操作与仪器监测相比，其机动性灵活性均远优于其他监测模式。无人机进行环境监测方法主要集中在两方面：搭载视频摄录装置对水污染范围、垃圾分布范围、等进行调查；搭载环境空气监测仪器，对空气或烟囱废气排放状况进行气体或颗粒物浓度监测。

现有技术中的水质监测系统，通过人工或者常规仪器进行水质监测虽然能够原位获取准确的水质信息，但是难以进行大面积水域作业，且存在机动灵活性差、采样检测间隔时间长、对水质监测存在迟滞甚至漏检等不足，环境监管效率较低。

因此，现有技术需要进行改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种集成数据加密技术、无人机遥感数据技术和终端实时预警技术的适用全天候水质监测的报警平台，其数据传输安全性高，环境监管效率高。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种一种适用全天候水质监测的报警平台，包括若干移动监测单元和监测总站，所述移动监测单元包括无人机、水质检测装置和地面控制装置，其中，所述水质检测装置通过收放装置悬挂于所述机身安装平台底面，所述水质检测装置包括第一加解密模块，所述水质检测装置用于采集目标水域指定水层的水样，以获取水质参数，并生成第一加密数据；所述地面控制装置通过地面数据终端与所述机载数据终端进行通信，以接收所述第一加密数据，所述地面控制装置包括第二加解密模块，所述第二加解密模块用于对所述第一加密数据进行解密处理，并通过显示器进行显示；所述地面控制装置还用于获取检水作业指令，所述第二加解密模块对所述检水作业指令进行加密以生成第二加密数据，然后将所述第二加密数据发送至所述无人机；所述无人机通过所述第一加解密模块对所述第二加密数据进行解密处理，并按照预设航路飞行至目标水域，并悬停在目标水域的水面上方预设高度，以便于水质检测装置采集水样；所述监测总站包括主控制器、数据通信模块、第三加解密模块、警示模块、水质显示模块和无人机状态显示模块，所述主控制器分别与所述数据通信模块、所述第三加解密模块、所述警示模块、所述水质显示模块和所述无人机状态显示模块相连，所述监测总站通过数据通信模块与所述若干移动监测单元进行无线通信，以获取所述第一加密数据，所述第三加解密模块用于对所述第一加密数据进行解密处理，以获取水质参数和飞行参数，所述主控制器读取所述水质参数和飞行参数，并将水质参数发送至所述水质显示模块显示水质参数，将飞行参数所述无人机状态显示模块显示，所述主控制器还用于判断所述水质参数是否为预警参数，如果是，则控制所述警示模块发出报警信号。

根据本发明实施例提出的适用全天候水质监测的报警平台，其利用多个无人机挂载水质检测装置进行检水作业，系统机动化程度高；系统利用监测总站采集多个移动监测单元的参数信息，并根据参数信息生成报警信号，可实现对多个水域的全天候监测，环境监管效率高；系统通过机载数据终端和地面数据终端进行数据传输，并利用加解密模块对数据进行加密，提高了信息传输的安全性。

根据本发明的一个实施例，所述水质检测装置还包括主控单元和水质检测传感器单元，其中，所述主控单元分别与所述第一加解密模块、无人机的飞控与导航系统、所述水质检测传感器单元和所述收放装置相连，当主控单元检测到水质检测装置到达指定水层时，控制收放装置的电机停止工作，并控制水质检测传感器单元开始检测，以生成水质参数，所述主控单元通过RS485接口和Modbus协议读取水质检测传感器检测到的水质参数，并将若干水质参数进行打包处理，以生成第一检测数据，所述主控单元还通过RS235接口读取无人机的飞行参数；所述第一加解密模块用于将所述第一检测数据与所述飞行参数进行打包加密处理，以生成第一加密数据。

根据本发明的一个实施例，所述第一加解密模块包括数据加解密模块、密码资源管理模块和口令认证模块等，数据加解密模块用于使用SM1加密算法实现主控单元发送的数据加解密功能，密码资源管理模块用于存储密码资源以及密码资源的解密，口令认证模块用于实现对主控单元发送的口令进行认证，返回认证结果。

根据本发明的一个实施例，所述监测总站还包括操作平台，所述操作平台可实现人机交互，操作人员通过操作平台设置预设最低阈值和预设最高阈值，所述操作平台的控制器对所述水质参数进行分析，如果所述水质参数高于预设最高阈值或者所述水质参数低于预设最低阈值，则判断所述水质参数为预警数据，并触发警示模块，发出报警信号。

根据本发明的一个实施例，适用全天候水质监测的报警平台还包括标准化数据存储模块和数据修正单元，所述标准化数据存储模块用于存储实验室标准化检测数据，所述主控制器还用于读取所述水质参数，并将所述水质参数与所述实验室标准化检测数据进行比对，如果所述水质参数与所述实验室标准化检测数据的数据差值超出预设范围，则控制所述数据修正单元对所述预设最低阈值和所述预设最高阈值进行调整。

根据本发明的一个实施例，所述无人机包括飞控与导航系统和第一图传模块，所述飞控与导航系统包括主控制器、若干机载传感器和任务载荷控制接口，其中，所述若干机载传感器包括若干避障机构和超声波高度传感器，其中，所述避障机构用于检测无人机周边的障碍物以获取障碍检测信息，所述超声波高度传感器用于获取无人机底面距离水面的实时高度；所述主控制器包括惯性测量单元(IMU)、气压计、GPS单元、指南针单元和若干接口，所述主控制器与所述若干机载传感器电性连接，以获取障碍检测信息和实施高度，并生成飞行参数，以实现无人机的姿态控制和精准定位；所述任务载荷控制接口与任务载荷电性连接，其中，所述任务载荷包括水质检测装置；所述第一图传模块用于获取目标水域的实时图像信息。

根据本发明的一个实施例，所述监测总站还包括第二图传模块和图像显示模块，所述监测总站的第二图传模块与所述第一图传模块进行通讯，以接收目标水域的实时图像信息，所述主控制器控制所述图像显示模块显示实时图像信息。

根据本发明的一个实施例，所述水质显示模块、所述无人机状态显示模块和所述图像显示模块分别设置在不同的显示器上或者以分屏模式显示在同一显示器上。

根据本发明的一个实施例，所述避障机构设置于机臂的电机安装座底面，所述避障机构用于将障碍检测信息发送至所述飞控与导航系统以计算无人机飞行作业平台与障碍物的距离，当所述飞控与导航系统判断所述无人飞行作业平台与障碍物的间距小于第一预设距离时，切入速度保护模式，以控制无人机减速飞行，并将所述障碍信息发送至地面控制装置，以便于操作人员操纵无人机避开障碍物；当所述飞控与导航系统判断所述无人飞行作业平台与障碍物的间距小于第二预设距离时，切入位置保护模式，控制无人机悬停，所述第一预设距离大于所述第二预设距离；所述超声波高度传感器设置于无人机的机身安装平台底面，所述超声波高度传感器用于将实时高度发送至所述飞控与导航系统，当所述飞控与导航系统判断所述实时高度等于预设高度H时，控制无人机悬停；当所述飞控与导航系统判断所述实时高度大于预设高度时，控制无人机下降；当所述飞控与导航系统判断所述实时高度小于预设高度H时，控制无人机上升，从而实现无人机的高度维持。

根据本发明的一个实施例，所述监测总站还包括无人机指挥模块，当所述警示模块发出报警信号时，操作人员通过所述无人机指挥模块输入无人机飞行控制指令，以通过人为干预保证无人机飞行安全。

附图说明

图1是根据本发明实施例的适用全天候水质监测的报警平台的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的监测总站的方框示意图；

图3是根据本发明实施例的水质监测加密控制系统的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的无人机俯视图(隐藏上盖)；

图5是根据本发明实施例的水质监测加密控制系统的方框示意图；

图6是根据本发明实施例的基于无人机的全天候水质监测加密控制系统的通信流程图；

图7是根据本发明实施例的减震装置的结构示意图；

图8是根据本发明实施例的收放装置的结构示意图；

图9是根据本发明实施例的电源分配电路板的平面图；

图10是根据本发明实施例的减震起落架的结构示意图；

图11是根据本发明实施例的减震起落架的减震机构的放大图；

图12是根据本发明实施例的起落架收放机构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1至图4所示，本发明实施例提出的适用全天候水质监测的报警平台包括若干移动监测单元和监测总站8，移动监测单元包括无人机1、水质检测装置2和地面控制装置3。无人机包括充电板10、机身安装平台20、航电系统30(未示出)、机载数据终端40和蓄电池50，其中，水质检测装置2通过收放装置4悬挂于机身安装平台底面，水质检测装置包括第一加解密模块202，水质检测装置用于采集目标水域指定水层的水样以获取水质信息，并生成第一加密数据；地面控制装置通过地面数据终端301(未示出)与机载数据终端进行通信，以接收第一加密数据，地面控制装置包括第二加解密模块302(未示出)，第二加解密模块用于对第一加密数据进行解密处理，并通过显示器进行显示；地面控制装置还用于获取检水作业指令，第二加解密模块对检水作业指令进行加密以生成第二加密数据，然后将第二加密数据发送至无人机；无人机通过第一加解密模块对第二加密数据进行解密处理，并按照预设航路飞行至目标水域，并悬停在目标水域的水面上方预设高度。监测总站8包括主控制器801、数据通信模块802、第三加解密模块803、警示模块804、水质显示模块805和无人机状态显示模块806，主控制器分别与数据通信模块、第三加解密模块、警示模块、水质显示模块和无人机状态显示模块相连，监测总站通过数据通信模块与若干移动监测单元进行无线通信，以获取第一加密数据，第三加解密模块用于对第一加密数据进行解密处理，以获取水质参数和飞行参数，主控制器读取水质参数和飞行参数，并将水质参数发送至水质显示模块显示水质参数，将飞行参数无人机状态显示模块显示，主控制器还用于判断水质参数是否为预警参数，如果是，则控制警示模块发出报警信号。

如图2所示，监测总站还包括操作平台807，操作平台与主控制器相连，操作平台可实现人机交互，操作人员通过操作平台设置预设最低阈值和预设最高阈值，主控制器用于接收预设最低阈值和预设最高阈值并对水质参数进行分析，如果水质参数高于预设最高阈值或者水质参数低于预设最低阈值，则判断水质参数为预警数据，并触发警示模块，发出报警信号。

如图2所示，监测总站还包括第二图传模块808(未示出)和图像显示模块809，监测总站的第二图传模块与无人机的第一图传模块进行通讯，以接收目标水域的实时图像信息，主控制器控制图像显示模块显示实时图像信息。

具体地，水质显示模块、无人机状态显示模块和图像显示模块分别设置在不同的显示器上或者以分屏模式显示在同一显示器上。

如图2所示，监测总站还包括无人机指挥模块810，当警示模块发出报警信号时，操作人员通过无人机指挥模块输入无人机飞行控制指令，以通过人为干预保证无人机飞行安全。

具体地，适用全天候水质监测的报警平台还包括标准化数据存储模块和数据修正单元，标准化数据存储模块用于存储实验室标准化检测数据，主控制器还用于读取水质参数，并将水质参数与实验室标准化检测数据进行比对，如果水质参数与实验室标准化检测数据的数据差值超出预设范围，则控制数据修正单元对预设最低阈值和预设最高阈值进行调整。

具体来说，实验室标准化检测数据是通过人工检测获取的水质信息。在同一指标参数下，对所有目标水域的水样，将通过无人机获取的水质信息和实验室标准化检测数据进行T检验，如果水质参数与实验室标准化检测数据的数据差值未超出预设范围，则说明两组之间数据没有显著性差异，即当前采用的无人机水质监测方法准确可行。反之，则根据比对结果误差大小，对预设最低阈值和预设最高阈值进行调整，然后对所有水源重新采样，并进行方法间比对，直至显著性差异消失。

在本发明的一个实施例中，如图5所示，水质检测装置2还包括主控单元201、液位计203和水质检测传感器单元204，其中，主控单元分别与第一加解密模块、飞控与导航系统300、水质检测传感器单元、液位计和收放装置相连，当主控单元检测到水质检测装置到达指定水层时，控制收放装置的电机停止工作，并控制水质检测传感器开始检测，以生成水质参数，主控单元通过RS485接口和Modbus协议读取水质检测传感器检测到的水质参数，并将若干水质参数进行打包处理，以生成第一检测数据，主控单元还通过RS235接口读取无人机的飞行参数；第一加解密模块用于将第一检测数据与飞行参数进行打包加密处理，以生成第一加密数据。第一加解密模块包括数据加解密模块、密码资源管理模块和口令认证模块等，数据加解密模块用于使用SM1加密算法实现主控单元发送的数据加解密功能，密码资源管理模块用于存储密码资源以及密码资源的解密，口令认证模块用于实现对主控单元发送的口令进行认证，返回认证结果。

具体来说，水质检测传感器单元包括多个传感器，传感器可根据检水作业指令约束的指标参数进行更换，每个传感器拥有独立且唯一的ID号码，以识别不同的指标参数。需要说明的是，检水作业指令约束的指标参数可包括：溶解氧、酸碱度(PH)、电导率、浊度、蓝绿藻、余氯、叶绿素A、盐度、氨氮、ORP、COD、液位等。

具体地，如图6所示，操作人员通过地面控制装置设置检水作业指令，当地面控制装置主动发送指令信息时，首先将指令信息送到第二加解密模块32进行加密处理，第二加解密模块302返回第二加密数据并通过无线通信发送到无人机；无人机将收到的第二加密数据发送到第一加解密模块202进行解密处理，并执行解密后的控制指令。

具体地，第一加解密模块将指令信息进行解密，并将解密后的指令信息发送至主控单元，主控单元判断解密后的指令信息是否为开始水质检测的命令，如果否，则主控单元将解密数据直接发送到无人机的飞控与导航系统；如果是，则主控单元向无人机发送准备进行检水作业的通知，并控制收放装置的电机正向转动以下放水质检测传感器单元。当主控单元判断水质检测传感器单元到达指定水层时，控制水质检测传感器单元开始进行水质检测，并读取水质检测传感器检测到的水质参数和无人机的飞行参数，然后主控单元将水质参数和飞行参数发送到第一加解密模块进行加密处理以获取第一加密数据。当无人机主动上报信息时，第一加解密模块返回第一加密数据，并通过机载数据终端将第一加密数据通过无线通信发送至地面控制装置，地面控制装置将第一加密数据发送至第二加解密模块进行解密处理，并通过显示器显示解密后的信息。

具体地，第一加解密模块和第二加解密模块采用的加密方案设计包括加密算法、杂凑运算和密码配用，无人机和地面控制装置的密码资源均加密存储在加解密模块中，使用之前需要正确的口令进行解密，防止密码资源被非法窃取，加密方案的基本过程就是对原来为明文的文件或数据按某种算法进行处理，使其成为不可读的一段代码为“密文”，使其只能在输入相应的密钥之后才能显示出原容，通过这样的途径来达到保护数据不被非法人窃取、阅读的目的。

具体来说，加密算法采用SM1算法，由于使用SM1对称算法对数据进行加密，发送方和接收方需使用相同的密钥进行加密和解密，杂凑运算采用SM3算法，SM1算法是分组对称密码算法，分组模式采用ECB模式，分组长度为128位，密钥长度为128比特，算法安全保密强度及相关软硬件实现性能与AES相当，算法不公开，仅以IP核的形式存在于芯片中，这种算法简单，加/解密使用同样的密钥，加/解密速度快，但密钥管理复杂，杂凑运算采用SM3算法，用于验证身份信息，不同的数据的杂凑值都不同，而且很难通过分析杂凑值获得原数据信息，可以防止数据被非法更改，因此在口令认证时使用。

具体地，数据终端包括无线通信、Socket接口和消息队列，无线通信支持GPRS和短消息双通道传输数据，支持多中心数据通信，无线通信的方式可以有效处理水质监测加密控制系统的通信情况，系统的通信要求主要是：数据实时性高所以使得传输频率较高，但是每次传输的数据量较小，大概在10KB到20KB之间，由于无人机分布范围较广，并且大多需要飞行至采样点采集数据，采集串口设备数据，如串口仪表、采集器、PLC等，所以非常适合使用无线通信的方式来传输水质设备监测到的信息和数据。系统的无线信息传输体系为：水质检测传感器获得水质信息，预处理电路放大并处理该信息，A/D转换器将传感器的模拟信号转换为数字信号，然后根据国家的编码标准，对数据进行编码传输。

需要说明的是，水质监测加密控制系统可包括多个监测终端，每个监测终端设备都设置有预设IP地址，运营商通过VPN定位的方式，然后根据路由规则，即可转发监测的水质信息到不同的监测终端设备，系统的通信方式为TCP通信，TCP通信的优点是保证发送方发送的信息接收方一定可以收到，主要使用的校验重发技术，这样保证了信息的稳定有效的传输，为了实现TCP通信，系统采用了Java socket建立通信双方的通道，系统分为长连接和短连接，在长连接模式下，通信双方可以实时的进行动态信息交换，此时双方处于一直连通的状态；短连接模式下，只能进行有限的数据通信，超过了规定的次数，socket通道就会自动关闭，为了保证通信通道的有效利用，系统设置了socket连接的超时时间，当超过了一定的时长后就会自动关闭不需要的监测连接，而对于那些需要一直监测的设备，会设置在超时时间之前自动发送心跳的方式阻止超时，消息队列作为通信双方通信过程中对过量信息保存的容器，队列不仅保证信息传递的准确和有效性，而且还提供了路由的功能，保证了可以找到正确的设备，无论哪个设备出现故障导致通的中断，都不会影响到已发送消息的传递，已发送消息会保存在队列中，在超时时间之前重复传递给上位机进行处理，通信双方所有的信息传递都需要通过队列进行，由队列来管理通信双方的信息有效的避免了数据丢失情况的发生，本系统的消息队列采用先进先出的存取模式，减少删除头元素时移动其它元素位置的时间。

根据本发明实施例提出的适用全天候水质监测的报警平台，利用无人机挂载水质检测装置进行检水作业，系统机动化程度高，智能化程度高，通过数据加密传输，提高了信息传输的安全性。

在本发明的一个实施例中，无人机包括充电板，充电板可拆卸的设置于机身安装平台顶面，充电板用于将太阳能转化为电能，当蓄电池的电量低于预设第一电量时，充电板给蓄电池进行充电；当蓄电池的电量高于第二预设电量时，充电板停止对蓄电池进行充电。

在本发明的一个实施例中，如图4所示，航电系统30包括飞控与导航系统300和图传模块305，飞控与导航系统包括主控制器、若干机载传感器和任务载荷控制接口，其中，若干机载传感器包括若干避障机构303和超声波高度传感器304，其中，避障机构用于检测无人机周边的障碍物以获取障碍检测信息，超声波高度传感器用于获取无人机底面距离水面的实时高度；主控制器包括惯性测量单元(IMU)、气压计、GPS单元、指南针单元和若干接口，主控制器与若干机载传感器电性连接，以获取障碍检测信息和实施高度，并生成飞行参数，以实现无人机的姿态控制和精准定位；任务载荷控制接口与任务载荷电性连接，其中，任务载荷包括水质检测装置。

具体地，无人机的飞控与导航系统接收控制指令，并根据控制指令按照预设航路飞行至目标水域。预设航路包括若干航路点，设置第一预设航路，包括以下步骤：分别设置第一至第N航路点的经度，纬度和高度，其中，航路点的经度，纬度和高度(α₁，δ₁，H₁)、第二航路点的经度，纬度和高度(α₂，δ₂，H₂)、……第N航路点的经度，纬度和高度(α_N，δ_N，H_N)；分别设置第一至第N航路点的索引号；选取第M航路点对应的位置为第一目标水域，生成第一航路点链表，完成第一预设航路设置，其中，M为大于1且小于N的整数。

具体来说，预设航路可为地面控制装置设置的飞行计划。其中，飞行计划由航路点链表构成。每个航路点都包含纬度、经度、高度和下一个航路点的索引号等信息。地面控制装置可存储若干航路点，所有航路点组成一个或多个飞行计划。其中，每个飞行计划为自封闭的航路链，即任意下一个航路点的索引号均为飞行计划中的航路点。

举例来说，飞行计划由第一航路点0飞向第二航路点1，再飞向第三航路点2，然后飞向第四航路点3，最后飞回到第一航路点0，从而构成一个自封闭的飞行计划。需要说明的是，每个飞行计划还包含飞行高度，每当地面控制装置的自动驾驶仪切换航路点时，就根据目标航路点的高度形成高度指令。

在执行检水作业指令时，可以设定飞行计划中的任一航路点作为目标水域坐标，在设置好预设航路、飞行高度之后，无人机可按照预设航路飞行至目标水域，当无人机下降到预设高度时，下放水质检测装置，可在地面控制装置的显示器显示该处的水质情况。如果设置多个目标水域，则无人机依次采集多个目标水域并将数据发送至地面控制装置。完成检水任务之后，无人机按照预设返回航路自主返航至回收点，并完成降落和螺旋桨停转。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，避障机构可设置于机臂的电机安装座底面，避障机构用于检测无人飞行作业平台周边的障碍物以获取障碍检测信息，并将障碍检测信息发送至飞控与导航系统以计算无人飞行作业平台与障碍物的距离，当飞控与导航系统判断无人飞行作业平台与障碍物的间距小于第一预设距离时，切入速度保护模式，以控制无人机减速飞行，并将障碍信息发送至地面控制装置，以示意操作人员；当飞控与导航系统判断无人飞行作业平台与障碍物的间距小于第二预设距离时，切入位置保护模式，控制无人机悬停，第一预设距离大于第二预设距离。

需要说明的是，第一预设距离大于第二预设距离。

具体地，避障机构可为多目视觉识别模块，多目视觉识别模块可识别距离无人机前后左右及上下5米内的障碍物，此时，第一预设距离可为5米，第二预设距离可为1米。当多目视觉识别模块识别到障碍物时，多目视觉识别模块生成障碍检测信息，飞控与导航系统接收障碍检测信息，并判断无人飞行作业平台与障碍物的间距是否小于5米，如果否，则控制无人机继续按照预设航路飞行；如果是，则控制无人机切入速度保护模式，使无人机及时减速到预设安全飞行速度，并将障碍检测信息发送至地面控制装置，地面控制装置的语音提示模块发出语音预警信息，地面控制装置的图像提示模块发出图像预警信息，以示意操作人员。当操作人员接收到预警信息时，可人为操控无人机避开障碍物。如果判断无人飞行作业平台与障碍物的间距保持不变或逐渐增大，则表示暂时没有相撞的危险，地面控制装置自动解除预警；如果判断无人飞行作业平台与障碍物的间距逐渐减小，则语音预警信息的频率增大以加强预警，当无人飞行作业平台与障碍物的间距小于1米时，飞控与导航系统控制无人机切入位置保护模式，使无人机及时悬停。

在本发明的一个实施例中，超声波高度传感器可设置于机身安装平台底面，超声波高度传感器用于获取无人机底面距离水面的实时高度H0，并将实时高度H0发送至飞控与导航系统，当飞控与导航系统判断实时高度H0等于预设高度H时，控制无人机悬停；当飞控与导航系统判断实时高度H0大于预设高度时，控制无人机下降；当飞控与导航系统判断实时高度H0小于预设高度H时，控制无人机上升，从而实现无人机的高度维持。

具体地，操作人员通过地面控制装置设置预设高度H，并将预设高度发送至飞控与导航系统，飞控与导航系统实时获取无人机底面距离水面的实时高度H0，并判断实时高度H0是否等于预设高度H，当飞控与导航系统判断实时高度等于预设高度H时，控制无人机悬停；当飞控与导航系统判断实时高度H0大于预设高度H时，控制无人机下降；当飞控与导航系统判断实时高度小于预设高度H时，控制无人机上升，从而实现无人机的高度维持。同时，飞控与导航系统将实时高度H0发送至地面控制装置，并通过显示器显示实时高度信息。

需要说明的是，由于水质检测作业需要，预设高度H较小，例如可小于20公分。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，适用全天候水质监测的报警平台还包括减震装置5，减震装置设置于机身安装平台和收放装置之间，减震装置包括连接柱、支撑板、弹簧、中心轴，在机身安装平台的下方平行间隔设置支撑板，在机身安装平台与支撑板之间均匀间隔固装多个连接柱，在支撑板的中心通过轴承安装一中心轴，中心轴位于支撑板的下方，在中心轴上同轴套装固定一套环，在套环与支撑板之间径向均匀间隔连接多个内圈弹簧，中心轴的底端连接收放装置，在收放装置的顶面与支撑板之间径向均匀连接多个外圈弹簧。

具体地，如图7所示，无人机的机身安装平台地面设置减震平台501，减震平台的顶面均匀间隔固装多个减震柱502，在减震平台的下方平行间隔设置支撑板508，在减震平台与支撑板之间均匀间隔固装多个连接柱507，在支撑板508的中心通过球形轴承505安装一中心轴506，中心轴位于支撑板的下方，中心轴可以绕球形轴承进行转动。在中心轴上同轴套装固定一套环509，在套环与支撑板之间径向均匀间隔连接多个内圈弹簧504。中心轴的底端连接任务载荷510，在任务载荷的顶面与支撑板之间径向均匀连接多个外圈弹簧503。其中，任务载荷可为收放装置。内圈弹簧可为四个，外圈弹簧可为四个，弹簧可变形大且具有弹性模量，可有效地提供拉应力，当任务载荷出现剧烈运动时，弹簧通过拉伸压缩，来减弱晃动，从而降低晃动的幅度，起明显减震作用。

本发明实施例提出的于无人机的全天候水质监测加密控制系统通过增加弹簧减震可更加有效地降低任务载荷晃动幅度；且中心轴连接球形轴承，任务载荷可以绕轴承进行旋转，从而降低了连接柱的受力，以及增加了旋翼平台的稳定性。

根据本发明的一个实施例，如图8所示，收放装置4包括安装箱40、电机41、减速机构42和绕线轮43，其中，安装箱通过竖隔板分隔成两个区间，在第一区间固装电机、减速机构及电调，在第二区间安装绕线轮，减速机构的输出轴穿过隔板连接绕线轮，在绕线轮上缠绕线，线穿过限位块后连接一挂钩。

具体地，通过收放装置的电机旋转释放与收起绳子，电机的旋转方向通过单片机进行控制，操作人员通过数传远程向单片机发送信号，单片机接收信号向电机输出信号，电机旋转，执行收起与释放功能，同时，电机的旋转圈数通过相位变化检测，当检测到电机单条输电线电流正反转换一次，则电机旋转一圈，从而可以计算绳子收起或者放下的长度。具体通过单片机检测输入电机的三根电流线中的其中一个，当电流方向出现一正一反变化时，证明电机旋转一圈，释放或者收起一圈的绳子长度。因此，其可以保证旋翼飞行平台悬停一定高度的情况下，执行取水任务。

在本发明的一个实施例中，如图9所示，适用全天候水质监测的报警平台还包括电源分配电路板，电源分配电路板将电池电源分为8路电源，其中6路分配于6路电子调速器，1路分配于飞控与导航系统，1路分配于降压系统，降压系统将电源DC 48V转化为DC 24V，且在输出端分为3路DC 24V，1路用于数据链供电，1路用于水质检测装置供电，1路对接MP1584EN DC-DC模块，通过MP1584EN DC-DC模块，将DC 24V降压为DC 0-±5V，用于收放装置的起动。

在本发明的一个实施例中，无人机的机身安装平台为双层框式结构，在顶层安装电池及航电系统，在底层安装水质检测装置。

具体地，电源分配电路板将电池48V DC电源分为8路48V DC电源。其中6路48V DV电源分配于6路电子调速器，1路48V DC电源分配于飞行控制系统。其中分配于飞行控制系统的48V DC电源一方面给飞行控制系统供电，另一方面检测电池电压。1路48V DC电源分配于降压系统。该降压系统输入端为48V DC输入，根据无人机飞行过程中电子设备使用情况，降压系统使用LM2596HV DC-DC可调降压电源模块将DC 48V转化为DC 24V，将输出端分为3路DC 24V，1路DC 24V用于数据链供电，1路DC 24V用于水质检测装置供电，1路对接MP1584EN DC-DC模块。通过MP1584EN DC-DC模块，将DC 24V降压为DC 0-±5V，用于水质检测装置的收放设备起动。

具体地，机身安装平台为双层框式结构，在顶层安装电池及航电系统，在底层安装水质检测装置。电池通过电池限位机构固定，所电池限位机构包括限位块、缓冲垫、绑带，在电源分配电路板的中部放置电池，在电池的周围设置限位块，电池通过绑带固定，绑带的两端分别与电池两侧的限位块固定。在电池的底面与电源分配电路板之间安装缓冲垫。机身安装平台通过纵横交错设置的加强筋增加强度，加强筋安装在顶层与底层之间。

具体地，机臂与机身安装平台为平滑过渡一体化制出。保证无人机作业过程中减少震动，确保水质检测任务的正常进行。在机臂与机身安装平台的连接处上方安装电子调速器，电子调速器外罩有防水防尘罩。

在本发明的一个实施例中，如图10-12所示，无人机还包括减震起落架6和起落架收放机构7，其中，减震起落架包括起落架支杆601、连接套筒602、减震套筒603和减震机构604，减震机构包括顶板605、橡胶塞606、减震支柱607、弹簧608和连接杆609，减震支柱为上粗下细的柱状结构，减震支柱的上端与橡胶塞相连，减震支柱的下端与下连接杆粘连在一起，弹簧的下端与下连接杆粘连在一起；起落架收放机构7固装于起落架的支杆顶端，起落架收放机构包括舵机701、固定板702、主动齿轮703、从动齿轮704、小摇臂705和与小摇臂轴连接的大摇臂706，固定板固装于无人机的机身安装平台底面；小摇臂固装于从动齿轮上，小摇臂与从动齿轮同步转动；舵机与主动齿轮相连，以带动主动齿轮转动。

具体地，当无人机出现重着落时，减震支柱向上压缩空气。减震支柱的下端与下连接杆粘接一起，上端连接橡胶塞，其中，为使橡胶塞更好的压缩空气，减震支柱上边杆上半部分比下半部分细，从而保证上半部分不会与上边连接杆完好贴合，使其保有空隙。此结构充分保证橡胶塞充分压缩空气减震效果。弹簧的下端与下连接杆连接，由于弹簧受压可产生伸展力，在重着陆过程中，弹簧也会产生减震效果。

具体地，起落架收放机构设置于起落架的四个支撑杆上。当无人机升空时，舵机驱动主动齿轮顺时针转动，主动齿轮驱动从动齿轮逆时针转动，小摇臂与从动齿轮同步转动，并带动大摇臂转动，从而控制起落架收起；当无人机降落时，舵机驱动主动齿轮逆时针转动，主动齿轮驱动从动齿轮顺时针转动，小摇臂与从动齿轮同步转动，并带动大摇臂转动，从而控制起落架收起。

本发明实施例提出的减震起落架采用双减震的方式，可以有效降低重着陆对飞机的损害，起落架收放机构采用齿轮传动的方式控制起落架的收放，且设置有两级省力结构，结构简单，便于维护，可以有效降低对舵机的负载要求。

综上所述，根据本发明实施例提出的适用全天候水质监测的报警平台，其利用多个无人机挂载水质检测装置进行检水作业，系统机动化程度高；系统利用监测总站采集多个移动监测单元的参数信息，并根据参数信息生成报警信号，可实现对多个水域的全天候监测，环境监管效率高；系统通过机载数据终端和地面数据终端进行数据传输，并利用加解密模块对数据进行加密，提高了信息传输的安全性；系统利用充电板对无人机的蓄电池进行间歇性充电，可实现系统的长航时作业，确保完成全天候水质监测任务，系统作业效率高；系统配置减震装置，作业稳定性强。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种适用全天候水质监测的报警平台，其特征在于，包括若干移动监测单元和监测总站，所述移动监测单元包括无人机、水质检测装置和地面控制装置，其中，

所述水质检测装置通过收放装置悬挂于机身安装平台底面，所述水质检测装置包括第一加解密模块，所述水质检测装置用于采集目标水域指定水层的水样，以获取水质参数，并生成第一加密数据；

所述地面控制装置通过地面数据终端与机载数据终端进行通信，以接收所述第一加密数据，所述地面控制装置包括第二加解密模块，所述第二加解密模块用于对所述第一加密数据进行解密处理，并通过显示器进行显示；所述地面控制装置还用于获取检水作业指令，所述第二加解密模块对所述检水作业指令进行加密以生成第二加密数据，然后将所述第二加密数据发送至所述无人机；

所述无人机通过所述第一加解密模块对所述第二加密数据进行解密处理，并按照预设航路飞行至目标水域，并悬停在目标水域的水面上方预设高度，以便于水质检测装置采集水样；

所述监测总站包括主控制器、数据通信模块、第三加解密模块、警示模块、水质显示模块和无人机状态显示模块，所述主控制器分别与所述数据通信模块、所述第三加解密模块、所述警示模块、所述水质显示模块和所述无人机状态显示模块相连，所述监测总站通过数据通信模块与所述若干移动监测单元进行无线通信，以获取所述第一加密数据，所述第三加解密模块用于对所述第一加密数据进行解密处理，以获取水质参数和飞行参数，所述主控制器读取所述水质参数和飞行参数，并将水质参数发送至所述水质显示模块显示水质参数，将飞行参数所述无人机状态显示模块显示，所述主控制器还用于判断所述水质参数是否为预警参数，如果是，则控制所述警示模块发出报警信号；

还包括减震装置，减震装置设置于机身安装平台和收放装置之间，减震装置包括连接柱、支撑板、弹簧、中心轴，在机身安装平台的下方平行间隔设置支撑板，在机身安装平台与支撑板之间均匀间隔固装多个连接柱，在支撑板的中心通过轴承安装一中心轴，中心轴位于支撑板的下方，在中心轴上同轴套装固定一套环，在套环与支撑板之间径向均匀间隔连接多个内圈弹簧，中心轴的底端连接收放装置，在收放装置的顶面与支撑板之间径向均匀连接多个外圈弹簧；

还包括收放装置，所述收放装置包括安装箱、电机、减速机构和绕线轮，其中，安装箱通过竖隔板分隔成两个区间，在第一区间固装电机、减速机构及电调，在第二区间安装绕线轮，减速机构的输出轴穿过隔板连接绕线轮，在绕线轮上缠绕线，线穿过限位块后连接一挂钩；通过收放装置的电机旋转释放与收起绳子，电机的旋转方向通过单片机进行控制，操作人员通过数传远程向单片机发送信号，单片机接收信号向电机输出信号，电机旋转，执行收起与释放功能，同时，电机的旋转圈数通过相位变化检测，当检测到电机单条输电线电流正反转换一次，则电机旋转一圈，从而可以计算绳子收起或者放下的长度，具体通过单片机检测输入电机的三根电流线中的其中一个，当电流方向出现一正一反变化时，证明电机旋转一圈，释放或者收起一圈的绳子长度；

还包括电源分配电路板，电源分配电路板将电池电源分为8路电源，其中6路分配于6路电子调速器，1路分配于飞控与导航系统，1路分配于降压系统，降压系统将电源DC48V转化为DC24V，且在输出端分为3路DC24V，1路用于数据链供电，1路用于水质检测装置供电，1路对接MP1584ENDC-DC模块，通过MP1584ENDC-DC模块，将DC24V降压为DC0-±5V，用于收放装置的起动；

还包括减震起落架和起落架收放机构，其中，减震起落架包括起落架支杆、连接套筒、减震套筒和减震机构，减震机构包括顶板、橡胶塞、减震支柱、弹簧和连接杆，减震支柱为上粗下细的柱状结构，减震支柱的上端与橡胶塞相连，减震支柱的下端与下连接杆粘连在一起，弹簧的下端与下连接杆粘连在一起；起落架收放机构固装于起落架的支杆顶端，起落架收放机构包括舵机、固定板、主动齿轮、从动齿轮、小摇臂和与小摇臂轴连接的大摇臂，固定板固装于无人机的机身安装平台底面；小摇臂固装于从动齿轮上，小摇臂与从动齿轮同步转动；舵机与主动齿轮相连，以带动主动齿轮转动；

所述水质检测装置还包括主控单元、液位计和水质检测传感器单元，其中，所述主控单元分别与所述第一加解密模块、无人机的飞控与导航系统、所述水质检测传感器单元、所述液位计和所述收放装置相连，当主控单元检测到水质检测装置到达指定水层时，控制收放装置的电机停止工作，并控制水质检测传感器单元开始检测，以生成水质参数，所述主控单元通过RS485接口和Modbus协议读取水质检测传感器检测到的水质参数，并将若干水质参数进行打包处理，以生成第一检测数据，所述主控单元还通过RS235接口读取无人机的飞行参数；所述第一加解密模块用于将所述第一检测数据与所述飞行参数进行打包加密处理，以生成第一加密数据；

所述第一加解密模块包括数据加解密模块、密码资源管理模块和口令认证模块，数据加解密模块用于使用SM1加密算法实现主控单元发送的数据加解密功能，密码资源管理模块用于存储密码资源以及密码资源的解密，口令认证模块用于实现对主控单元发送的口令进行认证，返回认证结果；

所述监测总站还包括操作平台，所述操作平台与所述主控制器相连，所述操作平台可实现人机交互，操作人员通过操作平台设置预设最低阈值和预设最高阈值，所述主控制器用于接收所述预设最低阈值和预设最高阈值并对所述水质参数进行分析，如果所述水质参数高于预设最高阈值或者所述水质参数低于预设最低阈值，则判断所述水质参数为预警数据，并触发警示模块，发出报警信号；

还包括标准化数据存储模块和数据修正单元，所述标准化数据存储模块用于存储实验室标准化检测数据，所述主控制器还用于读取所述水质参数，并将所述水质参数与所述实验室标准化检测数据进行比对，如果所述水质参数与所述实验室标准化检测数据的数据差值超出预设范围，则控制所述数据修正单元对所述预设最低阈值和所述预设最高阈值进行调整；

所述无人机包括飞控与导航系统和第一图传模块，所述飞控与导航系统包括主控制器、若干机载传感器和任务载荷控制接口，其中，

所述若干机载传感器包括若干避障机构和超声波高度传感器，其中，所述避障机构用于检测无人机周边的障碍物以获取障碍检测信息，所述超声波高度传感器用于获取无人机底面距离水面的实时高度；

所述主控制器包括惯性测量单元(IMU)、气压计、GPS单元、指南针单元和若干接口，所述主控制器与所述若干机载传感器电性连接，以获取障碍检测信息和实施高度，并生成飞行参数，以实现无人机的姿态控制和精准定位；

所述任务载荷控制接口与任务载荷电性连接，其中，所述任务载荷包括水质检测装置；

所述第一图传模块用于获取目标水域的实时图像信息；

所述监测总站还包括第二图传模块和图像显示模块，所述监测总站的第二图传模块与所述第一图传模块进行通讯，以接收目标水域的实时图像信息，所述主控制器控制所述图像显示模块显示实时图像信息；

所述水质显示模块、所述无人机状态显示模块和所述图像显示模块分别设置在不同的显示器上或者以分屏模式显示在同一显示器上；

所述避障机构设置于机臂的电机安装座底面，所述避障机构用于将障碍检测信息发送至所述飞控与导航系统以计算无人机飞行作业平台与障碍物的距离，当所述飞控与导航系统判断所述无人机飞行作业平台与障碍物的间距小于第一预设距离时，切入速度保护模式，以控制无人机减速飞行，并将障碍信息发送至地面控制装置，以便于操作人员操纵无人机避开障碍物；当所述飞控与导航系统判断所述无人机飞行作业平台与障碍物的间距小于第二预设距离时，切入位置保护模式，控制无人机悬停，所述第一预设距离大于所述第二预设距离；所述超声波高度传感器设置于无人机的机身安装平台底面，所述超声波高度传感器用于将实时高度发送至所述飞控与导航系统，当所述飞控与导航系统判断所述实时高度等于预设高度H时，控制无人机悬停；当所述飞控与导航系统判断所述实时高度大于预设高度时，控制无人机下降；当所述飞控与导航系统判断所述实时高度小于预设高度H时，控制无人机上升，从而实现无人机的高度维持；

所述监测总站还包括无人机指挥模块，当所述警示模块发出报警信号时，操作人员通过所述无人机指挥模块输入无人机飞行控制指令，以通过人为干预保证无人机飞行安全。