CN111609884A - 一种沙漠监测系统及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种沙漠监测系统及其操作方法，沙漠监测系统包括沙漠监测节点、降落伞和上位机，沙漠监测节点与上位机之间无线连接；沙漠监测节点包括框架，框架的底部嵌入设置有超声波测距模块；框架内设有供电系统和控制主板；控制主板包括电路板，电路板上集成设置有显示屏、北斗定位模块，无线通信模块、多个传感器和一个单片机；超声波测距模块以及多个传感器均与单片机连接；框架的顶部设有摄像头和继电器；框架的左右两侧转动连接有太阳能电板，框架的后侧转动连接有土壤湿度插针；沙漠监测节点的顶部连接有可自动切断的降落伞。本发明中的沙漠监测节点上重下轻，便于空投，且能长时间不间断采集各种沙漠信息。

Description

一种沙漠监测系统及其操作方法
技术领域
本发明涉及沙漠监测技术领域，尤其涉及一种沙漠监测系统及其操作方法。
背景技术
由于气候变异和人类活动在内的种种因素造成的干旱、半干旱和亚湿润干旱地区的土地退化，使原来非沙漠地区出现了类似沙漠环境的变化。我国内蒙古、新疆等部分地区深受沙漠化困扰，沙漠化对我国的影响主要包括以下几个方面：一是危害农业发展，沙漠化对农业的危害主要体现在土壤沙质化，禾苗干旱致死或被风沙掩埋，同时农民收入无法得到保障；二是危害草场，沙漠化引起的草场退化，使适于牲畜食用的优势草种逐渐减少，甚至完全丧失，草场载畜能力大为下降；三是危害水资源，沙漠化造成河流、水库、水渠堵塞，黄河年均输沙16亿吨，其中就有12亿吨来自沙漠化地区；四是妨碍交通，沙漠化在一些地区造成铁路路基、桥梁、涵洞损坏，使公路路基、路面积沙，迫使公路交通中断，影响飞机正常起飞和降落；五是威胁人体健康，根据监测，我国城市空气污染物主要是微小颗粒物，这与沙漠化密切相关，沙尘污染着广大地区人民的生产生活环境，影响了人民健康；六是导致贫困，据调查，全国农村人口的1/4生活在沙漠化地区，其人均农业产值仅为全国平均水平的34.2％，是东部地区的1/5。据统计，我国每年因为土地沙漠化造成的经济损失高达540亿元，沙漠化使地区贫困程度加剧。
因此，监测沙漠化动态，特别是在国家尺度快速监测沙漠化动态变化特征，并在此基础上研究驱动因素及预测其未来发展趋势，对于沙漠化土地治理、改善沙区生态环境与农牧民可持续生计具有重要的意义和现实价值。以往监测都是进行人工监测，往往费时费力，且人工监测成本较高，在沙漠边缘的工作还存在一定的危险性。而采用卫星拍照的方式虽然能够看到沙漠的位置变化，但是无法获取沙漠边缘的重要信息。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种能够广泛空投的自组网沙漠监测节点系统，通过高空播撒，使沙漠监测节点利用降落伞落在沙漠边缘，通过传感器回传沙漠监测节点附近的温度、湿度、土壤湿度、光照强度、经纬度、海拔信息，为研究沙漠化进程提供重要的研究数据。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种沙漠监测系统，其特征在于：包括沙漠监测节点、降落伞和上位机，所述沙漠监测节点与所述上位机之间无线连接，所述沙漠监测节点的顶部连接有可自动切断的降落伞；
所述沙漠监测节点包括框架，所述框架为前后开口的结构；所述框架的底部嵌入设置有超声波测距模块；所述框架内设有供电系统和控制主板，所述控制主板位于所述供电系统的上方；所述供电系统为所述沙漠监测节点供电；
所述控制主板包括电路板，所述电路板上集成设置有显示屏、北斗定位模块、无线通信模块、多个传感器和一个单片机；所述超声波测距模块、北斗定位模块以及多个所述传感器均与单片机连接进行数据采集和处理；
所述框架的顶部设有摄像头和继电器；
所述框架的左右两侧转动连接有太阳能电板，所述框架的后侧转动连接有土壤湿度插针。
进一步的，所述框架的左右两侧和后侧分别设有舵机，位于框架左右两侧的两个所述舵机分别与其对应的所述太阳能电板连接；位于框架后侧的所述舵机与所述土壤湿度插针连接。
进一步的，所述降落伞的末端设有圆环锁扣，所述框架的顶部设有与所述圆环锁扣相匹配的电磁锁，所述电磁锁与所述继电器电连接，控制所述圆环锁扣的打开和闭合。
进一步的，所述供电系统包括12V电源、5V电源和降压模块，所述太阳能电板与所述12V电源和所述5V电源连接，所述降压模块与所述12V电源连接，且所述降压模块能够将12V的电压转换成5V的电压；
所述12V电源为所述电磁锁提供电源，所述5V电源为所述继电器、所述单片机和多个所述传感器提供电源，所述降压模块将12V的电压转换成5V电压为所述舵机提供电源。
进一步的，多个所述传感器包括温湿度传感器、光照强度传感器以及土壤湿度传感器；所述土壤湿度传感器与所述土壤湿度插针之间导线连接。
进一步的，一种沙漠监测系统的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将控制主板和供电系统连接在框架内，且控制主板位于供电系统的上方；
S2：将安装好的沙漠监测节点与所述降落伞连接；
S3：打开上位机，连接沙漠监测节点，初始化系统；
S4：上位机发布指令，利用沙漠监测节点上轻下重的特点，将沙漠监测节点和降落伞进行空投；
S5：沙漠监测节点底部的超声波测距模块测量与地面的距离，当距离达到一定高度时，切断降落伞；
S6：沙漠监测节点着陆时，太阳能电池板打开，为沙漠监测节点的供电系统充电；土壤湿度插针插入沙土中；
S7：传感器采集相应的数据，北斗定位模块获取沙漠监测节点的经度、纬度、和海拔数据，显示在沙漠监测节点的显示屏上，并且通过无线通信模块传输给上位机。
进一步的，步骤S5中所述的一定高度为1m~2m。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的改进之处在于，
1、本发明中的沙漠监测节点，太阳能电池板闭合状态下整个节点最重的部件电池位于底部，传感器等相对较轻的部件位于顶部，这种上轻下重的锥形结构便于监测节点稳定降落，而且便于广泛进行空投，通过飞机高空播撒，使沙漠监测节点利用降落伞落在沙漠边缘，投放过程省时省力；
2、本发明中的沙漠监测节点在投放过程中，底部的超声测距模块实时检测与地面的距离，当降落到一定高度时自动切断降落伞，避免遮盖传感器和太阳能电池板；
3、本发明中的沙漠监测节点上设置有温湿度传感器、土壤湿度传感器、光照强度传感器和北斗定位模块，可以采集沙漠边缘的空气温湿度、土壤湿度、光照强度和位置信息，为研究沙漠边缘荒漠化进程提供研究数据；
4、本发明中的沙漠监测节点上设有HC-12无线通信模块，沙漠监测节点采集到的信息可以通过HC-12无线通信模块进行自组网，相近的多个沙漠监测节点之间可以互相传递信息，只需要在沙漠边缘每隔一小段的距离建立一些小型的信号发射塔，采集附近沙漠监测节点的数据并进行转发，就可以实现相当大一片区域的地表信息采集；
5、本发明中的沙漠监测节点两侧设有太阳能电池板，可以为电池进行充电，延长沙漠监测节点的使用寿命；同时，采用两个电源，将单片机、传感器与传动机构分开进行供电，防止干扰。
6、本发明中的沙漠监测节点的太阳能电板上设有抖动装置，可以定时的除去沙漠监测节点上的沙土，使沙漠监测节点始终位于地表上面；
7、本发明中的沙漠监测节点框架采用雪弗板，具有结构强度高，重量轻，不污染环境的优点。
附图说明
图1为本发明沙漠监测节点结构示意图。
图2为本发明沙漠监测节点框架内供电系统结构俯视图。
图3为本发明沙漠监测节点框架内控制主板结构俯视图。
图4为本发明沙漠监测节点框架顶部结构俯视图。
图5为本发明沙漠监测节点近乎竖直状态时的结构主视图。
图6为本发明沙漠监测节点水平状态时的结构主视图。
图7为本发明沙漠监测节点除沙状态时的结构主视图。
图8为本发明沙漠监测节点控制电路原理图。
图9为本发明沙漠监测节点立体结构图。
其中：1-框架，11-舵机，12-连接臂，13-底板，14-竖板，15-顶板，2-超声波测距模块，31-12V电源，32-5V电源，33-降压模块，4-控制主板，41-单片机，42-显示屏，43-北斗定位模块，44-无线通信模块，45-温湿度传感器，46-光照强度传感器，47-土壤湿度传感器，48-舵机引脚引出排针，49-摄像头传输模块，5-太阳能电板，6-土壤湿度插针，7-摄像头，8-继电器，9-电磁锁。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
参照附图1-9所示的一种沙漠监测系统，包括沙漠监测节点、降落伞和上位机，所述沙漠监测节点与所述上位机之间无线连接；
所述沙漠监测节点包括框架1，所述框架1包括底板13和顶板15，所述底板13的面积大于所述顶板13的面积，所述底板13与所述顶板15之间垂直设有两块竖板14；所述框架1的底板13、两块竖板14以及顶板15之间形成一个前后开口的结构；所述底板13、竖板14和顶板15均采用雪弗板。
所述框架1的底部嵌入设置有超声波测距模块2，所述超声波测距模块2用于测量整个沙漠监测节点与地面的距离；
所述框架1的底板13、两块竖板14以及顶板15之间形成的开口结构内设有供电系统和控制主板4，所述控制主板4位于所述供电系统的上方；所述供电系统为所述沙漠监测节点供电；
具体的，所述控制主板4包括电路板，所述电路板上集成设置有显示屏42、北斗定位模块43、无线通信模块44、温湿度传感器45、光照强度传感器46以及土壤湿度传感器47和一个单片机41；所述超声波测距模块2、北斗定位模块43以及温湿度传感器45、光照强度传感器46以及土壤湿度传感器47均与单片机41连接进行数据的采集和处理；
具体的，所述单片机41采用STM32F103RCT6单片机，所述显示屏42采用OLED屏幕，所述无线通信模块44采用HC-12无线通信模块，所述温湿度传感器45用于检测空气的温度和湿度，所述温湿度传感器45采用DHT11温湿度传感器，所述光照强度传感器46用于采集沙漠中的光照强度，所述土壤湿度传感器47用于检测沙漠中的土壤湿度。
进一步的，所述供电系统包括12V电源31、5V电源32和降压模块33，所述太阳能电板5与所述12V电源31和所述5V电源32连接，所述降压模块33与所述12V电源31连接，且所述降压模块33能够将12V的电压转换成5V的电压；
进一步的，所述顶板15的顶部设有摄像头7和继电器8；控制主板4上设有摄像头传输模块49，所述摄像头传输模块49也与所述单片机41连接，所述摄像头7通过所述摄像头传输模块49将拍摄的照片传输至单片机41上进行处理。
进一步的，所述底板13上设有三个舵机11，其中，左右两侧的两个舵机11分别位于所述其对应的竖板14的外侧，每个所述舵机11均通过连接臂12连接有一个太阳能电板15，所述太阳能电板15与所述12V电源31好5V电源连接，为所述12V电源31和5V电源供电；
另外一个舵机11位于竖板14的后侧，位于竖板14后侧的舵机11上也连接有连接臂，连接臂上设有螺丝口，土壤湿度插针6上设有与所述连接臂上的螺丝口相对应的螺丝口，两者用螺丝固定在一起；土壤湿度插针6与控制主板4上的土壤湿度传感器47之间通过两段杜邦线相连，土壤湿度插针6将采集到的土壤湿度数据传输给土壤湿度传感器47之后再传输给单片机41。
所述舵机11转动时，带动对应的太阳能电板5或者土壤湿度插针6转动至所需角度。舵机11有一个三线的接口：黑色的线是接地线，红线为连接电源的线，橙色线接控制信号端。黑线和红线与所述5V电源连接通电，分别接正负极。控制信号端与单片机41连接，舵机11要想转动相应的角度时，需要单片机41提供一个特定的PWM。为了使三个舵机的接线能够直接接在电路板上。把单片机41相应的引脚和电源的VCC、GND并列引到一个区域，作为舵机引脚引出排针。舵机11上的接线直接插在所述舵机引脚引出排针上。
优选的，所述舵机11采用MG996R舵机。
进一步的，所述沙漠监测节点的顶部连接有降落伞，所述降落伞的末端设有圆环锁扣，所述框架1的顶部设有与所述圆环锁扣相匹配的电磁锁9，所述电磁锁9与所述继电器8电连接，控制所述圆环锁扣的打开和闭合。
进一步的，所述12V电源31为所述电磁锁9提供电源，所述5V电源32为所述继电器8、所述单片机41和各个传感器提供电源，所述降压模块33将12V的电压转换成5V电压为所述舵机11提供电源，两个电源分别为继电器、单片机和舵机供电，彼此之间互不干扰。
进一步的，一种沙漠监测系统的操作方法，包括以下步骤：
S1：将控制主板和供电系统连接在框架内，且控制主板位于供电系统的上方；
S2：将安装好的沙漠监测节点与所述降落伞连接；
S3：打开上位机，连接沙漠监测节点，初始化系统；
S4：上位机发布指令，利用沙漠监测节点上轻下重（位于沙漠监测节点底部的供电系统电池质量较大，而控制主板以及上面集成的传感器质量较轻，位于沙漠监测节点的上部，形成了上轻下重的结构）的特点，将沙漠监测节点和降落伞进行空投，此时沙漠监测节点处于近乎竖直的状态；
S5：沙漠监测节点底部的超声波测距模块测量与地面的距离，当距离达到1m-2m时，通过继电器控制电磁锁打开，切断降落伞；沙漠监测节点自动下落；
S6：沙漠监测节点着陆时，控制舵机转动，将太阳能电池板打开，为沙漠监测节点的供电系统充电；同时，与土壤湿度插针相连的舵机转动，是土壤湿度插针插入沙土中；此时，太阳能电板处于展开状态，沙漠监测节点处于水平状态；
S7：温湿度传感器检测空气的温度和湿度，光照强度传感器采集沙漠中的光照强度，土壤湿度传感器检测沙漠中的土壤湿度，北斗定位模块获取沙漠监测节点的经度、纬度、和海拔数据，摄像头对周围环境进行拍照，数据和照片经过单片机处理后显示在沙漠监测节点的显示屏上，并且通过无线通信模块传输给上位机。
进一步的，每隔一段时间，在太阳能电板处于水平状态的基础上，控制舵机继续向下转动，带动太阳能电板也随之向下转动，支撑起整个沙漠监测节点向上移动，之后再迅速恢复水平状态，多次重复操作，使得沙漠监测节点多次抖动，以便除去沙漠监测节点上的沙尘。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种沙漠监测系统，其特征在于：包括沙漠监测节点、降落伞和上位机，所述沙漠监测节点与所述上位机之间无线连接，所述沙漠监测节点的顶部连接有可自动切断的降落伞；
所述沙漠监测节点包括框架(1)，所述框架(1)为前后开口的结构；所述框架(1)的底部嵌入设置有超声波测距模块(2)；所述框架(1)内设有供电系统和控制主板(4)，所述控制主板(4)位于所述供电系统的上方；所述供电系统为所述沙漠监测节点供电；
所述控制主板(4)包括电路板，所述电路板上集成设置有显示屏(42)、北斗定位模块(43)、无线通信模块(44)、多个传感器和一个单片机(41)；所述超声波测距模块(2)、北斗定位模块(43)以及多个所述传感器均与单片机(41)连接进行数据采集和处理；
所述框架(1)的顶部设有摄像头(7)和继电器(8)；
所述框架(1)的左右两侧转动连接有太阳能电板(5)，所述框架(1)的后侧转动连接有土壤湿度插针(6)。
2.根据权利要求1所述的一种沙漠监测系统，其特征在于：所述框架(1)的左右两侧和后侧分别设有舵机(11)，位于框架左右两侧的两个所述舵机(11)分别与其对应的所述太阳能电板(5)连接；位于框架(1)后侧的所述舵机(11)与所述土壤湿度插针(6)连接。
3.根据权利要求2所述的一种沙漠监测系统，其特征在于：所述降落伞的末端设有圆环锁扣，所述框架(1)的顶部设有与所述圆环锁扣相匹配的电磁锁(9)，所述电磁锁(9)与所述继电器(8)电连接，控制所述圆环锁扣的打开和闭合。
4.根据权利要求3所述的一种沙漠监测系统，其特征在于：所述供电系统包括12V电源(31)、5V电源(32)和降压模块(33)，所述太阳能电板(5)与所述12V电源(31)和所述5V电源(32)连接，所述降压模块(33)与所述12V电源(31)连接，且所述降压模块(33)能够将12V的电压转换成5V的电压；
所述12V电源(31)为所述电磁锁(9)提供电源，所述5V电源(32)为所述继电器(8)、所述单片机(41)和多个所述传感器提供电源，所述降压模块(33)将12V的电压转换成5V电压为所述舵机(11)提供电源。
5.根据权利要求4所述的一种沙漠监测系统，其特征在于：多个所述传感器包括温湿度传感器(45)、光照强度传感器(46)以及土壤湿度传感器(47)；所述土壤湿度传感器(47)与所述土壤湿度插针(6)之间导线连接。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种沙漠监测系统的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将控制主板和供电系统连接在框架内，且控制主板位于供电系统的上方；
S2：将安装好的沙漠监测节点与所述降落伞连接；
S3：打开上位机，连接沙漠监测节点，初始化系统；
S4：上位机发布指令，利用沙漠监测节点上轻下重的特点，将沙漠监测节点和降落伞进行空投；
S5：沙漠监测节点底部的超声波测距模块测量与地面的距离，当距离达到一定高度时，切断降落伞；
S6：沙漠监测节点着陆时，太阳能电池板打开，为沙漠监测节点的供电系统充电；土壤湿度插针插入沙土中；
S7：传感器采集相应的数据，北斗定位模块获取沙漠监测节点的经度、纬度、和海拔数据，显示在沙漠监测节点的显示屏上，并且通过无线通信模块传输给上位机。
7.根据权利要求6所述的一种沙漠监测系统的操作方法，其特征在于，步骤S5中所述的一定高度为1m～2m。
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