CN112213037A - 一种基于cps的海上石油泄漏情况实时嵌入式检测装置 - Google Patents

一种基于cps的海上石油泄漏情况实时嵌入式检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于CPS的海上石油泄漏情况实时嵌入式检测装置，属于石油检测技术领域。本发明包括供电模块、STM32单片机模块、位置驱动模块、石油密度检测模块、北斗卫星定位模块、NB‑IoT通信模块、报警模块。所述检测装置自上而下分为两部分，其中上部设有固定架，固定架上装有四个面向不同方向的太阳能板以及警示灯和北斗卫星接收器；下部浸于海水中，两侧装有螺旋桨，装置下方设有石油密度检测装置。本发明能实时检测石油泄漏后一定区域内海水中石油的密度，同时具有位置驱动功能，装置可控制在固定坐标点，不会随海上风浪移动，为海上油井泄漏或海上油船倾覆后的海水污染情况提供了实时有效的数据支持，并能对石油泄漏较为严重的区域进行警示。

Description

一种基于CPS的海上石油泄漏情况实时嵌入式检测装置
技术领域
本发明涉及一种基于CPS的海上石油泄漏情况实时嵌入式检测装置，属于石油检测技术领域。
背景技术
石油可提炼出各种类型的燃料，可作沥青、可造肥皂等日用品，它是现代生活中举足轻重的物质，对人类贡献巨大。目前，大部分陆地油田的石油开采都进入开发的中后期，海洋石油资源的开采将发挥越来越重要的作用。而伴随着海洋石油工业开采量的不断发展壮大，在海洋平台开采的过程中，石油泄漏以及油船泄漏或倾覆的问题时有发生，而石油泄漏的危害涉及面颇广，对鸟类、海洋动物和植物、人类及海洋环境都有很大的影响。
目前针对石油开采工作中泄漏问题的预防以及对其是否泄漏的技术都较为完善，而缺少一种对于石油已经泄漏后的污染情况的检测，因此设计一种海上石油泄漏情况的实时检测装置，能实时提供某一固定区域内石油泄漏的污染情况，并对污染较为严重的区域进行预警，就很有必要。本发明的技术来源于云南省技术创新人才资助项目(2019HB113)；云南省“万人计划”产业技术领军人才资助项目(云发改人事[2019]1096号)。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于CPS的海上石油泄漏情况实时嵌入式检测装置，此装置能采集某一固定区域内的石油泄漏后海水石油污染情况信息并将该信息利用功耗低、覆盖广、连接强大的NB-IoT无线传输技术实时反馈，为石油泄漏治理进程提供有效参考依据。
本发明的技术方案是：一种基于CPS的海上石油泄漏情况实时嵌入式检测装置，包括装置主体(1)和上部固定架(2)，上部固定架(2)位于装置主体(1)上，上部固定架(2)上装有四个面向不同方向的太阳能板(3-1)、警示灯(9-1)和北斗卫星接收器(7-3)，装置主体(1)两侧装有螺旋桨(5-1)、其底端设有石油密度检测装置(6-1)，装置主体(1)内部包含控制电路板(10)、蓄电池(3-2)、电机(5-2)和石油密度检测仪(6-1)。
控制电路板(10)上集成有供电模块(3)、STM32单片机模块(4)、位置驱动模块(5)、石油密度检测模块(6)、北斗卫星定位模块(7)、NB-IoT通信模块(8)、报警模块(9)。STM32单片机模块(4)分别与位置驱动模块(5)、石油密度检测模块(6)、北斗卫星定位模块(7)、NB-IoT通信模块(8)、报警模块(9)连接。
控制电路板(10)及蓄电池(3-2)固定在内部固定架(10-1)上，内部固定架(10-1)固定在主体(1)内，太阳能板(3-1)、警示灯(9-1)、北斗卫星接收器(7-3)的接口公头(10-2)由上部固定架(2)内部中空穿出、与控制电路板(10)上相应的接口母头(10-3)连接，蓄电池(3-2)一端的公头与控制电路板(10)上相对应的母头连接，石油密度检测仪(6-1)的公头与控制电路板(10)上相对应的母头连接，建立控制电路板(10)与各部分的电连接关系。蓄电池(3-2)的另一端与电机(5-2)连接，建立两者的电连接。
所述装置供电模块(3)为其它各模块供电。北斗卫星定位模块(7)与北斗卫星(7-1)连接，进行信号传输，北斗卫星(7-1)与北斗卫星地面控制中心(7-2)通过信号传输连接，北斗卫星地面控制中心(7-2)和北斗卫星接收器(7-3)通过信号传输连接。所述北斗卫星定位模块(7)利用北斗卫星(7-1)以及北斗卫星地面控制中心(7-2)通过北斗卫星接收器(7-3)获得装置位置定位。
NB-IoT通信模块(8)与NB-IoT基站(8-1)通过信号传输连接，NB-IoT基站(8-1)与云端服务器(8-2)通过信号传输连接，云端服务器(8-2)与海上环境检测处理中心(8-3)通过信号传输连接。所述NB-IoT通信模块(8)可将采集到的检测信息通过无线方式上传到NB-IoT基站(8-1)，并由NB-IoT基站(8-1)传输到云端服务器(8-2)，然后传输到海上环境检测处理中心(8-3)。
所述供电模块(3)包括太阳能发电模块(3-3)和降压稳压模块(3-4)，太阳能发电模块(3-3)包括CN3065太阳能充电管理芯片U7、太阳能板接口JP2、蓄电池接口JP3、电容C15、电容C16、电阻R22、电阻R23。CN3065芯片U7的1号引脚、3号引脚与蓄电池接口JP3的2号引脚同时接地，CN3065芯片U7的2号引脚接电阻R24的一端，电阻R24的另一端接地，CN3065芯片U7的5号、8号引脚同时接电容C16的一端与蓄电池接口JP3的1号接口，电容C16的另一端同时与蓄电池接口JP3的2号引脚、CN3065芯片U7的1号引脚、电阻R24的另一端一起接地，CN3065芯片U7的4号引脚同时接电阻R22、R23的一端、太阳能板接口JP2的1号引脚以及CN3065芯片U7的1号引脚，CN3065芯片U7的6号引脚同时接电阻R22的另一端与STM32单片机模块(4)STM32F103C8T6芯片U6的18号引脚，CN3065芯片U7的7号引脚同时接电阻R23的另一端与STM32单片机模块(4)STM32F103C8T6芯片U6的19号引脚，太阳能板接口JP2的2号引脚接电容C15的一端，电容C15的另一端接地。
降压稳压模块(3-4)包括MC33063A芯片U5、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电感L1、L2、电容C8、C9、C10、C11。MC33063A芯片U5的1号引脚分别接电容C9的一端和电感L1的一端，电感L1的另一端接电阻R17的一端、电源3.3V、MC33063A芯片U5的2号引脚，MC33063A芯片U5的3号引脚接电容C10的一端，电容C10的另一端接电阻R16的一端，电阻R16的另一端和MC33063A芯片U5的4号引脚同时接地，电感L2一端接电源3.3V，另一端和电容C11的一端同时接地，电容C11的另一端接电阻R17的一端、电阻R19的一端，电阻R19的另一端同时接MC33063A芯片U5的5号引脚和电阻R18的一端，电阻R18的另一端和电容C8同时接地，MC33063A芯片U5的6号引脚接电源24V、电阻R14的一端、电容C8的一端，电阻14的另一端同时接MC33063A芯片U5的7号引脚、电阻R15的一端、C9的一端，电阻R15的另一端接MC33063A芯片U5的8号引脚。
所述STM32单片机模块(4)包括STM32F103C8T6芯片U6、电阻R20、电阻R21、电容C11、电容C12、电容C13、晶振Y1、晶振Y2。STM32F103C8T6芯片U6的1号、9号、24号、35号、47号引脚分别接3.3V电源，STM32F103C8T6芯片U6的8号、23号、36号、48号引脚分别接地，STM32F103C8T6芯片U6的3号引脚分别接晶振Y2和电容C13，电容C13的另一端和电容C14的一端同时接地，电容C14的另一端接晶振Y2的另一端和STM32F103C8T6芯片U6的4号引脚，STM32F103C8T6芯片U6的5号引脚分别接电阻R21的一端、晶振Y1的一端、电容C11的一端，电容C11的另一端和电容C12的一端同时接地，电容C12的另一端、电阻R21的另一端、晶振Y1的另一端同时接STM32F103C8T6芯片U6的6号引脚，STM32F103C8T6芯片U6的29号引脚接北斗卫星定位模块(7)包括ATGM336H-5N芯片U1的TXD引脚，STM32F103C8T6芯片U6的30号引脚接北斗卫星定位模块(7)包括ATGM336H-5N芯片U1的RXD引脚，STM32F103C8T6芯片U6的44号引脚接电阻R20的一端，电阻R20的另一端接驱动模块(5-3)，STM32F103C8T6芯片U6的12号、13号引脚分别接NB-IoT通信模块(8)的9号、6号引脚。
所述位置驱动模块(5)包括螺旋桨(5-1)、电机(5-2)、驱动模块(5-3)，电机(5-2)置于装置主体(1)内部、固定在装置主体(1)内壁，螺旋桨桨叶(5-4)由固定螺片(5-5)通过螺丝孔(5-6)拧和固定在驱动杆(5-7)上，螺旋桨(5-1)由电机(5-2)通过驱动杆(5-7)带动螺旋桨桨叶(5-4)转动，控制装置的位置。驱动杆(5-7)可根据位置调节孔(5-8)小幅度改变驱动杆(5-7)的驱动方向，以此来改变装置方向，使得装置可固定于北斗卫星定位模块(7)提供的定位点处。
所述驱动模块(5-3)包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6，电机B1。电阻R6的一端接三极管的b端，三极管的e端接地，三极管的c端分别接电阻R13的一端、电阻R8的一端、电阻R7的一端，电阻R7的另一端分别接24V电源，、电阻R9的一端、三极管Q3的c端、三极管Q5的c端，电阻R8的另一端接三极管Q2的b端，Q2的c端接电阻R9的另一端、电阻R10的一端、电阻R11的一端，电阻R10的另一端接三极管Q3的b端，三极管Q3的e端接电机B1的正极、三极管Q4的c端，电阻R11的另一端接三极管Q4的b端，三极管Q2的e端、三极管Q4的e端和三极管Q6的e端同时接地，三极管Q5的e端和三极管Q6的c端同时接电机B1的负极，三极管Q5的b端和三极管Q6的b端分别接电阻R12的另一端和电阻R13的另一端。
所述北斗卫星定位模块(7)包括ATGM336H-5N芯片U1、AT24C32芯片U2、RT9193芯片U3、JP1接口、电池BAT、天线E1、光敏二极管D1、二极管D2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电源接口P1。ATGM336H-5N芯片U1的1号引脚和JP1接口的2号引脚同时接地，ATGM336H-5N芯片U1的2号、3号引脚分别接接电阻R4、R3的一端，R4、R3的另一端分别接JP1接口的3号、4号引脚，ATGM336H-5N芯片U1的4号引脚与JP1接口的1号引脚同时接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接光敏二极管D1的正极，光敏二极管D1的阴极接3.3V电源，ATGM336H-5N芯片U1的5号引脚、RT9193芯片U3的3号引脚、JP1接口的5号引脚同时接3.3V电源，TGM336H-5N芯片U1的6号引脚接电池BAT的正极和二极管D2的正极，TGM336H-5N芯片U1的8号引脚分别接和二极管D2的负极接3.3V电源及电容C1的一端，电容C1的另一端和RT9193芯片U3的2号接口、电池BAT的负极同时接地，RT9193芯片U3的1号2号引脚还分别接电容C2的两端，RT9193芯片U3的4号引脚分别接电容C3的一端、电容C4的一端及3.3V电源，RT9193芯片U3的5号引脚接电容C5的一端，电容C3、C4、C5的另一端同时接地，ATGM336H-5N芯片U1的9号引脚接电源RF，ATGM336H-5N芯片U1的17号引脚接AT24C32芯片U2的6号引脚，ATGM336H-5N芯片U1的18号引脚接AT24C32芯片U2的5号引脚，ATGM336H-5N芯片U1的14号引脚接RF电源和电阻R2的一端，电阻R2的另一端分别接电源接口P1、天线E1和ATGM336H-5N芯片U1的11号引脚，ATGM336H-5N芯片U1的11号引脚接电源接口P1，ATGM336H-5N芯片U1的10号、12号引脚、AT24C32芯片U2的1号、2号、3号、4号引脚同时接地，AT24C32芯片U2的7号引脚也接地，AT24C32芯片U2的8号引脚接3.3V电压。
所述NB-IoT通信模块(8)包括WH-NB75芯片U4、电容C6、电容C7、电阻R5。SX1278芯片U4的11号、12号引脚同时接地，SX1278芯片U4的16号引脚接3.3V电源，SX1278芯片U4的的13号、14号引脚同时接电阻R5的一端、电容C6的一端和电容C7的一端，电阻R5的另一端接3.3V电源，电容C6的另一端和电容C7的另一端同时接地，SX1278芯片U4的9号、6号引脚分别接STM32单片机模块(4)的12号、13号引脚。
本发明的有益效果是：本发明置于石油泄漏的海水中，可以实时检测该装置周围一定范围内石油泄漏的情况，实现对石油泄漏区域不同深度的污染情况的实时检测并将获得的数据远程传输的功能，本发明利用北斗卫星定位功能和螺旋桨驱动使装置固定在一定坐标点，对该坐标点的海水石油密度进行数据采集处理，将数据处理以后借由NB-IoT进行传输，便于处理中心对石油泄漏区域进行处理，并实时了解到处理的进展。
附图说明
图1是本发明的外观结构图；
图2是本发明的装置主体内部结构图；
图3是本发明的驱动装置细节图；
图4是本发明的系统模块结构图；
图5是本发明的太阳能发电模块电路图；
图6是本发明的降压稳压模块电路图；
图7是本发明的北斗卫星定位模块电路图；
图8是本发明的驱动模块电路图；
图9是本发明的STM32单片机模块及NB-IoT通信模块电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1所示，一种基于CPS的海上石油泄漏情况实时嵌入式检测装置，其特征在于：包括装置主体1和上部固定架2，上部固定架2位于装置主体1上，上部固定架2上装有四个面向不同方向的太阳能板3-1、警示灯9-1和北斗卫星接收器7-3，装置主体1浸于海水中，两侧装有螺旋桨5-1、其底端设有石油密度检测装置6-1，装置主体1内部包含控制电路板10、蓄电池3-2、电机5-2和石油密度检测仪6-1。所述装置上部固定架2、太阳能板3-1、警示灯9-1、北斗卫星接收器7-3采用焊接固定，主体下部主体1均采用防水材料所制
控制电路板10上集成有供电模块3、STM32单片机模块4、位置驱动模块5、石油密度检测模块6、北斗卫星定位模块7、NB-IoT通信模块8、报警模块9。STM32单片机模块4分别与位置驱动模块5、石油密度检测模块6、北斗卫星定位模块7、NB-IoT通信模块8、报警模块9连接。
控制电路板10及蓄电池3-2固定在内部固定架10-1上，内部固定架10-1固定在主体1内，太阳能板3-1、警示灯9-1、北斗卫星接收器7-3的接口公头10-2由上部固定架2内部中空穿出、与控制电路板10上相应的接口母头10-3连接，蓄电池3-2一端的公头与控制电路板10上相对应的母头电连接，石油密度检测仪6-1的公头与控制电路板10上相对应的母头电连接，建立控制电路板10与各部分的电连接关系。蓄电池3-2的另一端与电机5-2连接，建立两者的电连接。
所述STM32单片机模块4为核心控制，连接位置驱动模块5控制电机5-2驱动螺旋桨5-1将装置固定在一个坐标点上，连接石油密度检测模块6处理海水中石油密度信息并根据密度信息控制警示灯9-1状态。
所述装置供电模块3为其它各模块供电。北斗卫星定位模块7与北斗卫星7-1连接，进行信号传输，北斗卫星7-1与北斗卫星地面控制中心7-2通过信号传输连接，北斗卫星地面控制中心7-2和北斗卫星接收器7-3通过信号传输连接。所述北斗卫星定位模块7利用北斗卫星7-1以及北斗卫星地面控制中心7-2通过北斗卫星接收器7-3获得装置位置定位。
NB-IoT通信模块8与NB-IoT基站8-1通过信号传输连接，NB-IoT基站8-1与云端服务器8-2通过信号传输连接，云端服务器8-2与海上环境检测处理中心8-3通过信号传输连接。所述NB-IoT通信模块8可将采集到的检测信息通过无线方式上传到NB-IoT基站8-1，并由NB-IoT基站8-1传输到云端服务器8-2，然后传输到海上环境检测处理中心8-3。
所述供电模块3包括太阳能板3-1、蓄电池3-2、太阳能发电模块3-3和降压稳压模块3-4，其中太阳能发电模块3-3可利用太阳能板3-1将光能转换为电能，多余电能存储于蓄电池3-2中，在所述太阳能发电模块3-3遇阴雨天不可发电或电量不足时为装置供电。借由降压稳压模块3-4可调节电流为各个模块供电。
如图5所示，太阳能发电模块3-3包括CN3065太阳能充电管理芯片U7、太阳能板接口JP2、蓄电池接口JP3、电容C15、电容C16、电阻R22、电阻R23。CN3065芯片U7的1号引脚、3号引脚与蓄电池接口JP3的2号引脚同时接地，CN3065芯片U7的2号引脚接电阻R24的一端，电阻R24的另一端接地，CN3065芯片U7的5号、8号引脚同时接电容C16的一端与蓄电池接口JP3的1号接口，电容C16的另一端同时与蓄电池接口JP3的2号引脚、CN3065芯片U7的1号引脚、电阻R24的另一端一起接地，CN3065芯片U7的4号引脚同时接电阻R22、R23的一端、太阳能板接口JP2的1号引脚以及CN3065芯片U7的1号引脚，CN3065芯片U7的6号引脚同时接电阻R22的另一端与STM32单片机模块4STM32F103C8T6芯片U6的18号引脚，CN3065芯片U7的7号引脚同时接电阻R23的另一端与STM32单片机模块4STM32F103C8T6芯片U6的19号引脚，太阳能板接口JP2的2号引脚接电容C15的一端，电容C15的另一端接地。
如图6所示，降压稳压模块3-4包括MC33063A芯片U5、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电感L1、L2、电容C8、C9、C10、C11。MC33063A芯片U5的1号引脚分别接电容C9的一端和电感L1的一端，电感L1的另一端接电阻R17的一端、电源3.3V、MC33063A芯片U5的2号引脚，MC33063A芯片U5的3号引脚接电容C10的一端，电容C10的另一端接电阻R16的一端，电阻R16的另一端和MC33063A芯片U5的4号引脚同时接地，电感L2一端接电源3.3V，另一端和电容C11的一端同时接地，电容C11的另一端接电阻R17的一端、电阻R19的一端，电阻R19的另一端同时接MC33063A芯片U5的5号引脚和电阻R18的一端，电阻R18的另一端和电容C8同时接地，MC33063A芯片U5的6号引脚接电源24V、电阻R14的一端、电容C8的一端，电阻14的另一端同时接MC33063A芯片U5的7号引脚、电阻R15的一端、C9的一端，电阻R15的另一端接MC33063A芯片U5的8号引脚。
如图7所示，所述北斗卫星定位模块7包括ATGM336H-5N芯片U1、AT24C32芯片U2、RT9193芯片U3、JP1接口、电池BAT、天线E1、光敏二极管D1、二极管D2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电源接口P1。ATGM336H-5N芯片U1的1号引脚和JP1接口的2号引脚同时接地，ATGM336H-5N芯片U1的2号、3号引脚分别接接电阻R4、R3的一端，R4、R3的另一端分别接JP1接口的3号、4号引脚，ATGM336H-5N芯片U1的4号引脚与JP1接口的1号引脚同时接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接光敏二极管D1的正极，光敏二极管D1的阴极接3.3V电源，ATGM336H-5N芯片U1的5号引脚、RT9193芯片U3的3号引脚、JP1接口的5号引脚同时接3.3V电源，TGM336H-5N芯片U1的6号引脚接电池BAT的正极和二极管D2的正极，TGM336H-5N芯片U1的8号引脚分别接和二极管D2的负极接3.3V电源及电容C1的一端，电容C1的另一端和RT9193芯片U3的2号接口、电池BAT的负极同时接地，RT9193芯片U3的1号2号引脚还分别接电容C2的两端，RT9193芯片U3的4号引脚分别接电容C3的一端、电容C4的一端及3.3V电源，RT9193芯片U3的5号引脚接电容C5的一端，电容C3、C4、C5的另一端同时接地，ATGM336H-5N芯片U1的9号引脚接电源RF，ATGM336H-5N芯片U1的17号引脚接AT24C32芯片U2的6号引脚，ATGM336H-5N芯片U1的18号引脚接AT24C32芯片U2的5号引脚，ATGM336H-5N芯片U1的14号引脚接RF电源和电阻R2的一端，电阻R2的另一端分别接电源接口P1、天线E1和ATGM336H-5N芯片U1的11号引脚，ATGM336H-5N芯片U1的11号引脚接电源接口P1，ATGM336H-5N芯片U1的10号、12号引脚、AT24C32芯片U2的1号、2号、3号、4号引脚同时接地，AT24C32芯片U2的7号引脚也接地，AT24C32芯片U2的8号引脚接3.3V电压。
所述位置驱动模块5包括螺旋桨5-1、电机5-2、驱动模块5-3，电机5-2置于装置主体1内部、固定在装置主体1内壁，螺旋桨桨叶5-4由固定螺片5-5通过螺丝孔5-6拧和固定在驱动杆5-7上，螺旋桨5-1由电机5-2通过驱动杆5-7带动螺旋桨桨叶5-4转动，控制装置的位置。驱动杆5-7可根据位置调节孔5-8小幅度改变驱动杆5-7的驱动方向，以此来改变装置方向，使得装置可固定于北斗卫星定位模块7提供的定位点处。
如图8所示，所述驱动模块5-3包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6，电机B1。电阻R6的一端接三极管的b端，三极管的e端接地，三极管的c端分别接电阻R13的一端、电阻R8的一端、电阻R7的一端，电阻R7的另一端分别接24V电源，、电阻R9的一端、三极管Q3的c端、三极管Q5的c端，电阻R8的另一端接三极管Q2的b端，Q2的c端接电阻R9的另一端、电阻R10的一端、电阻R11的一端，电阻R10的另一端接三极管Q3的b端，三极管Q3的e端接电机B1的正极、三极管Q4的c端，电阻R11的另一端接三极管Q4的b端，三极管Q2的e端、三极管Q4的e端和三极管Q6的e端同时接地，三极管Q5的e端和三极管Q6的c端同时接电机B1的负极，三极管Q5的b端和三极管Q6的b端分别接电阻R12的另一端和电阻R13的另一端。驱动模块5-3中的直流电机5-2使用市面上常见的型号为XD-3420的24V永磁直流电机。
所述石油密度检测模块6包括置于装置最下端的石油密度检测仪6-1。其中石油密度检测仪6-1采用市面上常见的WQA4812-oil紫外荧光法水中石油密度检测仪。
如图9所示，所述STM32单片机模块4包括STM32F103C8T6芯片U6、电阻R20、电阻R21、电容C11、电容C12、电容C13、晶振Y1、晶振Y2。STM32F103C8T6芯片U6的1号、9号、24号、35号、47号引脚分别接3.3V电源，STM32F103C8T6芯片U6的8号、23号、36号、48号引脚分别接地，STM32F103C8T6芯片U6的3号引脚分别接晶振Y2和电容C13，电容C13的另一端和电容C14的一端同时接地，电容C14的另一端接晶振Y2的另一端和STM32F103C8T6芯片U6的4号引脚，STM32F103C8T6芯片U6的5号引脚分别接电阻R21的一端、晶振Y1的一端、电容C11的一端，电容C11的另一端和电容C12的一端同时接地，电容C12的另一端、电阻R21的另一端、晶振Y1的另一端同时接STM32F103C8T6芯片U6的6号引脚，STM32F103C8T6芯片U6的29号引脚接北斗卫星定位模块7包括ATGM336H-5N芯片U1的TXD引脚，STM32F103C8T6芯片U6的30号引脚接北斗卫星定位模块7包括ATGM336H-5N芯片U1的RXD引脚，STM32F103C8T6芯片U6的44号引脚接电阻R20的一端，电阻R20的另一端接驱动模块5-3，STM32F103C8T6芯片U6的12号、13号引脚分别接NB-IoT通信模块8的9号、6号引脚。
如图9所示，所述NB-IoT通信模块8包括WH-NB75芯片U4、电容C6、电容C7、电阻R5。SX1278芯片U4的11号、12号引脚同时接地，SX1278芯片U4的16号引脚接3.3V电源，SX1278芯片U4的的13号、14号引脚同时接电阻R5的一端、电容C6的一端和电容C7的一端，电阻R5的另一端接3.3V电源，电容C6的另一端和电容C7的另一端同时接地，SX1278芯片U4的9号、6号引脚分别接STM32单片机模块4的12号、13号引脚。
所述报警模块9根据STM32单片机模块4处理后的密度信息，触发警示灯9-1进行预警。
本发明的工作原理是：本发明利用石油密度检测仪、NB-IoT无线传输系统、北斗卫星定位功能对海上石油泄漏区域进行实时检测，将石油密度测值反馈给STM32单片机模块进行处理，对超出海水中石油密度的通过报警模块利用警示灯预警，同时通过北斗卫星定位模块和位置驱动模块将装置控制在一定坐标点，并利用NB-IoT通信模块将当前装置所在海域的位置信息以及石油泄漏情况等数据上传并发送至有关部门终端设备，装置的设备供电由太阳能发电供给，也可在条件不允许的情况下由可充电电池供电，实现了低碳环保和持久续航以及一定区域内石油泄漏情况的实时检测，便于有关部门采取相应的有针对性、优先级的措施处理泄漏及对处理的进程有所掌握。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种基于CPS的海上石油泄漏情况实时嵌入式检测装置，其特征在于：包括装置主体(1)和上部固定架(2)，上部固定架(2)位于装置主体(1)上，上部固定架(2)上装有太阳能板(3-1)、警示灯(9-1)和北斗卫星接收器(7-3)，装置主体(1)两侧装有螺旋桨(5-1)、其底端设有石油密度检测装置(6-1)，装置主体(1)内部包含控制电路板(10)、蓄电池(3-2)、电机(5-2)和石油密度检测仪(6-1)；
控制电路板(10)上集成有供电模块(3)、STM32单片机模块(4)、位置驱动模块(5)、石油密度检测模块(6)、北斗卫星定位模块(7)、NB-IoT通信模块(8)、报警模块(9)；STM32单片机模块(4)分别与位置驱动模块(5)、石油密度检测模块(6)、北斗卫星定位模块(7)、NB-IoT通信模块(8)、报警模块(9)连接；
控制电路板(10)及蓄电池(3-2)固定在内部固定架(10-1)上，内部固定架(10-1)固定在主体(1)内，太阳能板(3-1)、警示灯(9-1)、北斗卫星接收器(7-3)的接口公头(10-2)由上部固定架(2)内部中空穿出、与控制电路板(10)上相应的接口母头(10-3)连接，蓄电池(3-2)一端与控制电路板(10)电连接，石油密度检测仪(6-1)与控制电路板(10)电连接，蓄电池(3-2)的另一端与电机(5-2)连接；
北斗卫星定位模块(7)与北斗卫星(7-1)连接，北斗卫星(7-1)与北斗卫星地面控制中心(7-2)连接，北斗卫星地面控制中心(7-2)和北斗卫星接收器(7-3)连接；
NB-IoT通信模块(8)与NB-IoT基站(8-1)连接，NB-IoT基站(8-1)与云端服务器(8-2)连接，云端服务器(8-2)与海上环境检测处理中心(8-3)连接。
2.根据权利要求1所述的基于CPS的海上石油泄漏情况实时嵌入式检测装置，其特征在于：所述供电模块(3)包括太阳能发电模块(3-3)和降压稳压模块(3-4)；
太阳能发电模块(3-3)包括CN3065太阳能充电管理芯片U7、太阳能板接口JP2、蓄电池接口JP3、电容C15、电容C16、电阻R22、电阻R23；CN3065芯片U7的1号引脚、3号引脚与蓄电池接口JP3的2号引脚同时接地，CN3065芯片U7的2号引脚接电阻R24的一端，电阻R24的另一端接地，CN3065芯片U7的5号、8号引脚同时接电容C16的一端与蓄电池接口JP3的1号接口，电容C16的另一端同时与蓄电池接口JP3的2号引脚、CN3065芯片U7的1号引脚、电阻R24的另一端一起接地，CN3065芯片U7的4号引脚同时接电阻R22、R23的一端、太阳能板接口JP2的1号引脚以及CN3065芯片U7的1号引脚，CN3065芯片U7的6号引脚同时接电阻R22的另一端与STM32单片机模块(4)STM32F103C8T6芯片U6的18号引脚，CN3065芯片U7的7号引脚同时接电阻R23的另一端与STM32单片机模块(4)STM32F103C8T6芯片U6的19号引脚，太阳能板接口JP2的2号引脚接电容C15的一端，电容C15的另一端接地；
降压稳压模块(3-4)包括MC33063A芯片U5、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电感L1、L2、电容C8、C9、C10、C11；MC33063A芯片U5的1号引脚分别接电容C9的一端和电感L1的一端，电感L1的另一端接电阻R17的一端、电源3.3V、MC33063A芯片U5的2号引脚，MC33063A芯片U5的3号引脚接电容C10的一端，电容C10的另一端接电阻R16的一端，电阻R16的另一端和MC33063A芯片U5的4号引脚同时接地，电感L2一端接电源3.3V，另一端和电容C11的一端同时接地，电容C11的另一端接电阻R17的一端、电阻R19的一端，电阻R19的另一端同时接MC33063A芯片U5的5号引脚和电阻R18的一端，电阻R18的另一端和电容C8同时接地，MC33063A芯片U5的6号引脚接电源24V、电阻R14的一端、电容C8的一端，电阻14的另一端同时接MC33063A芯片U5的7号引脚、电阻R15的一端、C9的一端，电阻R15的另一端接MC33063A芯片U5的8号引脚。
3.根据权利要求1所述的基于CPS的海上石油泄漏情况实时嵌入式检测装置，其特征在于：所述STM32单片机模块(4)包括STM32F103C8T6芯片U6、电阻R20、电阻R21、电容C11、电容C12、电容C13、晶振Y1、晶振Y2；STM32F103C8T6芯片U6的1号、9号、24号、35号、47号引脚分别接3.3V电源，STM32F103C8T6芯片U6的8号、23号、36号、48号引脚分别接地，STM32F103C8T6芯片U6的3号引脚分别接晶振Y2和电容C13，电容C13的另一端和电容C14的一端同时接地，电容C14的另一端接晶振Y2的另一端和STM32F103C8T6芯片U6的4号引脚，STM32F103C8T6芯片U6的5号引脚分别接电阻R21的一端、晶振Y1的一端、电容C11的一端，电容C11的另一端和电容C12的一端同时接地，电容C12的另一端、电阻R21的另一端、晶振Y1的另一端同时接STM32F103C8T6芯片U6的6号引脚，STM32F103C8T6芯片U6的29号引脚接北斗卫星定位模块(7)包括ATGM336H-5N芯片U1的TXD引脚，STM32F103C8T6芯片U6的30号引脚接北斗卫星定位模块(7)包括ATGM336H-5N芯片U1的RXD引脚，STM32F103C8T6芯片U6的44号引脚接电阻R20的一端，电阻R20的另一端接驱动模块(5-3)，STM32F103C8T6芯片U6的12号、13号引脚分别接NB-IoT通信模块(8)的9号、6号引脚。
4.根据权利要求1所述的基于CPS的海上石油泄漏情况实时嵌入式检测装置，其特征在于：所述位置驱动模块(5)包括螺旋桨(5-1)、电机(5-2)、驱动模块(5-3)，电机(5-2)置于装置主体(1)内部、固定在装置主体(1)内壁，螺旋桨桨叶(5-4)由固定螺片(5-5)通过螺丝孔(5-6)固定在驱动杆(5-7)上；
所述驱动模块(5-3)包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6，电机B1；电阻R6的一端接三极管的b端，三极管的e端接地，三极管的c端分别接电阻R13的一端、电阻R8的一端、电阻R7的一端，电阻R7的另一端分别接24V电源，、电阻R9的一端、三极管Q3的c端、三极管Q5的c端，电阻R8的另一端接三极管Q2的b端，Q2的c端接电阻R9的另一端、电阻R10的一端、电阻R11的一端，电阻R10的另一端接三极管Q3的b端，三极管Q3的e端接电机B1的正极、三极管Q4的c端，电阻R11的另一端接三极管Q4的b端，三极管Q2的e端、三极管Q4的e端和三极管Q6的e端同时接地，三极管Q5的e端和三极管Q6的c端同时接电机B1的负极，三极管Q5的b端和三极管Q6的b端分别接电阻R12的另一端和电阻R13的另一端。
5.根据权利要求1所述的基于CPS的海上石油泄漏情况实时嵌入式检测装置，其特征在于：所述北斗卫星定位模块(7)包括ATGM336H-5N芯片U1、AT24C32芯片U2、RT9193芯片U3、JP1接口、电池BAT、天线E1、光敏二极管D1、二极管D2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电源接口P1；ATGM336H-5N芯片U1的1号引脚和JP1接口的2号引脚同时接地，ATGM336H-5N芯片U1的2号、3号引脚分别接接电阻R4、R3的一端，R4、R3的另一端分别接JP1接口的3号、4号引脚，ATGM336H-5N芯片U1的4号引脚与JP1接口的1号引脚同时接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接光敏二极管D1的正极，光敏二极管D1的阴极接3.3V电源，ATGM336H-5N芯片U1的5号引脚、RT9193芯片U3的3号引脚、JP1接口的5号引脚同时接3.3V电源，TGM336H-5N芯片U1的6号引脚接电池BAT的正极和二极管D2的正极，TGM336H-5N芯片U1的8号引脚分别接和二极管D2的负极接3.3V电源及电容C1的一端，电容C1的另一端和RT9193芯片U3的2号接口、电池BAT的负极同时接地，RT9193芯片U3的1号2号引脚还分别接电容C2的两端，RT9193芯片U3的4号引脚分别接电容C3的一端、电容C4的一端及3.3V电源，RT9193芯片U3的5号引脚接电容C5的一端，电容C3、C4、C5的另一端同时接地，ATGM336H-5N芯片U1的9号引脚接电源RF，ATGM336H-5N芯片U1的17号引脚接AT24C32芯片U2的6号引脚，ATGM336H-5N芯片U1的18号引脚接AT24C32芯片U2的5号引脚，ATGM336H-5N芯片U1的14号引脚接RF电源和电阻R2的一端，电阻R2的另一端分别接电源接口P1、天线E1和ATGM336H-5N芯片U1的11号引脚，ATGM336H-5N芯片U1的11号引脚接电源接口P1，ATGM336H-5N芯片U1的10号、12号引脚、AT24C32芯片U2的1号、2号、3号、4号引脚同时接地，AT24C32芯片U2的7号引脚也接地，AT24C32芯片U2的8号引脚接3.3V电压。
6.根据权利要求1所述的基于CPS的海上石油泄漏情况实时嵌入式检测装置，其特征在于：所述NB-IoT通信模块(8)包括WH-NB75芯片U4、电容C6、电容C7、电阻R5；SX1278芯片U4的11号、12号引脚同时接地，SX1278芯片U4的16号引脚接3.3V电源，SX1278芯片U4的的13号、14号引脚同时接电阻R5的一端、电容C6的一端和电容C7的一端，电阻R5的另一端接3.3V电源，电容C6的另一端和电容C7的另一端同时接地，SX1278芯片U4的9号、6号引脚分别接STM32单片机模块(4)的12号、13号引脚。
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