CN114205501A - 一种全角度藻类监测识别系统及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全角度藻类监测识别系统及其使用方法,固定装置包括立杆；调节装置包括竖直电动滑轨，竖直电动滑轨设于所述立杆上，并与主控装置之间进行连接；拍摄装置包括球铰座，球铰座上设有摄像头、水压力传感器，球铰座与所述竖直电动滑轨直接连接，球铰座与主控装置之间进行数据传输；供能装置用于为所述调节装置、拍摄装置和主控装置提供电能；主控装置用于控制所述调节装置、拍摄装置和供能装置。本发明能够实现对一定范围内水体三维空间的全方位有效监测，能够对藻类形状特征进行拍摄、识别和有效分析。本发明在水中拍摄与成像时具有较强的抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及藻类监测技术领域，具体是一种全角度藻类监测识别系统及其使用方法。
背景技术
生活及工农业废水中含有大量氮、磷、钾元素，这些废水进入天然河道湖泊之后，水体富营养化，使得鱼腥藻、微囊藻、念珠藻、蓝球藻、发菜等蓝藻及替他生物大量繁殖，整个水体呈绿色或蓝绿色，形成水华。
现有的藻类监测设备只能通过对各水质参数的监测，推断其是否处于适合藻类生长环境，从而预测蓝藻水华是否爆发并进行预警，但这种预测方法准确率较低，易产生误报，无法对不同种类的藻类进行监测和识别，无法对水华爆发有精准的预测。同时，难以对某一片水域范围进行较长时间、全角度不间断的连续监测识别，难以将监测识别数据实时传输，远程监控。因此需要一种能够全角度监测识别藻类的系统及方法。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种全角度藻类监测识别系统及其使用方法。
本发明采用如下技术方案：
一种全角度藻类监测识别系统，包括：
固定装置；所述固定装置包括立杆；
调节装置；所述调节装置包括竖直电动滑轨，所述竖直电动滑轨设于所述立杆上，并与主控装置之间电性连接；
拍摄装置；所述拍摄装置包括球铰座，所述球铰座上设有摄像头、水压力传感器，所述球铰座连接在竖直电动滑轨上，球铰座与主控装置之间电性连接并进行数据传输；
供能装置，用于为所述调节装置、拍摄装置和主控装置提供电能；
主控装置，用于控制所述调节装置、拍摄装置和供能装置，包括图像储存模块、图像识别模块、图像转化模块和图像传输模块。
优选地，所述立杆的下端设有锥形插入部，所述锥形插入部的直径小于所述立杆的直径。
优选地，所述锥形插入部的顶部设有梯形铁质配重。
优选地，所述立杆的底部、锥形插入部上方的立杆外侧壁上设有三脚支撑架。
优选地，所述球铰座上位于摄像头的上方设有补光灯。
优选地，所述拍摄装置拍摄装置还包括镜头保护盒，高清摄像头上方的立杆上连接有连杆的一端，连杆另一端与铰链的一端连接，铰链另一端铰接有安装成像屏的镜头保护盒，镜头保护盒为一个箱型结构，用于穿过摄像头的一侧敞口。
优选地，所述主控装置主要以树莓派为核心，设有图像识别单元，图像储存单元，图像转化单元和图像传输单元，并与供能装置、拍摄装置、调节装置之间实现数据的双向传输。
优选地，所述供能装置包括太阳能发电装置，所述太阳能发电装置包括太阳能帆板，所述太阳能帆板通过自动伸缩架与立杆相连接，太阳能帆板控制器与主控装置(树莓派)之间进行连接。
优选地，所述主控装置由树莓派为核心，实现装置的基本功能的同时并配有无线数据传输模块，将树莓派采集的数据图像实时通过网络传输到互联网平台。
优选地，所述主控装置由树莓派为核心，在实现图像的实时传输的同时并配有外部储存器，采用外接硬盘或者储存卡，在数据传输环节出现问题的突发情况下可以作为应急处理手段对数据进行储存。
本发明还提供一种所述的全角度藻类监测识别系统的使用方法，包括下述步骤：
S1、根据实测水域的水深，调节所述供能装置的位置，装配完毕；
S2、将所述立杆插于水中，保持立杆直立，使所述拍摄装置置于水面以下；
S3、通过所述主控装置打开所述拍摄装置，拍摄装置中装有的MI K-P3000高精度单晶硅压力变送器主控装置实时反馈水深，主控装置根据水深控制所述竖直电动滑轨实时调节所述摄像头所处的深度位置，装置使用者和监控者也可以根据水深数据通过PI D算法控制单片机信号输出，对滑轨实行实时控制；
S4、拍摄装置的核心摄像头与主控装置的核心树莓派之间互有数据传输，主控装置中树莓派连接摄像头初次采集图像，传输至平台，根据实际使用要求和水质实际情况去控制所述摄像头的球铰座，调节所述摄像头的拍摄角度，并控制所述水平电动滑轨使所述摄像头沿环向运动，并调节所述摄像头的环绕速度；通过所述控制装置调节所述摄像头连续拍照的频率，收集水体图像数据；
S5、供能装置的核心为太阳能发电装置，所述太阳能发电装置包括太阳能帆板、帆板控制器、电池等，供能装置在使用过程中由树莓派通过经典控制算法实现太阳能帆板角度的转变，尽可能实现光能利用的最大化，并将转化的电能储存于电池之中。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明能够实现对一定范围内水体三维空间的全方位有效监测，能够对藻类形状特征进行拍摄、识别和有效分析。本发明在水中拍摄与成像时具有较强的抗干扰能力。以树莓派为核心的主控装置处理能力强大，通过利用PID算法等经典控制算法可实现控制滑轨和摄像头移动、太阳能帆板转动，通过利用神经网络滤波算法等数据处理算法来实现实时数据采集，数据处理，通过无线数据传输模块实现数据传输，数据远程获取。通过太阳能获取转换电能，节能环保。
附图说明
图1显示了本发明的整体结构。
图2显示了三脚支撑架的结构；
图3显示了高清摄像头的连接结构；
图4显示了球铰的结构。
图中，100、立杆；101、锥形插入部；102、三脚支撑架；103、梯形铁质配重；200、竖直电动滑轨；201、水平电动滑轨；300、球铰座；301、连接座；302、内球体；303、镜头连结孔；304、高清摄像头；305、外盖体；306、成像屏；307、上挡板；308、下挡板；309、连杆；310、铰链；311、补光灯；312、水压力传感器；400、太阳能帆板；401、自动伸缩架；402、发电叶片；403、横杆；404、捕风屏。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
实施例
如图1-4所示，一种全角度藻类监测识别系统，包括：固定装置、调节装置、拍摄装置、供能装置和主控装置。
参照图1、2，所述固定装置包括立杆100，立杆为采用防水材料制成的圆柱体，立杆的下端固定连接有锥形插入部101，锥形插入部为上宽下窄的尖锥形结构，锥形插入部的最大直径小于立杆100的直径，立杆通过锥形插入部101插入水域底部的土壤内进行固定。位于锥形插入部上方的立杆外侧壁固定安装有三脚支撑架102进行支撑，以增强整个固定装置的稳定性和长期监测的连续性与安全性。由于三脚支撑架102在水底淤泥之中难于固定，在锥形插入部101上方的立杆上安装有梯形铁质配重103，作为配重，固定整个固定装置，保证藻类监测识别系统的安全稳定。
参照图1、3，所述调节装置安装在立杆100的下部，包括竖直电动滑轨200和水平电动滑轨201，竖直电动滑轨200安装于立杆100上，水平电动滑轨201沿立杆100的外周布置，且与竖直电动滑轨200滑动连接。
参照图1、3、4，所述拍摄装置包括球铰座300，球铰座300包括连接座301，连接座301与水平电动滑轨201滑动连接，连接座301中设有内球体302，内球体受所述主控装置驱动能够进行万向转动，内球体302通过镜头连结孔303与120°广角的高清摄像头304相连接，内球体302的外部设有外盖体305。竖直电动滑轨200和水平电动滑轨201粗调高清摄像头304的拍摄角度及方位，而连接在内球体302的高清摄像头304可以跟随球体作空间全维度的转动，对于拍摄角度进行进一步的细微调整，粗调节与细调节方法相结合，使得拍摄图形更加清晰有效。
高清摄像头304上方的立杆上连接有连杆309的一端，连杆另一端与铰链310的一端连接，铰链另一端铰接有安装成像屏的镜头保护盒，镜头保护盒为一个箱型结构，用于穿过摄像头的一侧敞口，成像屏位于摄像头镜头的前方，成像屏306的上端和下端分别设有上挡板307和下挡板308，以对摄像头起到保护作用，且对水中的鱼类、杂物等干扰因素提供了较好的抗干扰能力。连接座301的上端设有连杆309，上挡板307与连杆309通过铰链310连接，进而能够根据高清摄像头304的角度以及所处水深相应匹配最佳成像角度。
连接座301上位于高清摄像头304的上方设有补光灯311，通过给所摄水体加柔光的方式，使高清摄像头304在透明水体中能够捕捉更加清晰的藻类特征要素图像。连接座301的下端设有水压力传感器312，通过水压力传感器312，结合所测水域的水密度，可以准确计算出拍摄装置所在位置处的具体水深，实时反馈。
控制装置包括PLC控制系统，用于控制所述调节装置和拍摄装置。主控装置内部装有树莓派，通过数据传输线与供能装置之间连接，根据时间和光线变化，采用P ID算法控制太阳能角度的翻转，实现光线与太阳能帆板之间的最佳角度；同理树莓派根据PI D等经典控制算法去控制电动滑轨移动、摄像头转动以实现全角度的藻类监测功能。
高清摄像头304与主控装置的树莓派双向数据传输，树莓派内部设有图像储存模块、图像识别模块、图像转化模块和图像传输模块。摄像头通过数据传输线与树莓派之间进行连接，树莓派通过摄像头，采集到藻类图像信息并存储于图像储存模块中，并通过图像识别模块识别不同藻类形状，识别出具有危害、毒性的特殊藻类并进行存储。为了数据的远程处理分析，树莓派与无线数据传输模块结合，通过图像传输模块将数据通过网络传输至远程平台，研究人员便能够通过访问该平台，对特征要素照片资料进行实时访问和下载。为了减小内存占用，保证图像数据传输的速度和连续稳定，设置图像转化模块，可通过调节阈值的方法，将其转化为黑白图片，进行实时传输。为了避免数据传输模块的传输数据问题，树莓派还可以外接储存器，将未能及时上传的图像数据进行储存，以便后续的数据查验和数据恢复。
参照图1，所述供能装置安装在立杆100的上部，用于为所述调节装置和拍摄装置提供电能，包括太阳能发电装置和风力发电装置，两者通过内部电路线与用电端相连接。所述太阳能发电装置包括太阳能帆板400，太阳能帆板400通过自动伸缩架401与立杆100相连接。所述风力发电装置包括两个发电叶片402，发电叶片402通过横杆403与立杆100相连接，发电叶片402上设有数个捕风屏404，可以调节张合角度，最大程度迎风，获取风力发电的最高效率。该系统白天可根据太阳位置调节太阳能帆板400，增大阳光入射于太阳能帆板400的平面夹角，最大化利用太阳能进行发电，并将多余电能存储收集。连续阴雨天，风能充足，可通过顶部装配的风力发电装置进行供能，达到环保节能的效果。
本实施例的使用方法包括下述步骤：
S1、根据实测水域的水深，调节自动伸缩架401使太阳能帆板400捕捉垂直阳光，调节捕风屏404的张合角度，使其最大程度迎风；
S2、将立杆100插于水中，锥形插入部101插入底泥之中，保持立杆100直立，使所述拍摄装置置于水面以下；打开所述供能装置和主控装置；
S3、通过主控装置打开所述拍摄装置，根据水压力传感器312反馈的实时水深，控制竖直电动滑轨200实时调节高清摄像头304所处的深度位置；
S4、控制内球体302调节高清摄像头304的拍摄角度，控制水平电动滑轨201使高清摄像头304沿环向运动，并调节高清摄像头304的环绕速度；通过所述控制装置调节高清摄像头304连续拍照的频率，使其每隔5mi n拍取一张藻类特征要素照片，并收集水体图像数据；
S5、通过主控装置树莓派对得到的水体图像数据进行处理与上传，即通过树莓派内置图像识别模块，识别出具有危害的藻类，并转化为藻类形态的特征要素黑白照片实时上传至远程平台；科研人员在该平台得到实时拍摄数据，并可以将图片资料远程下载，进一步分析，对该水体的藻类情况进行监测识别，使用周期6个月。
在具体实施时，可先在河道，水域一定区域内布置若干该系统，得到一定数据后，针对有害藻类分布较多较密的区域进行二轮装置布设，以增大监测识别的可靠性和准确度。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。
Claims (9)
1.一种全角度藻类监测识别系统，其特征在于，包括：
固定装置；所述固定装置包括立杆；
调节装置；所述调节装置包括竖直电动滑轨，所述竖直电动滑轨设于所述立杆上，并与主控装置之间电性连接；
拍摄装置；所述拍摄装置包括球铰座，所述球铰座上设有摄像头、水压力传感器，所述球铰座连接在竖直电动滑轨上，球铰座与主控装置之间电性连接并进行数据传输；
供能装置，用于为所述调节装置、拍摄装置和主控装置提供电能；
主控装置，用于控制所述调节装置、拍摄装置和供能装置，包括图像储存模块、图像识别模块、图像转化模块和图像传输模块。
2.如权利要求1所述的全角度藻类监测识别系统，其特征在于，所述立杆的下端设有锥形插入部，所述锥形插入部的直径小于所述立杆的直径。
3.如权利要求2所述的全角度藻类监测识别系统，其特征在于，所述锥形插入部顶部的立杆上设有配重块。
4.如权利要求3所述的全角度藻类监测识别系统，其特征在于，所述立杆的底部、锥形插入部上方的立杆外侧壁上设有三脚支撑架。
5.如权利要求1所述的全角度藻类监测识别系统，其特征在于，所述球铰座上位于摄像头的上方设有补光灯。
6.如权利要求5所述的全角度藻类监测识别系统，其特征在于，所述拍摄装置还包括镜头保护盒，高清摄像头上方的立杆上连接有连杆的一端，连杆另一端与铰链的一端连接，铰链另一端铰接有安装成像屏的镜头保护盒，镜头保护盒为一个箱型结构，用于穿过摄像头的一侧敞口。
7.如权利要求1所述的全角度藻类监测识别系统，其特征在于，所述主控装置以树莓派为核心，具有图像识别单元、图像储存单元、图像转化单元和图像传输单元，并与供能装置、拍摄装置、调节装置之间双向传输数据。
8.如权利要求1所述的全角度藻类监测识别系统，其特征在于，所述供能装置包括太阳能发电装置，所述太阳能发电装置包括太阳能帆板，所述太阳能帆板通过自动伸缩架与立杆相连接，太阳能帆板控制器与主控装置之间进行连接。
9.如权利要求1-8任一项所述的全角度藻类监测识别系统的使用方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1、根据实测水域的水深，调节供能装置的位置，装配系统；
S2、将立杆插于水中，保持立杆直立，使所述拍摄装置置于水面以下；
S3、通过主控装置打开所述拍摄装置，拍摄装置中的水压力传感器向主控装置实时反馈水深，主控装置根据水深控制竖直电动滑轨实时调节摄像头所处的深度位置，装置使用者和监控者也能够根据水深数据对滑轨实行实时控制；
S4、拍摄装置的高清摄像头与主控装置的树莓派之间进行数据传输，主控装置中树莓派先识别摄像头初次采集的图像，分析处理之后，根据实际使用要求和水质实际情况去控制制所述摄像头的球铰座，调节所述摄像头的拍摄角度，并控制所述水平电动滑轨使所述摄像头沿环向运动，并调节所述摄像头的环绕速度；通过所述控制装置调节所述摄像头连续拍照的频率，收集水体图像数据；
S5、供能装置在使用过程中由树莓派通过经典控制算法实现供能装置太阳能帆板角度的转变，使光能利用最大化，并将转化的电能储存于电池之中。
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| CN202111497263.4A Pending CN114205501A (zh) | 2021-12-09 | 2021-12-09 | 一种全角度藻类监测识别系统及其使用方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2021
- 2021-12-09 CN CN202111497263.4A patent/CN114205501A/zh active Pending
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