CN203268293U - 水质监测与水面清理船 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及水质监测与水面清理领域，公开了一种水质监测与水面清理船，包括太阳能供电模块、水面清理模块、动力控制模块、水质数据采集模块、主处理器、无线传输模块、GPS全球定位模块、自动导航模块、智能避障模块以及远程控制终端。本实用新型把新能源技术、嵌入式平台开发技术、远距离传输与控制技术、传感技术和机械动力技术集成应用于一个领域——水质监测与保护，制作成自动化和一体化的监测船和清理船。

Description

水质监测与水面清理船

技术领域

本发明涉及水质监测与水面清理领域，具体是一种水质监测与水面清理船。

背景技术

水体污染问题成为当今社会不可忽视的问题。传统的水质监测手段是实验室手工分析方法，不能实时检测，操作繁琐，工作量大；人工打捞水面垃圾劳动强度大，效率低，且不能在核污染等恶劣环境下作业，已经不适合现今社会的发展需求。

申请号为201020589258.7的中国实用新型专利公开了一种多参数水质监测无线传感装置，包括传感器模块、数据处理模块、通信与传输模块和电源模块，传感器模块、数据处理模块和通信与传输模块依次连接，电源模块提供电源；传感器模块包括多种水质监测传感器，所有水质监测传感器的输出输入模拟多路复用器，模拟多路复用器的输出信号依次输入信号调理电路和A/D转换电路。该实用新型技术可广泛应用于各种大面积水产养殖的水质监测中，采用太阳能蓄电池，节约能源，降低成本，简化电路，提高节点工作的可靠性；将ZigBee技术与GPRS结合，形成远程数据获取平台。

申请号为201120182711.7的中国实用新型专利公开了一种涉及远程水质监测的系统，解决了现有水质监测技术中，必须要人工现场监测，实现远程、实时监测水质情况。远程水质监测系统包括水质监测远程管理中心和安装在被监测水源的水质监测节点。水质监测远程管理中心包括管理中心计算机、第一GSM通信模块和RS-232通信模块，所述的管理中心计算机通过RS-232通信模块与第一GSM通信模块连接；水质监测节点包括控制电路，以及分别与控制电路电连接的电源模块、水质检测仪、第二GSM通信模块和存储模块。该实用新型的远程水质监测系统能够实时、远程监测水质，成本较低，实用性强

申请号为03139060.9的中国发明专利公开了一种双体式水面清理救助船，双体船是由位于船体前部的前桥和位于船体后部的后桥连接两个船体组成，其特点是在双体船中间的前部设网状传送装置，在双体船中间的后部设收集仓，是一种能够快速清理大面积水上漂浮物和迅速救助落水者的结构简单、操作方便、工作效率高、安全性能好、适应范围广的双体式水面清理救助船。

申请号为201010223569.6的中国发明专利公开了一种水面垃圾清理船，船体采用双体设计，由侦测导航系统、收集系统、垃圾处理体统、垃圾卸载系统、推进系统构成；分成三种工作模式：自由航行模式，靠岸作业模式，非靠岸作业模式。通过侦测导航系统侦测到水面有垃圾的区域，进而自动导航进行工作实现无人操作，全自动化，清理效率好，灵活性强，工作平稳，安全可靠。其中涉及的铲斗型链网式收集传送装置能实现回收的连续和间断工作相结合，节能高效。同时该装置上下可液压驱动变幅，能更快更有效打捞不同水深的漂浮物。设计的卫星船协同收集让其更具有灵活性和高效性。通过液压回转喷水枪喷水将岸上的水面漂浮物和半漂浮物回收上船。

现有的发明和实用新型专利，有些水质监测方法只能进行定点水质监测，不利于大面积采样检测；有些水面垃圾清理船不能远程控制，需要操作人员坐上去作业；有些能远程控制但又没利用太阳能供电，只能利用蓄电池供电，不能做到绿色环保，且没设置防撞系统。此外，现有的专利要么只能进行水质监测，要么只能进行水面垃圾清理，没有把两者结合起来，浪费人力和物力。把太阳能板最大功率点跟踪系统设计运用在监测船上，国内外均未发现相关文献记录。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种利用绿色太阳能供电、可远程控制、具有自动导航和智能避障功能的水质监测与水面清理船。

水质监测与水面清理船，包括水面清理模块、动力控制模块、水质数据采集模块、主处理器、无线传输模块以及远程控制终端，其特征在于还包括太阳能供电模块、GPS全球定位模块、自动导航模块以及智能避障模块，水质数据采集模块包括前端传感器组、信号调理电路以及模数转换电路，前端传感器组采样反映水质的模拟信号数据，经过信号调理电路和模数转换电路的处理，再通过主处理器处理成水质参数，通过无线传输模块将水质参数和GPS全球定位模块获取的定位信息传输到远程控制终端，远程控制终端接收数据后进行水质分析，根据水质参数和定位信息模拟水质状况分布图；水面清理模块包括船体前部的网状垃圾收容器、绳索收放器、绳索、摄像头和视觉识别系统，网状垃圾收容器用于垃圾收集，绳索收放器控制绳索收放，绳索通过固定环与网状垃圾收容器相连，摄像头实时监控水面环境，视觉识别系统识别出水面浮游垃圾后由网状垃圾收容器自动进行垃圾清理。

进一步的，太阳能供电模块包括光伏太阳能电池板及自动旋转装置，太阳能供电模块采用最大功率点跟踪方法，光伏太阳能电池板根据阳光直射角度自动旋转保持与阳光直射方向垂直。

进一步的，自动旋转装置包括从动半齿轮、第一主动齿轮、第一齿轮电机、第一旋转环、第二旋转环、旋转环驱动电机以及第二主动齿轮；从动半齿轮垂直固定在光伏太阳能电池板下方，第一旋转环与第二旋转环共轴，第一旋转环的外层和第二旋转环的外层均固定在船上，从动半齿轮由第一齿轮电机带动，第二旋转环的内层由旋转环驱动电机带动，第二旋转环的内层与垂直支撑支架固定连接，垂直支撑支架的上端与光伏太阳能电池板可转动连接。第二旋转环内层转动使太阳能板在水平面内进行360度旋转，从动半齿轮转动使太阳能板在竖直方向进行旋转，旋转角度达90度，考虑到实际阳光直射角度，由此实现太阳能电池板自动旋转到与太阳光直射方向垂直的目的，大大提高太阳能电池板的功率输出。

进一步的，太阳能供电模块包括一个半球形太阳光角度传感器，该传感器由两块半圆形电路板和一块圆形电路板构成，三块电路板两两相互垂直，各电路板的曲边上密布光敏电阻（24）。

进一步的，前端传感器组包括温度传感器、湿度传感器、PH传感器、电导率传感器、溶解氧传感器、重金属离子传感器、辐射传感器以及PM2.5传感器。

进一步的，无线传输模块使用Zigbee网络模块。

进一步的，自动导航模块包括航姿参考系统，其包括两个MEMS传感芯片以及三轴磁力计；远程控制终端能设定航行路线后，船体能自动按照所设路线自动航行。

进一步的，智能避障模块包括6个超声波模块。

所述水质监测与水面清理船的船体采用双体船密封设计，船体前部安装网状垃圾收容器和摄像头，用于垃圾收集和监控水面环境。绳索收放器控制绳索收放，绳索通过固定环连接网状垃圾收容器的活动网。主处理器根据视觉识别系统识别出水面垃圾后，控制活动网放下，船体前进让垃圾进入网状垃圾收容器；当船体停下时，活动网收起，防止垃圾漂出网状垃圾收容器。

所述动力控制模块包括直流电机驱动器、转向舵机和命令解析器。主处理器根据远程控制终端、自动导航模块或者智能避障模块下达的指示向动力控制模块发送控制命令，模块接收到命令后解析命令。驱动器根据解析后的命令驱动电机运作，使船按要求航行，从而达到人工远程操作船体航行、船体根据预设路线自动航行和遇障自动绕行等功能。

所述水质数据采集模块包括前端传感器组、信号调理电路以及模数转换电路，所有调理电路和模数转换电路集成于一个电路板上，加大集成化程度，减少成本。前端传感器组包括温度传感器、湿度传感器、PH传感器、电导率传感器、溶解氧传感器、重金属离子传感器、γ射线传感器、PM2.5传感器等；模数转换电路以ADC0804芯片为核心，可同时输入8路不同的模拟信号。由前端传感器采集到反映水质状况的原始电信号后，经由信号调理电路放大、整流、滤波去噪后，由模数转换电路转换成数字信号输入到主处理器处理。

所述无线传输模块使用Zigbee模块。Zigbee模块上电自动组网。网络由一个Coordinator和多个Router组成。在这里，位于远程控制终端的接收机作为Coordinator，清理船上的无线模块作为Router。主要特点在于：1）Zigbee模块上电自动组网。2）一个数据中心可以同时监控多条清理船。并且每条清理船可以随时加入和退出网络，不会对其他船有任何影响。3）任何一个节点意外断电后，只要能重新上电，模块就可以自动再次接入网络，不用担心清理船脱离控制。

所述GPS全球定位模块即GPS接收机使用第三代超高精度处理芯片。该模块精度高、功耗小，输出为NMEA0183标准语句。接收信息后首先分离出经纬度信息，为度分格式，首先需要将其转换成度格式。出于某种原因,我国所有的地图公司提供的地图对实际的GPS坐标进行了一定的偏移。因此，在电子地图上显示时，需要对经纬度信息进行修正。修正方法是查询偏移数据库，对测量得到的经纬度进行修正。GPS接收机通过串口将数据发送给主处理器用于导航。

所述远程控制终端包括无线数据接收机，是工作于Coordinator状态的Zigbee模块。

自动导航模块的核心是航姿参考模块（AHRS），包括两个MEMS传感芯片（三轴加速度计和陀螺仪）以及三轴磁力计。传感芯片实时测量船体的三轴加速度、三轴角速度、三轴磁力数据，而后处理器利用四元数姿态解算方法计算出船体的航向、侧翻角度和俯仰角度。这些信息将用于自动导航及船体安全监控。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：能迅速应用于各种水域的实时水质监测和水面垃圾清理，操作方便可靠，有效提高水质检测效率及检测范围，对污染源实现远程控制清理，能快速提高水体质量。由太阳能电池供电，采取最大功率点追踪设计，节能环保。采集数据的过程不需要现场人工辅助，完全实现远程终端控制，具有自动导航和智能避障功能，可用于特殊环境检测。该船一体化程度高，具备完善功能，实用性强，有很大的社会价值和应用前景。

附图说明

图1为水质监测与水面清理船结构图之一；

图2为水质监测与水面清理船结构图之二；

图3为水质监测与水面清理船结构图之三；

图4为太阳光直射方向传感器结构示意图；

图5为太阳光直射方向传感器原理示意图；

图6为本发明的系统框图；

图7为水质数据采集模块的框图；

图8为主处理器与各模块之间协调工作的原理框图；

图9为智能避障模块的硬件控制框图。

图中示出：1:船体两侧密封舱；2：光伏太阳能电池板；3：网状垃圾收容器；4：船体中部隔水舱；5：绳索；6：传感器安放天井；7：绳索收放器；8：直流电机驱动器；9：转向舵机；10：主动传动轮；11：从动传动轮；12：固定环；13：平行支撑支架；14：从动半齿轮；15：垂直支撑支架；16：第一旋转环；18：第一齿轮电机；19：第一主动齿轮；20：第二旋转环；22：内层驱动电机；23：第二主动齿轮；24：光敏电阻。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，水质监测与水面清理船船体由四部分组成：光伏太阳能电池板2及自动旋转装置、船体两侧密封舱1、船体中部隔水舱4、网状垃圾收容器3。船体由1mm厚不锈钢板加工而成；为了加大船体承受强度，在船体内加装骨架；光伏太阳能电池板2最大输出电压12伏，通过控制器变压后为其他硬件电路供电；中部隔水舱内密封所需全部电子控制硬件。

自动旋转装置结构如图3所示，两旋转环外层固定在船上。当主处理器通过太阳光直射方向传感器得出阳光直射角度后，通过内层驱动电机22控制光伏太阳能电池板2在水平方向的转动和第一齿轮电机18控制光伏太阳能电池板2在竖直方向的转动，保证太阳能电池板与阳光直射方向垂直，使光伏太阳能电池板2输出功率最大。

在中部隔水舱内，从前到后依次是绳索收放器7、传感器安放天井6、整个系统的电路硬件密封区、动力控制装置。主处理器根据需要控制绳索收放器7收放绳索，间接控制网状垃圾收容器3的活动网的开合，使垃圾收集功能正常运行。放置在传感器安放天井6内的传感器采用国内知名品牌“雷磁”系列水质传感器，具有响应快、维护方便、经济实惠等优点。在本实施例中采用了温度传感器、湿度传感器、PH传感器、溶解氧传感器、电导率传感器、重金属铜离子传感器、空气灰尘浓度传感器，根据需要还可组合其他传感器以达到所需要求。动力控制装置主要包括直流电机驱动器8和转向舵机9，直流电机驱动器具有正反转功能。主处理器通过控制转向舵机9，带动直流电机驱动器8左右摆动以达到改变船体航行方向的目的。

电路硬件密封区内主要是各个电子集成模块，如处理器选用TQ系列的ARM9嵌入式模块，GPS接收机使用HOLUX M-87模块，无线数据传输选用常见的Zigbee模块等。此外，自主设计制作的其他电路硬件亦包含在此区域内。根据实际需要选用其他品牌的模块亦能达到相同效果。

在船头安装6个超声波模块，分布在船体的左右两侧，可选用市面上一般的超声波模块。超声波模块的位置排列上，每个模块的朝向角度相隔30度。当进行距离的测量时，由主处理器对超声波发送器发送指令，控制其发送40kHz的超声波，并且同时启动定时器。当此超声波在空气中传播的途中遇到障碍物后就会被反射回来，51单片机在超声波检测到回波后，停止计时。这样，定时器就能够准确的记录下了往返传播所用的时间t。障碍物到发射探头之间的距离为S=v×t/2，其中v为空气中声速。主处理器再根据一定的避障模糊算法，控制动力控制模块带动船体前进或转向，从而实现智能避障。模糊控制算法中，将前进方向上距离最近的障碍物与船体之间的距离作为输入量D。距离的模糊量取{VL, L, S, VS}，分别表示{很远，远，近，很近}。将左边的3个超声波模块作为一组，选取测得的距离最小数值作为左边输入，用DL表示；将右边3个超声波模块作为一组, 选取测得的距离最小数值作为右边输入, 用DR表示。船体移动的动作作为输出量, 对应的模糊量有{TL, TLL, GS, TRL,TR, R},分别表示{左转60度，左转30度，前进，右转30度，右转60度，右转90度}。本系统中对所有输入量和输出量都采用三角隶属函数，反模糊化使用最大隶属度法。

本发明通过嵌入式Linux系统协调水质数据采集模块、自动导航模块、GPS定位模块、动力控制模块、智能避障模块、无线传输模块、水面清理模块等各个模块之间的工作，其工作过程如下：

水质监测与水面清理船开始工作后，ARM9主处理器可以定时获取水质数据采集模块对水体的采集结果，并对采集数据进行计算、误差修正、格式化、打包等处理。然后将打包好的数据交由无线传输模块，由无线传输模块将数据发送到远程控制终端上（如PC机）。航行过程中，GPS接收机实时接收定位信息，并将信息传送给ARM9处理器。ARM9处理器结合航姿参考系统的数据，计算出当前位置、航行方向、船体姿态等导航信息。在非自动导航模式下，控制终端直接发送控制命令到动力控制模块，手动控制船只航行。在自动导航模式下，ARM9处理器将这些数据与设定航线的数据进行对比，计算出偏航角度、偏航距离等信息。ARM9处理器根据偏航数据向动力控制模块发送控制命令。动力控制模块接收命令，根据命令驱动转向舵机和直流电机运转，推动船只按照指定路线行进。倘若航行中遇到障碍，智能避障模块会夺过对动力控制模块的控制权实施绕障作业，直至绕过障碍物。在工作过程中，ARM9处理器定时通过太阳光直射方向传感器获取太阳光的直射角度，根据导航信息调整太阳能板到最佳角度。Zigbee模块通过串口与主处理器连接。

所述太阳能供电模块采用最大功率点跟踪设计，还包括自主设计的太阳光直射方向传感测量器（图4），由两块半圆形电路板和一块圆形电路板构成，三块电路板两两相互垂直，每块电路板边上按每5度一个单位，均匀分布144个光敏电阻24，根据光敏电阻阻值随接收到的光通量变化而变化的特点，分别检测出三块电路板上光敏电阻的阻值分布状况便可间接得出太阳光直射方向，检测精度可达2.5度。主处理器计算出太阳光直射角度后，输出控制指令对第一齿轮电机18和内层驱动电机22精确控制，通过齿轮传动带动太阳能电池板,使其与阳光直射方向垂直。为了更好地解释太阳光直射角度传感测量器的工作原理，以下进行一些数学推导予以说明：

根据现有理论，光敏电阻阻值与接收到的光通量呈负相关关系，而相关实验也证明了这个客观事实。

如图5所示，设太阳光方位角为θ、高度角为β，空间中任一与阳光垂直的面元接收到的光通量为∅,面元面积与光敏电阻受光面相同。将光通量∅分解到x、y、z轴得到：

∅_x=∅∙cosβ∙cosθ

∅_y=∅∙cosβ∙sinθ

∅_z=∅∙sinβ

(a) 确定阳光方位角θ

底圈角度为δ的位置上，光敏电阻接收到的光通量为：

∅(δ)=∅_x∙cosδ+∅_y∙sinδ=∅∙cosβ∙cosθ∙cosδ+∅∙cosβ∙sinθ∙sinδ

∅(δ)对δ求导，可得:

∅’(δ)= -∅∙cosβ∙cosθ∙sinδ+∅∙cosβ∙sinθ∙cosδ

令∅’(δ)=0，得：

tanδ=tanθ (tanθ=tanδ)

所以当δ=θ或者δ=θ +π时，∅(δ)具有极大值或者极小值，结合实际情况可知当δ= θ+π时具有极小值，δ=θ时具有极大值。由此看出，底圈上接收光通量最大的光敏电阻（阻值最小）的位置角δ即为太阳光方位角θ。

也即：找出底圈上阻值最小的光敏电阻的位置δ，就可以确定阳光方位角：

θ=δ

(b)确定阳光高度角β

侧边角度为γ的位置上，光敏电阻接收到的光通量为：

∅(γ)=∅z∙sinγ+∅y∙cosγ=∅∙sinβ∙sinγ+∅∙cosβ∙sinθ∙cosγ

∅(γ)对γ求导，可得:

∅’(γ)=∅∙sinβ∙cosγ - ∅∙cosβ∙sinθ∙sinγ

令∅’(γ)=0，得：

tanγ=tanβ/sinθ (tanβ=tanγ∙sinθ)

由此看出，侧边上接收光通量最大的光敏电阻（阻值最小）的位置角γ由阳光方位角θ和阳光高度角β一起确定。也即：找出侧边上阻值最小的光敏电阻位置γ，就可以结合已知的阳光方位角θ求出高度角：

β=arctan(tanγ∙sinθ)

由于当θ=0°或者θ=180°时，sinθ=0，上面部分推导公式已不适用，不能根据推导出的公式得到阳光高度角。故当θ=0°或者θ=180°时，需要结合另一条侧边才能完全确定任何角度入射的太阳光方向，推导过程如下：

在另一条侧边角度为γ的位置上，光敏电阻接收到的光通量为：

∅(γ)=∅z∙sinγ+∅x∙cosγ=∅∙sinβ∙sinγ+∅∙cosβ∙cosθ∙cosγ

∅(γ)对γ求导，可得:

∅’(γ) =∅∙sinβ∙cosγ - ∅∙cosβ∙cosθ∙sinγ

令∅’(γ)=0，得：

sinβ∙cosγ= cosβ∙cosθ∙sinγ

当θ=0°，cosθ=1

即：

sinβ∙cosγ= cosβ ∙sinγ

tanγ=tanβ

所以 γ=β或者γ=β+π（舍去）

结合实际可知，当γ=β时，光敏电阻接收光通量最大；当γ=β+π时，光敏电阻接收光通量最小，实际上，由于实际电路板是半圆形电路板，γ>π的位置没有任何意义。

当θ=180°，cosθ=-1

即：

sinβ∙cosγ= -cosβ ∙sinγ

tanγ= -tanβ

所以 γ=π-β或者γ= -β（舍去）

结合实际可知，当γ=π-β时，光敏电阻接收光通量最大；当γ= -β时，光敏电阻接收光通量最小，实际上，由于实际电路板是半圆形电路板，γ<0的位置没有任何意义。

由此看出，该侧边上接收光通量最大的光敏电阻（阻值最小）的位置角γ（θ=0°时）或者π-γ（θ=180°时）即为太阳光高度角β。也即：找出该侧边上阻值最小的光敏电阻的位置γ，就可以确定阳光高度角：

β=γ（θ=0°时）或者β=π-γ（θ=180°时）

本发明中，主处理器协调水质数据采集模块、GPS全球定位模块、无线传输模块、动力控制模块、自动导航模块等各个模块之间的工作，如图8所示。首先，主处理器获取水质数据采集模块、GPS全球定位模块、自动导航模块中的航姿参考模块所采集的数据。然后，主处理器将水质参数、GPS位置信息、方位和姿态信息等作简单处理后打包交给无线传输模块，由无线传输模块将数据发送到远程控制终端。自动导航模式下，主处理器利用GPS定位信息、方位和姿态信息计算出自身所处的位置和方向等信息,与导航路线作对比和计算，生成控制命令。动力控制模块接收并执行控制命令，驱动船只按指定路线行进。

所述水质监测与水面清理船还包括智能避障模块（图9）。将超声波测距技术和微处理器控制技术结合在一起，在船体上安装6个超声波传感器模块，利用微处理器的实时控制和数据处理功能，对超声波信号循环不断地进行发出和采集，通过计算间接得到船体与障碍物之间的距离。处理器测得距离后，自动调用编写好的模糊算法指令。模糊算法的输入是超声波测量的障碍物距离，输出是处理器对步进电机的控制指令，规定电机有前进和旋转两种动作，其中旋转角度精确可调。根据一定控制策略，建立距离输入和动作输出的模糊语言集合和模糊控制规则。主处理器据此控制动力模块，控制船体实现智能避障功能。

Claims (5)

1.水质监测与水面清理船，包括水面清理模块、动力控制模块、水质数据采集模块、主处理器、无线传输模块以及远程控制终端，其特征在于还包括太阳能供电模块、GPS全球定位模块、自动导航模块以及智能避障模块，水质数据采集模块包括前端传感器组、信号调理电路以及模数转换电路；水面清理模块包括船体前部的网状垃圾收容器（3）、绳索收放器（7）、绳索（5）、摄像头和视觉识别系统，绳索收放器（7）控制绳索（5）收放，绳索（5）通过固定环（12）与网状垃圾收容器（3）相连。

2.根据权利要求1所述的智能水质监测与水面清理船，其特征在于太阳能供电模块包括光伏太阳能电池板（2）及自动旋转装置。

3.根据权利要求2所述的智能水质监测与水面清理船，其特征在于自动旋转装置包括从动半齿轮（14）、第一主动齿轮（19）、第一齿轮电机（18）、第一旋转环（16）、第二旋转环（20）、旋转环驱动电机（22）以及第二主动齿轮（23）；从动半齿轮（14）垂直固定在光伏太阳能电池板（2）下方，第一旋转环（16）与第二旋转环（20）共轴，第一旋转环（16）的外层和第二旋转环（20）的外层均固定在船上，从动半齿轮（14）由第一齿轮电机（18）带动，第二旋转环（20）的内层由旋转环驱动电机（22）带动，第二旋转环（20）的内层与垂直支撑支架（15）固定连接，垂直支撑支架（15）的上端与光伏太阳能电池板（2）可转动连接。

4.根据权利要求3所述的智能水质监测与水面清理船，其特征在于太阳能供电模块包括一个半球形太阳光直射方向传感器，该传感器由两块半圆形电路板和一块圆形电路板构成，三块电路板两两相互垂直，各电路板的曲边上密布光敏电阻（24）。

5.根据权利要求1所述的智能水质监测与水面清理船，其特征在于前端传感器组包括温度传感器、湿度传感器、PH传感器、电导率传感器、溶解氧传感器、重金属离子传感器、辐射传感器以及PM2.5传感器。

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