一种基于北斗导航的水质监测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于北斗导航的水质监测系统，包括用于采集水质参数的数据采集船、设置在岸边的数据接收节点以及遥控器；所述数据采集船上带有第一控制模块，及分别与其连接的水质参数采集模块、北斗模块、指南针模块、第一无线模块、桨叶电机驱动模块和显示模块；所述数据接收节点包括第二控制模块，及分别与其连接的第二无线模块和报警装置，所述第二无线模块与第一无线模块之间进行数据无线传输；所述遥控器采用第三无线模块与第一无线模块之间进行控制信号无线传输。本发明采用数据采集船在巡航过程中不断的采集水质参数，并且通过无线模块传送给数据接收节点，数据采集船可在遥控器的设定下，实现自动巡航，成本低廉，自动化水平高。
【专利说明】
一种基于北斗导航的水质监测系统
技术领域
[0001] 本发明涉及水质监测技术，特别涉及一种基于北斗导航的水质监测系统。
【背景技术】
[0002] 近年来，我国已经存在水产养殖智能监控系统，比如天津设施水产养殖在线监测 系统，宁波水产养殖环境智能监控系统，寻山集团水产养殖数字化管理系统等，集水质环境 参数在线采集、智能组网、无线传输、智能处理、预警信息发布、决策支持、远程与自动控制 等功能于一体的水产养殖物联网系统。但是它们都是采用在固定点放置传感器测量水质， 这样难以准确反馈更多区域的水质状况。而且整个系统需要的传感器及其配套的数据采 集、传输电路数量多，花费大。
【发明内容】
[0003] 本发明目的是：提供一种基于北斗导航的水质监测系统，采用一套传感器及其配 套电路采集设定水域内任意点的水质参数，成本低，灵活度高。
[0004] 本发明的技术方案是：
[0005] -种基于北斗导航的水质监测系统，包括用于采集水质参数的数据采集船、设置 在岸边的数据接收节点以及遥控器；
[0006] 所述数据采集船上带有第一控制模块，及分别与其连接的水质参数采集模块、北 斗模块、指南针模块、第一无线模块、桨叶电机驱动模块和显示模块；
[0007]所述数据接收节点包括第二控制模块，及分别与其连接的第二无线模块和报警装 置，所述第二无线模块与第一无线模块之间进行数据无线传输；
[0008] 所述遥控器包括第三控制模块，及分别与其连接的第三无线模块和键盘，所述第 三无线模块与第一无线模块之间进行控制信号无线传输。
[0009] 优选的，所述北斗模块用于获取数据采集船的定位信息，并通过串口发送到第一 控制模块。
[0010] 优选的，所述指南针模块用于获取数据采集船当前的船头方向，并使用I2C协议与 第一控制模块进行通讯。
[0011]优选的，所述遥控器的键盘包括前进、左转、右转、停止、地点加、地点减、设置地点 和自动巡航八个按钮；
[0012] 当用户按下除了自动巡航以外的任意一个按钮时，数据采集船进入手动模式，用 户通过遥控器控制完成船只动作；
[0013] 当需要为自动巡航设置路径时，如需将船只所在的地点设为目的地之一，则先按 下地点加按钮，然后再按下设置地点按钮进行确定，如需设置多个目的地，在船只到达下一 地点时再次按照先按地点加按钮，再按设置地点按钮的方式进行;如需删除当前设置的目 的地，则先按下地点减按钮，然后再按下设置地点按钮进行确定；
[0014]设置完所有的目的地后，按下自动巡航按钮，数据采集船进入自动巡航模式;数据 采集船将不断的接收北斗模块和指南针模块的数据，计算得到目的地点和船头方位的角度 差，此角度差作为程序中PID算法的数据输入，PID算法的输出结果输入到电机驱动模块，进 而在船只运行过程中不断的改变两只桨叶的运转速度，实现数据采集船的船头方位调整， 直至与目的地方位一致，不停地按照在水域中预设好的目的地自动巡航。
[0015] 优选的，数据采集船在巡航过程中不断的采集水质参数，并且通过无线模块传送 给数据接收节点；数据接收节点实时的接收并存储水质数据;数据的发送时间间隔则跟船 的航行速度成正比例关系。
[0016] 优选的，所述数据采集船由电池供电，数据采集船巡航过程中不断的检测电池电 压，发现电压过低时控制船只自动的回到岸边，并向岸上的数据接收节点发送报警信息，通 知用户进行处理。
[0017]本发明的优点是：
[0018] 本发明所提供的基于北斗导航的水质监测系统，采用数据采集船在巡航过程中不 断的采集水质参数，并且通过无线模块传送给数据接收节点，数据接收节点实时的接收并 存储水质数据;数据采集船可在遥控器的设定下，实现自动巡航。整个系统采用网络传输， 成本低廉，自动化水平高。
【附图说明】
[0019] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
[0020] 图1为本发明所述的基于北斗导航的水质监测系统的硬件系统框图；
[0021 ]图2为本发明所述的数据采集船自动巡航路径设置程序流程图；
[0022] 图3为本发明所述的数据采集船自动巡航程序流程图；
【具体实施方式】
[0023] 如图1所示，本发明所揭示的基于北斗导航的水质监测系统，包括用于采集水质参 数的数据采集船、设置在岸边的数据接收节点以及遥控器三部分;所述数据采集船上带有 以STM32单片机为控制器的第一控制模块，及分别与其连接的水质参数采集模块、北斗模 块、指南针模块、第一无线模块、桨叶电机驱动模块和显示模块;所述数据接收节点包括以 STC51单片机为控制器的第二控制模块，及分别与其连接的第二无线模块和报警装置，所述 第二无线模块与第一无线模块之间进行数据无线传输;所述遥控器包括以STC51单片机为 控制器的第三控制模块，及分别与其连接的第三无线模块、键盘以及遥控显示屏，所述第三 无线模块与第一无线模块之间进行控制信号无线传输。所述第一无线模块、第二无线模块 和第三无线模块采用Si4432无线模块。
[0024]具体实施中，所述北斗模块采用UM220-III N双系统GNSS模块，获取数据采集船的 定位信息，并通过串口发送到STM32单片机。模块工作电源电压为2.7~3.3V，功耗较低，小 于120mW。模块支持BD2B1频点，其跟踪灵敏度为-160dBm，捕获灵敏度为-145dBm，定位精度 2.5CEP，满足一般水域对定位精度的要求。
[0025]所述指南针模块采用GY-273三轴电子指南针，获取数据采集船当前的船头方向， 并使用IIC协议与第一控制模块进行通讯。
[0026]所述桨叶电机驱动模块采用BTN7970，该芯片内部兼容TTL电平，故可以和单片机 控制引脚相连，同时具有电流检测，以及过温、过压、欠压、过流和短路保护等诊断功能。该 芯片正常工作电压为8~45V，最大电流高达50A，驱动信号PWM频率1~25kHz。
[0027] 所述遥控器的键盘包括前进、左转、右转、停止、设置地点和自动巡航按钮。数据采 集船共有两种控制模式:手动控制模式和自动巡航模式，模式的设置和船只的控制可以通 过本设计中适配的遥控器完成。图2和图3所示，为数据采集船的自动巡航路径设置和自动 巡航工作程序流程图，具体如下。
[0028] 当用户按下除了自动巡航以外的任意一个按钮时，数据采集船进入手动模式，用 户通过遥控器控制完成船只动作；如需将船只所在的地点设为目的地之一，则先按下地点 加按钮，然后再按下设置地点按钮进行确定，如需设置多个目的地，在船只到达下一地点时 再次按照先按地点加按钮，再按设置地点按钮的方式进行。
[0029] 设置完所有的目的地后，按下自动巡航按钮，数据采集船进入自动巡航模式;数据 采集船将不断的接收北斗模块和指南针模块的数据，计算得到目的地点和船头方位的角度 差，此角度差作为程序中PID算法的数据输入，PID算法的输出结果输入到电机驱动模块，进 而在船只运行过程中不断的改变两只桨叶的运转速度，实现数据采集船的船头方位调整， 直至与目的地方位一致，不停地按照在水域中预设好的目的地自动巡航。
[0030] 具体的，数据采集船程序首先对系统的显示屏、指南针、北斗和无线模块进行初始 化，然后接收无线数据包，接着程序判断数据包的指令类型，当为遥控发送的手动控制信息 时，程序根据控制信息操作船的前进、左转、右转和停止。当为设置地点时，程序将把当前地 点的经炜度记录进数组，以供自动巡航时使用。当为自动巡航命令时，程序取出第一个地点 作为目的地，并读取当前船所在的位置和船头方向，计算出船头方向和地点方向的角度偏 差，船的自动导航需要在航行中不断的调整船的行驶方向和目的地点方向一致。所以船的 行驶方向和目的地点方向获取与确定是本设计的重点与难点。
[0031] 船的行驶方向的获取采用GY273模块，该模块输出值的范围为0-360°，代表一周的 角度。船指向正北方时为〇°，顺时针增加，用β表示。船当前地点的获取采用北斗定位模块， 该模块定位成功后输出数据格式如下所示：
[0032] $GPGLL,3158.523389,Ν,
[0033] 12054.576636,Ε,
[0034] 235947.400,V,
[0035] Ν*47。
[0036] 3158 · 523389可以转换为炜度，等于31+58 · 523389/60，Ν表示北炜。12054 · 576636 可以转换为经度，等于120+54.576636/60，Ε表示东经。为了方便程序处理，北炜范围为90-180度，南炜范围为0-90度，东经范围0-180度，西经范围为180-360度。目的地方角向由船所 在地到目的地的直线与正北方向的夹角Θ表示，范围0-360°。
[0037] 船的所在地的经度和炜度表示为（s_j，s_w)，目的地经度和炜度表示为(d_j，d_ w) 〇
[0038] 为了船能够正确并且以最近的路径航行，必须求出最短路径方向的夹角。
[0039] 因为地球为球体，所以下面分两种情况进行分析：
[0040] 1 ·最短路径经过0度经线，即| s_j-d_j |〈 = 180
[0041 ] 2 ·最短路径不经过0度经线，即| s_j-d_j | >180
[0042] 为了求出夹角，需要使用勾股定理，因为地球上两点距离可以 表示为
，所以角度Θ可以表示为
L0043J 角度Θ与邱勺差值用α表示。
[0044] 现在讨论第一种情况，
[0045] 1 · 1 d_w>s_w:当 d_ j〈 = s_ j，α = 360-Θ。当 d_ j>s_ j，α = Θ。
[0046] 1·2d_w〈s_w:当d_j〈 = s_j，α = 180+Θ。当d_j>s_j，α = 180-Θ。
[0047] 1 · 3d_w = s_w:当d_j<s_j，α = 270。当d_j> = s_j，α = 90。
[0048] 现在讨论第二种情况，
[0049] 2 · ld_w>s_w:当s_j〈180，α = 360_θ。当s_j> = 180，α = Θ。
[0050] 2·2d_w〈s_w:当s_j〈180，α = 180+Θ。当s_j> = 180，α = 180-Θ。
[0051 ] 2.3(1_￥ = 8_￥:当8_」〈180,〇 = 90。当8_」> =180,〇 = 270。
[0052] 通过以上运算得出了最终最短路径的方向角α，接下来将使用α和β求出船调整船 头方向的最佳角度ε。
[0053] 设 temp = a-0。
[0054] 如果 | temp |〈 = 180，当temp〈0时，ε = | temp | *(_1)。当temp> = 0时，ε = | temp |。
[0055] 如果 | temp | >180，当temp〈0时，ε =360- | temp |。当temp> = 0时，ε = (360- | temp )*-1〇
[0056] ε的范围在-180到180之间，最后将ε传入PID算法程序进彳丁运算。
[0057]经过PID算法的计算得出两只桨叶所需要的转动速度，进而控制船不断的调整方 位。当到达第一个设定的地点后，设定的第二个地点将作为目的地，各个设定的地点循环作 为目的地，船将不停地根据此目的地航行，在航行的过程中不断地采集水中各个地点的水 质情况，并且通过无线模块传送给数据接收节点；数据接收节点实时的接收并存储水质数 据;数据的发送时间间隔则跟船的航行速度成正比例关系，从而可以了解设定水域的情况。
[0058] 所述数据采集船由电池供电，数据采集船巡航过程中不断的检测电池电压，发现 电压过低时控制船只自动的回到岸边，并向岸上的数据接收节点发送报警信息，通知用户 进行处理。
[0059] 上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人 能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主 要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于北斗导航的水质监测系统，其特征在于:包括用于采集水质参数的数据采 集船、设置在岸边的数据接收节点以及遥控器； 所述数据采集船上带有第一控制模块，及分别与其连接的水质参数采集模块、北斗模 块、指南针模块、第一无线模块、桨叶电机驱动模块和显示模块； 所述数据接收节点包括第二控制模块，及分别与其连接的第二无线模块和报警装置， 所述第二无线模块与第一无线模块之间进行数据无线传输； 所述遥控器包括第三控制模块，及分别与其连接的第三无线模块和键盘，所述第三无 线模块与第一无线模块之间进行控制信号无线传输。2. 根据权利要求1所述的基于北斗导航的水质监测系统，其特征在于:所述北斗模块用 于获取数据采集船的定位信息，并通过串口发送到第一控制模块。3. 根据权利要求1所述的基于北斗导航的水质监测系统，其特征在于:所述指南针模块 用于获取数据采集船当前的船头方向，并使用I 2C协议与第一控制模块进行通讯。4. 根据权利要求1所述的基于北斗导航的水质监测系统，其特征在于:所述遥控器的键 盘包括前进、左转、右转、停止、地点加、地点减、设置地点和自动巡航八个按钮； 当用户按下除了自动巡航以外的任意一个按钮时，数据采集船进入手动模式，用户通 过遥控器控制完成船只动作； 当需要为自动巡航设置路径时，如需将船只所在的地点设为目的地之一，则先按下地 点加按钮，然后再按下设置地点按钮进行确定，如需设置多个目的地，在船只到达下一地点 时再次按照先按地点加按钮，再按设置地点按钮的方式进行;如需删除当前设置的目的地， 则先按下地点减按钮，然后再按下设置地点按钮进行确定； 设置完所有的目的地后，按下自动巡航按钮，数据采集船进入自动巡航模式;数据采集 船将不断的接收北斗模块和指南针模块的数据，计算得到目的地点和船头方位的角度差， 此角度差作为程序中PID算法的数据输入，PID算法的输出结果输入到电机驱动模块，进而 在船只运行过程中不断的改变两只桨叶的运转速度，实现数据采集船的船头方位调整，直 至与目的地方位一致，不停地按照在水域中预设好的目的地自动巡航。5. 根据权利要求4所述的基于北斗导航的水质监测系统，其特征在于:数据采集船在巡 航过程中不断的采集水质参数，并且通过无线模块传送给数据接收节点；数据接收节点实 时的接收并存储水质数据;数据的发送时间间隔则跟船的航行速度成正比例关系。6. 根据权利要求5所述的基于北斗导航的水质监测系统，其特征在于:所述数据采集船 由电池供电，数据采集船巡航过程中不断的检测电池电压，发现电压过低时控制船只自动 的回到岸边，并向岸上的数据接收节点发送报警信息，通知用户进行处理。
【文档编号】G01N33/18GK105974075SQ201610323433
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】施佺, 霍中兴, 孙玲, 黄新明, 付康为, 张晓峰, 郑万健, 刘宪瑞
【申请人】南通大学