一种水面漂浮物移动监测节点装置的制作方法

本发明涉及水环境监测技术领域，具体涉及一种水面漂浮物移动监测节点装置。

背景技术：

随着工业化、城镇化以及农业化建设的发展，水污染已经严重破坏生态环境，直接威胁人类生存和发展，水面漂浮物也成为对水污染的源头之一，所以水面漂浮物的视觉监控成为了当前的研究热点。相关技术中，主要采用建立多个固定水质监测点或监测人员驾驶大型监测船，携带多种监测设备，到现场进行测量或采集水样到实验室做进一步分析。

但是，建立多个固定水质监测点可固定监测部分水域水质，不可全覆盖监测水面；监测人员驾驶大型监测船踩点监测的劳动强度大。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明的实施例提供了一种可全面覆盖监测水域并实现自动监测的水面漂浮物移动监测节点装置。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种水面漂浮物移动监测节点装置，包括视频浮标节点装置和陆基控制系统，所述视频浮标节点装置与所述陆基控制系统采用无线通信连接；所述视频浮标节点装置包括图像采集单元、图像处理单元、核心控制单元、无线通信单元、定位与导航单元、运动控制单元、电源单元和扩展接口部分；所述图像采集单元、图像处理单元、无线通信单元、定位与导航单元、运动控制单元、扩展接口部分均分别与所述核心控制单元连接；所述图像采集单元采集监测水域图像视频并将所述图像视频传送至所述图像处理单元；所述图像处理单元接收所述图像视频进行处理和分析得到漂浮物目标数据，并漂浮物目标数据将传送至所述核心控制单元；所述定位与导航单元获取视频浮标节点装置的漂浮姿态与位置数据，并将漂浮姿态与位置数据传送至所述核心控制单元；所述运动控制单元控制所述视频浮标节点装置的移动；所述核心控制单元分别对所述图像采集单元发出图像视频采集调整指令、运动控制单元发出移动指令，并将其接收的信息经所述无线通信单元传送至所述陆基控制系统；所述电源单元分别为所述图像处理单元、核心控制单元和运动控制单元供电。

进一步地，所述定位与导航单元包括定位模块与惯性导航模块；所述定位模块对所述视频浮标节点装置进行定位；所述惯性导航模块通过传感器获取所述视频浮标节点的漂浮姿态和绝对朝向。

进一步地，所述陆基控制系统由接入因特网的pc上位机软件组成。

与相关技术比较，本发明实施例的有益效果是，一种水面漂浮物移动监测节点装置，通过设置多个视频浮标节点装置可形成大规模的监测网点，各视频浮标节点装置间可通过无线通信系统进行数据信息交互；通过图像采集单元采集图像视频信息，图像视频信息经图像处理单元处理后得到漂浮物目标数据，定位与导航单元获取视频浮标节点装置的漂浮状态数据，运动控制单元控制视频浮标节点装置的移动；所述核心控制单元经对漂浮物目标、漂浮状态数据的分析自动发出调整图像采集单元采集信息和运动控制单元运动方向，实现自动监测，极大地降低了劳动强度；且所述核心控制单元将其接收的信息传送至所述陆基控制系统，可人工在所述陆基控制系统上发出指令传送至所述视频浮标节点装置。

附图说明

图1是本发明实施例的示意图；

图2是本发明实施例开发板连接示意图；

图3是本发明实施例图像采集单元与所述图像处理单元连接电路图；

图4是本发明实施例sim808模块电路图；

图5是本发明实施例三极管q1电路图；

图6是本发明实施例和三极管q2电路；

图7是本发明实施例zigbee模块电路图；

图8是本发明实施例定位模块电路图；

图9是本发明实施例电源单元的电源分配示意图；

图10是本发明实施例电源单元5v直流电压输出电路连接图；

图11是本发明实施例电源单元3.3v直流电压输出电路连接图。

其中，视频浮标节点装置1、陆基控制系统2、图像采集单元11、摄像头模块111、图像处理单元12、开发板121、microsd卡122、核心控制单元13、无线通信单元14、gprs模块141、zigbee模块142、红色指示灯143、绿色指示灯144、第14引脚145、第15引脚146、p02引脚147、p03引脚148、定位与导航单元15、定位模块151、惯性导航模块152、第20号引脚153、第21号引脚154、运动控制单元16、电源单元17、太阳能电池171、充放电控制器172、12v锂电池组173、out输出接口174、dd3p3输出接口175、扩展接口部分18。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

参考附图1，本发明的实施例提供了一种水面漂浮物移动监测节点装置，包括视频浮标节点装置1和陆基控制系统2，所述视频浮标节点装置1与所述陆基控制2系统采用无线通信连接；所述视频浮标节点装置1包括图像采集单元11、图像处理单元12、核心控制单元13、无线通信单元14、定位与导航单元15、运动控制单元16、电源单元17和扩展接口部分18；所述图像采集单元11、图像处理单元12、无线通信单元14、定位与导航单元15、运动控制单元16、扩展接口部分18均分别与所述核心控制单元13连接；所述图像采集单元11采集监测水域图像视频并将所述图像视频传送至所述图像处理单元13；所述图像处理单元13接收所述图像视频进行处理和分析得到漂浮物目标数据，并漂浮物目标数据将传送至所述核心控制单元13；所述定位与导航单元15获取视频浮标节点装置1的漂浮姿态与位置数据，并将漂浮姿态与位置数据传送至所述核心控制单元13；所述运动控制单元16控制所述视频浮标节点装置1的移动；所述核心控制单元13分别对所述图像采集单元11发出图像视频采集调整指令、运动控制单元16发出移动指令，并将其接收的信息经所述无线通信单元14传送至所述陆基控制系统2；所述电源单元17分别为所述图像处理单元11、核心控制单元13和运动控制单元16供电。

所述核心控制单元13经对漂浮物目标、漂浮状态数据的分析自动发出图像采集单元11调整采集信息、运动控制单元16改变运动方向的指令，实现水面漂浮物自动监测，极大地降低了劳动强度，且提高了安全性；所述核心控制单元13将其接收的信息传送至所述陆基控制系统2，人工可在所述陆基控制系统2上发出指令传送至所述视频浮标节点装置1；不同水域设置的视频浮标节点装置1间可通过无线通信系统进行数据信息交互，通过设置多个视频浮标节点装置1可形成大规模的监测网点。

优选地，所述核心控制单元13的微控制单元(mcu)选用stm32f103zet6(以下简称stm32)微控制器实现对视频浮标节点装置1的控制。所述stm32微控制器使用32位高性能的armcortex-m3精简指令集内核，工作频率为72mhz，内置高速存储器(高达512k字节的flash和64k字节的sram)，具有丰富的i/o端口(多达112个)和apb总线外设。

所述stm32微控制器的接口uart2、uart4、uart5分别与所述定位与导航单元15、图像处理单元12和无线通信单元14连接。

优选地，参照附图2、3，所述图像采集单元11采用ov5647csi接口的摄像头模块111采集视频图像，即采集水面的漂浮垃圾(泡沫、熟料瓶等)；所述摄像头模块111在拍摄活动状态下的功耗电流为140ma，在待机状态下待机电流仅为20μa，能耗极低。

所述图像处理单元12选用arm架构的树莓派3(raspberrypi3)的开发板121，对采集的图像视频处理得到漂浮污染物目标；所述摄像头模块111通过csi排线与所述开发板121连接，其接口电路简单；所述开发板121与所述电源单元17连接，并外接microsd卡122。所述开发板121通过所述stm32微控制器的接口uart4与所述核心控制单元13连接。

优选地，所述无线通信单元14包括gprs模块141和zigbee模块142，所述gprs模块141采用sim808模块通过所述stm32微控制器的接口uart5与所述核心控制单元13连接。

参照附图4、5、6所述sim808模块采用了两s9013三极管电平转换电路，分别为三极管q1电路和三极管q2电路，且在sim808模块电路中增加了两个状态led指示灯红色指示灯143和绿色指示灯144，来指示sim808模块的通信状态，实现gprs远程通信。

所述sim808模块的第14引脚145的输出端与所述三极管q1电路的47kω和4.7kω的电阻相连，并输入npn型三极管q1的基极，三极管q1的发射极再与第14引脚相连接，三极管q1的集电极分别与所述stm32微控制器的接口uart5和另一4.7kω电阻的一端相连，所述另一4.7kω电阻的另一端连接所述电源单元17。

所述sim808模块的第15引脚146的输出端与所述三极管q2电路的47kω和4.7kω的电阻相连，并输入npn型三极管q2的基极，所述三极管q2的集电极再与所述第14引脚145相连接，三极管q2的发射极分别与所述stm32微控制器的接口uart5和另一4.7kω电阻的一端相连，所述另一4.7kω电阻的另一端连接所述电源单元17。

参照附图7，所述zigbee模块142与所述核心控制单元13连接，采用搭载zstack协议栈的cc2530单芯片形成无线传感器的监测网络，其功耗更低，稳定性更高，进一步增强通信的可靠性和稳定性。

所述zigbee模块142的p02引脚147、p03引脚148分别与所述核心控制单元13连接。

优选地，所述定位与导航单元15包括定位模块151与惯性导航模块152；所述定位模块151对所述视频浮标节点装置1进行定位；所述惯性导航模块152通过传感器获取所述视频浮标节点装置1的漂浮姿态和绝对朝向数据。

参照附图8，所述定位模块151采用mtk3333芯片的bd-126北斗定位模块，其第20号引脚153、第21号引脚154通过所述stm32微控制器的uart2接口与所述核心控制单元13。实现卫星定位功能，并将定位信息传输至所述核心控制单元13。

所述惯性导航模块152包括陀螺仪、mpu6050的加速度传感器和磁阻传感器，并分别通过i²c协议与所述核心控制单元13连接。其中，陀螺仪和加速度传感器用于获取视频浮标节点装置1的漂浮姿态，即所述陀螺仪监测得到所述视频浮标节点装置1的偏转、倾斜时的状态数据，所述加速度传感器监测得到所述视频浮标节点装置1的加速或者减速的状态数据，并将监测的状态数据信息传送至所述核心控制单元13；所述磁阻传感器采用磁场传感器芯片hmc5883，利用霍尼韦尔各向异性磁阻(amr)技术线性高精度与轴向高灵敏度的特点，获取所述视频浮标节点装置1的绝对朝向信息，并将监测的绝对朝向信息传送至所述核心控制单元13；所述核心控制单元13处理得到视频浮标节点装置1的漂浮姿态的欧拉角(pitch、roll、yaw)；并根据采集的漂浮垃圾数据调整视频浮标节点装置1的位置和朝向，发送相关指令至所述运动控制单元16，所述运动控制单元16控制所述视频浮标节点装置1的移动和方向。

优选地，所述运动控制单元16采用舵机和驱动芯片为l298n的直流电机实现对所述视频浮标节点装置1的移动控制；所述核心控制单元13的stm32微控制器控制所述直流电机和舵机。

所述运动控制单元16由于所述核心控制单元13的stm32微控制器的芯片内部集成的定时器外设模块具有输出比较功能，其部分io管脚输出占空比和频率灵活可变的pwm波，因此，所述运动控制单元16的舵机驱动电路得到了极大程度地简化；本发明实施例中的直流电机能效高，应用广泛，其驱动电路采用最为常用的驱动芯片l298n电路，对控制信号进行了光耦隔离，避免了电机转动过程中产生的电噪声干扰，从而确保所述运动控制单元16控制电路的稳定性。

优选地，参照附图9，所述电源单元17包括太阳能电池171、充放电控制器172和12v锂电池组173，所述电源单元17采用太阳能电池171发电，将电能传送至充放电控制器172中，并输送电能至12v锂电池组173存储；所述充放电控制器172为图像处理单元11、核心控制单元1、所述运动控制单元16的舵机供电，所述12v锂电池组173为所述运动控制单元16的直流电机供电。

参照附图10、11，所述充放电控制器172采用稳压芯片lm2596的5v稳压电路和稳压芯片ams1117-3.3的3.3v稳压电路同时进行供电。所述5v稳压电路的out输出接口174与所述开发板121、所述运动控制单元16的舵机连接，为所述图像处理单元11、和运动控制单元16的舵机供电。所述3.3v稳压电路的vdd3p3输出接口175与所述stm32微控制器连接，为所述核心控制单元13供电。

优选地，所述扩展接口部分18为预留接口，用于外接ph值、温度等参数的传感器，获取更多的监测水域参数信息。

优选地，所述陆基控制系统2由接入因特网的pc上位机软件组成。陆基控制系统2接收所述核心控制单元13传送的各项数据。用户可以通过陆基控制系统2的软件控制所述视频浮标节点装置1的运动，对移动的视频浮标节点装置1的监测位置进行部署；对特定漂浮物目标进行自动跟踪，以漂浮物目标在摄像头视野中的相对位置与运动趋势为依据，自动调整摄像头的方位，从而跟踪低速运动的漂浮物目标。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。