专利名称：无线遥控的自动采样监测船的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无线遥控的自动采样监测船，用于环保监查采样或者湿地等航行船不便达到的浅水区的采样。
背景技术：
目前环保监查部门等为掌握所辖水域的水质情况，通常是对其进行定期或不定期的采样检测分析。以往的采样方式，是通过人工在该水域不同位点进行采样，这种传统的采样方式效率低，特别是对中、重度污染水体，或者湿地、浅水区或复杂危险水域，采样时还存在危及采样人员身体健康或生命安全的危险。每次监测只靠肉眼和参照物定位，准确度很差。为解决上述问题，近年来出现了一种无人控制的采样方式，如申请号为 200710158240. 4的中国专利公开了一种无人控制水上环保监查采样船，其船体内控制装置的结构简单，无法完成在复杂水域中的采样工作。申请号为201010168446. 7的中国专利公开了一种全自动地表水水质采样机器人，其包括船体、驱动装置、控制装置和采样装置，控制装置包括导航装置、中央处理单元和通讯模块；采样装置包括气象和水质监测传感器、水下传感器和采样管收放器；导航装置包括GPS卫星定位传感器、电子罗盘和加速度传感器； 导航装置与中央处理器和通讯模块电连接，通讯模块通过无线信号与基站连接。采样上述全自动地表水质采样机器人体积小、重量轻，提高了采样地点和采样深度的准确性，但基站人员无法实时看到采样机器人所处的环境，当遇到紧急情况时，对采样机器人发出的指令缺少了一定的依据性，而且限制了机器人的应用范围。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够实时显示无人监控船位置坐标和周围图像的无线遥控的自动采样监测船，用于水质采样、水域表面监测及目标物搜索等领域。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下
一种无线遥控的自动采样监测船，包括船体、设置在所述船体上的执行子系统和设置在基站与所述执行子系统无线通讯的主控子系统；
所述主控子系统包括装有MAP INFO地图系统的计算机、第一单片机第一GPRS模块，所述第一 GPRS模块与第一单片机双向连接，所述第一单片机的相应输出端接计算机主机的相应输入端；
所述执行子系统包括船体第二单片机、水样采样模块、导航模块、超声波测距模块、驱动模块、摄像模块和第二 GPRS模块，所述第二单片机的相应输出端分别接水样采样模块和驱动模块的输入端；所述导航模块的输出端接所述第二单片机的相应输入端；所述第二单片机分别与超声波测距模块、第二 GPRS模块双向连接；所述摄像模块包括水下摄像头和由云台控制的水上摄像头构成，所述第二单片机的相应输出端接云台的输入端，所述水下摄像头和水上摄像头分别与第二单片机双向连接。
执行子系统中所述水质采集模块由蠕动泵和蠕动泵控制模块构成，所述第二单片机的相应输出端接蠕动泵控制模块的输入端，所述蠕动泵控制模块的输出端接蠕动泵的输入端。执行子系统中所述超声波测距模块由超声波发射单元和超声波接收单元构成，所述第二单片机的相应输出端接超声波发射单元的输入端，所述超声波接收单元接第二单片机的相应输入端。所述超声波测距模块至少设有两个，分别设置所述船体的不同部位；所述导航模块采用GPS、GL0NESS、伽利略或北斗。所述驱动模块包括直流电机、直流电机驱动模块和启停转向控制模块，所述第二单片机的相应输出端分别接直流电机驱动模块和启停转向控制模块的输入端，所述直流电机驱动模块和启停转向控制模块的输出端分别接直流电机的相应输入端。所述执行子系统还包括电子罗盘，所述电子罗盘的输出端接第二单片机的相应输入端。所述执行子系统还包括测速模块和测速传感器，所述测速传感器的输出端接测速模块的输入端，所述测速模块的输出端接第二单片机的相应输入端。所述执行子系统还包括水温测试传感器、PH测试传感器、溶解氧测试传感器、水浊度测试传感器和水质电导率传感器，所述传感器的输出端分别接第二单片机的相应输入端。所述第一单片机和第二单片机的型号均为TMS320VC33，所述启停转向控制模块的型号为TB6612FNG，所述蠕动泵控制模块的型号为L298N，所述超声波发射单元的型号为 TCT40-2F，所述超声波接收单元的型号为TCT40-2S，所述电子罗盘的型号为MCA201。所述主控子系统负责接收执行子系统传输的图像信息、遥控船的位置信息，并发送相关的控制命令。所述执行子系统根据主控子系统发出的航线坐标自动进行航行控制、 水质取样、现场摄像、避障、航行速度控制和航线修正控制，并能够进行图像传输和航道宽度水深测量。采用上述技术方案产生的有益效果是(1)采用本发明能够按国家水质采样的相关标准自动完成江河、湖泊、水库、湿地、水塘、复杂河道相关规定水质采样点的水质采样工作；(2)自动完成相关污水、废水排放点视频监控工作，相关监控点实时视频实时传输到监控中心，图像进行实时播放同时进行保存，而且采样监测船的位置坐标在地图管理系统中进行实时显示；(3)能够完成相关危险作业，如在危险水域进行目标物的搜索、搜救工作； (4)能够在复杂航道进行侦查及测量；(5)实时对水样采样点的水温、PH值、溶解氧、浊度、 电导率进行测量，实时将测量数据传输到监控中心同时进行本地保存；(6)通过水下摄像头可以完成水下地形的观测、完成水下重要物体的搜索为打捞提供准确的依据、通过水下摄像头可以实时观察水中水蚤的数量、移动速度、游动高度、环游频率通过对水蚤图像的分析确定水质毒性的强弱。
图1是本发明的原理框图2是本发明实施例的硬件连接示意图； 图3是本发明的工作流程图；图4是本发明的超声波测距模块的避障流程图。
具体实施例方式参见图1和图2，本实施例一种无线遥控的自动采样监测船，包括船体、设置在所述船体上的执行子系统和设置在基站与所述执行子系统无线通讯的主控子系统；
所述主控子系统包括装有MAP INFO地图系统的计算机、第一单片机第一 GPRS模块，所述第一 GPRS模块与第一单片机双向连接，所述第一单片机的相应输出端接计算机主机的相应输入端；
所述执行子系统包括船体第二单片机、水样采样模块、导航模块、超声波测距模块、驱动模块、摄像模块和第二 GPRS模块，所述第二单片机的相应输出端分别接水样采样模块和驱动模块的输入端；所述导航模块的输出端接所述第二单片机的相应输入端；所述第二单片机分别与超声波测距模块、第二 GPRS模块双向连接；所述摄像模块包括水下摄像头和由云台控制的水上摄像头构成，所述第二单片机的相应输出端接云台的输入端，所述水下摄像头和水上摄像头分别与第二单片机双向连接。所述第一单片机和第二单片机的型号均为 TMS320VC33。水上摄像头负责现场相关水域、相关水质采样点、相关废水排放点图像摄录； 云台负责摄像头360°旋转，完成现场视频监控以及海水搜索摄像。执行子系统中所述水质采集模块由蠕动泵和蠕动泵控制模块构成，所述第二单片机的相应输出端接蠕动泵控制模块的输入端，所述蠕动泵控制模块的输出端接蠕动泵的输入端。所述蠕动泵控制模块的型号为L298N。蠕动泵负责水质样品的采样；蠕动泵控制模块负责蠕动泵的启停和水质采样样品量的控制。所述超声波测距模块由超声波发射单元和超声波接收单元构成，所述第二单片机的相应输出端接超声波发射单元的输入端，所述超声波接收单元接第二单片机的相应输入端。本实施例中，所述超声波测距模块设有5个，分别设置所述船体的前、后、左、右和底部， 用于检测船体前后左右障碍物以及相关水域水深的检测，为船体在航行过程中的自动避障提供准确的障碍物距离的数据。本实施例中所述超声波发射单元的型号为TCT40-2F，所述超声波接收单元的型号为TCT40-2S。本实施例中所述导航模块为GPS模块，所述导航模块还可以是GL0NESS、伽利略或北斗。本实施例还包括电子罗盘、测速模块和测速传感器；所述电子罗盘的输出端接第二单片机的相应输入端，电子罗盘实时监测遥控船行驶的方位角，为遥控船的自动航行提供方向数据。所述测速传感器的输出端接测速模块的输入端，所述测速模块的输出端接第二单片机的相应输入端；测速传感器实时监测遥控船驱动电机的转速，为自动航行提供航行距离的数据。电子罗盘和测速模块为GPS导航定位的补充。所述电子罗盘的型号为 MCA201。所述驱动模块包括直流电机、直流电机驱动模块和启停转向控制模块，所述第二单片机的相应输出端分别接直流电机驱动模块和启停转向控制模块的输入端，所述直流电机驱动模块和启停转向控制模块的输出端分别接直流电机的相应输入端。所述启停转向控制模块的型号为TB6612FNG。直流电机由电源模块供电，所述电源模块包括48V锂离子电池和电压变换模块，所述电压变化模块将48V电压变换为12V、5V、3. 3V，分别为第二单片机、超声波测距模块、电子罗盘、测速模块、GPRS模块、蠕动泵、摄像头、云台控制部分提供电压， 而且还提供直流隔离功能。采用本发明进行水质采样和监测的工作过程如图3所示 1)首先将船体放置在待测水域，初始化GPS和GPRS。2)主控子系统通过第一 GPRS模块与第二 GPRS通讯，从而控制船体启动，所述船体按照设计路线行驶。3)所述第二单片机判断是否有外部中断信号
当有外部中断信号时，执行子系统执行相应的中断处理程序，相应结果上传至主控子系统；主控子系统向执行子系统发出进一步的控制命令；至外部中断信号解除；
当没有外部中断信号时，船体继续航行至设定的采样点，停止行驶，进行水样采集，在船体行驶过程中或停泊时，摄像头可以根据主控子系统的指令随时进行拍摄；执行子系统将采样的地点、采样数据和拍摄图像数据传至主控子系统；
4)判断采样点是否采集完毕，当采集完毕时，结束，船体返航靠岸；当未采集完毕时，进入步骤3)。本实施例中船体的体积小，质量轻，适合在浅水或湿地中行驶，通过超声波测距和摄像模块可确保船体在复杂水域中的行驶。同时水下摄像头可以完成水下地形的观测、完成水下重要物体的搜索，为打捞提供准确的依据；而且通过水下摄像头可以实时观察水中水蚤的数量、移动速度、游动高度、环游频率通过对水蚤图像的分析确定水质毒性的强弱， 拓展了本发明的应用领域。
权利要求
1.一种无线遥控的自动采样监测船，其特征在于包括船体、设置在所述船体上的执行子系统和设置在基站与所述执行子系统无线通讯的主控子系统；所述主控子系统包括装有MAP INFO地图系统的计算机、第一单片机第一GPRS模块，所述第一 GPRS模块与第一单片机双向连接，所述第一单片机的相应输出端接计算机主机的相应输入端；所述执行子系统包括船体第二单片机、水样采样模块、导航模块、超声波测距模块、驱动模块、摄像模块和第二 GPRS模块，所述第二单片机的相应输出端分别接水样采样模块和驱动模块的输入端；所述导航模块的输出端接所述第二单片机的相应输入端；所述第二单片机分别与超声波测距模块、第二 GPRS模块双向连接；所述摄像模块包括水下摄像头和由云台控制的水上摄像头构成，所述第二单片机的相应输出端接云台的输入端，所述水下摄像头和水上摄像头分别与第二单片机双向连接。
2.根据权利要求1所述的无线遥控的自动采样监测船，其特征在于执行子系统中所述水质采集模块由蠕动泵和蠕动泵控制模块构成，所述第二单片机的相应输出端接蠕动泵控制模块的输入端，所述蠕动泵控制模块的输出端接蠕动泵的输入端。
3.根据权利要求2所述的无线遥控的自动采样监测船，其特征在于执行子系统中所述超声波测距模块由超声波发射单元和超声波接收单元构成，所述第二单片机的相应输出端接超声波发射单元的输入端，所述超声波接收单元接第二单片机的相应输入端。
4.根据权利要求3所述的无线遥控的自动采样监测船，其特征在于至少设有两个超声波测距模块，分别设置所述船体的不同部位；所述导航模块采用GPS、GL0NESS、伽利略或北斗。
5.根据权利要求3所述的无线遥控的自动采样监测船，其特征在于所述驱动模块包括直流电机、直流电机驱动模块和启停转向控制模块，所述第二单片机的相应输出端分别接直流电机驱动模块和启停转向控制模块的输入端，所述直流电机驱动模块和启停转向控制模块的输出端分别接直流电机的相应输入端。
6.根据权利要求5所述的无线遥控的自动采样监测船，其特征在于所述执行子系统还包括电子罗盘，所述电子罗盘的输出端接第二单片机的相应输入端。
7.根据权利要求6所述的无线遥控的自动采样监测船，其特征在于所述执行子系统还包括测速模块和测速传感器，所述测速传感器的输出端接测速模块的输入端，所述测速模块的输出端接第二单片机的相应输入端。
8.根据权利要求7所述的无线遥控的自动采样监测船，其特征在于所述执行子系统还包括水温测试传感器、PH测试传感器、溶解氧测试传感器、水浊度测试传感器和水质电导率传感器，所述传感器的输出端分别接第二单片机的相应输入端。
9.根据权利要求6所述的无线遥控的自动采样监测船，其特征在于所述第一单片机和第二单片机的型号均为TMS320VC33，所述启停转向控制模块的型号为TB6612FNG，所述蠕动泵控制模块的型号为L298N，所述超声波发射单元的型号为TCT40-2F，所述超声波接收单元的型号为TCT40-2S，所述电子罗盘的型号为MCA201。
全文摘要
本发明公开了一种无线遥控的自动采样监测船，其包括船体、设置在所述船体上的执行子系统和设置在基站与所述执行子系统无线通讯的主控子系统；所述主控子系统包括装有MAPINFO地图系统的计算机、第一单片机和GPRS模块；所述执行子系统包括船体第二单片机、水样采样模块、导航模块、超声波测距模块、驱动模块、摄像模块和GPRS模块，所述摄像模块包括水上摄像头和水下摄像头。采用本发明自动完成相关污水、废水排放点的水样采集及视频监控工作。
文档编号G01N1/10GK102306025SQ20111017307
公开日2012年1月4日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者夏冰, 夏建平, 杜海桥 申请人:石家庄环祥科技有限公司