本发明属于水质监测技术领域，涉及一种水质监测预警系统及监测预警方法，特别是涉及一种静态值守的水质监测节点与动态巡检的水下机器人相结合的水质监测预警系统及监测预警方法。
背景技术：
近些年来，随着世界人口数量的不断增长，人们用水的需求也越来越多，然而，受人类活动影响，水资源受污染情况却越发严重，因此，对湖泊、水库等大型水域水质的监测就显得尤为重要。目前，我国的水质监测主要以人工采样与实验室分析为主，同时也有一部分采用无人船和自动化水质监测站进行辅助。其中，人工采样与实验室分析的监测方式，实施周期长、人物力成本高，无法适用于复杂的水域环境与突发情况的需要；其次，自动化水质监测站在满足实时监测的基础上却有着建造成本高、位置固定等缺点。而随着传感器与嵌入式的发展，越来越多的水质监测传感器被用于水下机器人或是监测节点上，水下机器人具有布置灵活、成本经济等特点，可以实现水质的动态检测，但面对大面积水域时，动力不足、难以实现大范围的监测的缺陷就暴露了；而静态的水质监测节点具有功耗低、成本低，能够应对在复杂环境长时间工作的需要，但局限于灵活性差，只能对固定地点的水质状况进行采样。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服现有的单一的水质监测节点作业在大型水域水质监测中的灵活性差、针对性不足以及单一水下机器人通信难、动力不足、监测范围小等问题，提出一种基于静态值守与动态巡检水质监测预警系统，以实现对大范围、深水域的水质检测以及灵活调整对定点、重点水域进行巡检。
本发明的技术方案是：一种基于静态值守与动态巡检水质监测预警系统，其特征在于：所述预警系统由云端融合水质监测预警平台、动态巡检水下机器人以及多个静态值守低功耗水质监测节点组成；
每个所述静态值守低功耗水质监测节点由仪器外壳、水质监测节点主控制系统、北斗卫星定位系统、水质监测节点通信系统、太阳能板充电管理系统、电源管理系统、声纳系统、蓄电池和水质监测装置组成；所述水质监测节点主控制系统经过调理电路与水质检测装置相连，实现对水质信息进行采样并存储；所述主控制系统通过串口与所述水质监测节点通信节点系统、北斗卫星定位系统相连，实现与所述云端融合水质监测平台的数据通信以及与卫星通信实现定位与校时、获取时间戳；所述主控制系统利用所述声纳系统探测所述水下传感器的相对位置，将相对位置与时间戳打包发送至所述云端融合平台计算所述水下机器人的绝对位置坐标；所述主控制系统通过判断当前光照强度控制所述太阳能电池板充电管理系统；所述主控制系统连接所述电源管理系统管理所述水质监测节点的整体供电，降低所述水质监测节点的功耗；
所述动态巡检水下机器人由机体、水下机器人主控制系统、声纳系统、水下机器人通信系统、水下机器人导航系统、动力系统、蓄电池和水质监测装置组成；
所述水下机器人主控制系统通过所述水下机器人声纳系统实现与所述水质监测节点以及与河床的测距，记录当前相对位置与时间戳，在浮出水面时通过所述水下机器人通信系统实现与所述云端融合水质监测预警平台的连接，将水质采样信息、时间戳、位置信息传送至平台用于位置计算；所述水下机器人导航系统利用所述声纳系统实现定位与导航；所述水质检测装置用于对水域进行水质数据的采集，并将水质信息通过所述主控制系统进行处理；
所述云端融合水质监测预警平台通过接收所述动态巡检水下机器人和每个所述静态值守低功耗水质监测节点发送至云端的数据，通过整合水质采样信息、位置信息、时间戳信息，分析计算出对应位置的水质数据，对海量信息进行分析后，判断水质健康状况并告知各级管理人员可能会发生水污染的区域进行预警。
所述水质检测装置采用单电源、低功耗运算放大器和传感器。
所述水质监测节点通信系统和水下机器人通信系统均采用低功耗的nb-iot模组。
所述水质监测节点主控制系统采用型号为stm32f1的多通道12位adc微处理器。
一种基于静态值守与动态巡检水质监测预警系统的监测预警方法，其特征在于：所述监测预警步骤如下：
(1)由多个静态值守的水质监测节点组成的传感网络进行常规监测，实时监测水质变化，每隔一小时上传一次水质采样数据，若云端融合水质监测平台接收到数据未发现异常，则一直保持该状态；
(2)若平台分析认为水质数据存在异常时，对水质监测节点发送下行命令，将数据上传周期减小至半小时上传一次数据，同时，将节点附近水域的节点的水质采样数据进行提取和前期备份，发送命令给分管该水域的巡检水下机器人使其前往该水域附近；
(3)巡检水下机器人到达指令水域附近，向平台发送下潜信号同时校准时间戳；平台接收到下潜信号后发送下行命令触发相关水域的水质监测节点开启声纳系统对水下机器人的位置进行探测，同步时间戳并及时上传声纳系统探测信号，由平台根据各水质监测节点的北斗定位信息以及其与水下机器人的相对位置信息，依据时间戳计算位置与时间戳的对应关系，判断水下机器人的行动轨迹及位置信息；
(4)水下机器人依据所配置的水质检测装置快速采样路径上的水质信息，通过声纳系统探测水域的大致地形避免触底，水下机器人通过判断水质数据异常的变化情况选择前进方向，逐步靠近污染源位置，当初步确定污染源位置后上浮，并通过搭载的通信系统将采样数据及各个数据对应的时间戳传输至云端融合平台，水下机器人返回；
(5)云端融合平台接收采样信息、位置信息、时间戳后进行数据融合，计算出污染的大致扩散路线并推测可能的污染源以及污染源位置，根据污染情形将信息报知各级管理人员进行应急处理；当污染处理结束，下行指令使水质监测节点恢复至一小时上报一次。
本发明的有益效果为：本发明提出的一种基于静态值守与动态巡检水质监测预警系统及监测预警方法，监测预警系统由云端融合水质监测预警平台、动态巡检水下机器人以及多个静态值守低功耗水质监测节点组成，采用将动态、静态相结合，巡检与监测相结合的立体式的水质监测方式。水下机器人动态巡检提高水质检测的机动性和针对性，水质监测节点提高了监测的实时性以及扩大了水质监测范围，并利用云端融合水质监测平台强大的计算能力，通过时间戳计算位置信息与水质信息的对应关系，弥补了之前深度水域无法进行检测的缺陷。这一水质监测系统取长补短，有助于提高水质监测的信息化、智能化水平，大大提高了现有水质监测的效率。
附图说明
图1为本发明系统的结构框图。
图2为本发明系统及方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种基于静态值守与动态巡检的水质监测预警系统，由多个静态值守的低功耗水质监测节点、动态巡检的水下机器人和云端融合水质监测预警平台组成。
如图1所示，一种基于静态值守与动态巡检的水质监测预警系统，水质监测节点包括仪器外壳、水质监测节点主控制系统、北斗卫星定位系统、水质监测节点通信系统、太阳能板充电管理系统、电源管理系统、声纳系统、蓄电池和水质监测装置；水质监测节点主控制系统采用stm32f1系列微处理器，自带多通道12位adc,经过调理电路与水质检测装置相连，通过主控制系统控制水质检测装置对水质进行定时采样，并经过传感器调理电路进行信号放大与滤波，将信号送至以stm32f1系列微处理器的adc采样通道中进行模数转换，并对水质信息进行本地存储；主控制系统以stm32f1系列微处理器为核心，拥有三个串行端口，可以通过串口分别与水质监测节点通信节点系统通信、北斗卫星定位系统通信以及用于调试的上位机通信，实现与云端融合水质监测平台的数据通信以及卫星通信实现定位、校时与获取时间戳；主控制系统利用声纳系统探测水下机器人位置，将相对位置与时间戳实时打包发送至云端融合平台用于计算水下机器人的绝对位置坐标；主控制系统通过判断当前光照强度控制太阳能电池板充电管理系统；主控制系统连接电源管理系统管理水质监测节点的整体供电，降低水质监测节点的功耗。
如图1所示，一种基于静态值守与动态巡检的水质监测预警系统，巡检水下机器人包括机体、水下机器人主控制系统、声纳系统、水下机器人通信系统、水下机器人导航系统、动力系统、蓄电池和水质监测装置。
如图1所示，一种基于静态值守与动态巡检的水质监测预警系统，水下机器人主控制系统通过水下机器人通过声纳系统实现与水质监测节点以及与河床的测距，记录当前相对位置与对应的时间戳；主控制系统根据水质检测装置测量数据的变化向控制动力系统与水下机器人导航系统向污染物加剧方向前进，获取更为准确的污染源信息；水下机器人能够进行快速采样并在浮出水面时通过水下机器人通信系统实现与云端融合水质监测预警平台的连接，将水质采样信息、时间戳、位置信息传送至云端平台；水下机器人导航系统利用声纳系统实现定位与导航，防治与河床等发生相撞，同时探测该水域整体地形。
如图1所示，一种基于静态值守与动态巡检的水质监测预警系统，云端融合的水质监测预警系统能够接收水下机器人和水质监测节点发送至云端的数据，将所获水质采样信息、位置信息、时间戳信息进行融合，根据现行的水质监测标准分析计算出对应位置的水质参数，对各点数据进行标注；对进行分析后，判断水质健康状况并根据污染登记告知各级管理人员，对潜在的水质污染进行预警和应急处理。
如图1所示，一种基于静态值守与动态巡检的水质监测预警系统，水质检测装置均采用单电源、低功耗运算放大器和传感器。水质监测节点通信系统和水下机器人通信系统均采用低功耗的nb-iot模组。
如图2所示，一种基于静态值守与动态巡检的水质监测预警系统的监测预警方法，分为以下几个步骤：
(1)由多个静态值守的水质监测节点组成的传感网络进行常规监测，实时监测水质变化，每隔一小时上传一次水质采样数据，若云端融合水质监测平台接收到数据未发现异常，则一直保持该状态；
(2)若平台分析认为水质数据存在异常时，对水质监测节点发送下行命令，将数据上传周期减小至半小时上传一次数据，同时，将节点附近水域的节点的水质采样数据进行提取和前期备份，发送命令给分管该水域的巡检水下机器人使其前往该水域附近；
(3)巡检水下机器人到达指令水域附近，向平台发送下潜信号同时校准时间戳；平台接收到下潜信号后发送下行命令触发相关水域的水质监测节点开启声纳系统对水下机器人的位置进行探测，同步时间戳并及时上传声纳系统探测信号，由平台根据各水质监测节点的北斗定位信息以及其与水下机器人的相对位置信息，依据时间戳计算位置与时间戳的对应关系，判断水下机器人的行动轨迹及位置信息；
(4)水下机器人依据所配置的水质检测装置快速采样路径上的水质信息，通过声纳系统探测水域的大致地形避免触底，水下机器人通过判断水质数据异常的变化情况选择前进方向，逐步靠近污染源位置，当初步确定污染源位置后上浮，并通过搭载的通信系统将采样数据及各个数据对应的时间戳传输至云端融合平台，水下机器人返回；
(5)云端融合平台接收采样信息、位置信息、时间戳后进行数据融合，计算出污染的大致扩散路线并推测可能的污染源以及污染源位置，根据污染情形将信息报知各级管理人员进行应急处理；当污染处理结束，下行指令使水质监测节点恢复至一小时上报一次。