一種自學習軌跡導航游弋式水質(zhì)多參數(shù)遠程監(jiān)控系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于GPS定位技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，尤其涉及一種用于水產(chǎn)養(yǎng)殖、江 河管理和城市供水的水源取水口的水質(zhì)進行游弋式動態(tài)測量并通過手機進行遠程監(jiān)控的 系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國是水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，多年來養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴張，養(yǎng)殖水體的自然承載能力已日 趨飽和，傳統(tǒng)的靠擴規(guī)模來增產(chǎn)量的粗放型養(yǎng)殖模式已不適合水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。 近年來隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，養(yǎng)殖模式正逐步向以高密度養(yǎng)殖和循環(huán)式養(yǎng)殖為代表的集約 型工廠化養(yǎng)殖模式轉(zhuǎn)變。水質(zhì)監(jiān)控作為水產(chǎn)養(yǎng)殖中的一個重要環(huán)節(jié)，保持水中的溶氧量，PH 值，溫度在魚類一定適宜范圍之內(nèi)，對魚類生長起著決定性作用?，F(xiàn)代化的養(yǎng)殖模式對于水 質(zhì)監(jiān)控的要求更為嚴苛。
[0003] 在我國，較長的一段時間內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測采用人工方式，由專業(yè)人員憑經(jīng)驗判斷水質(zhì) 狀況或者人工采樣到實驗室分析，誤差大、周期長。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，便攜式多參數(shù) 水質(zhì)測量儀為養(yǎng)殖人員提供了更為準確、便捷的監(jiān)測方式，但其對于人的依賴性依然很強， 并且不能全天候在線測量。水質(zhì)自動在線監(jiān)測儀器和系統(tǒng)在近十幾年才開始開發(fā)與應用， 其存在的問題主要有：1)水質(zhì)監(jiān)測傳感器節(jié)點多數(shù)采用有線方式布線困難、成本高且分布 范圍?。?)傳感器節(jié)點固定測量，點數(shù)過少則測量范圍有限，增加測量點數(shù)則成本過高；3) 通常采用的現(xiàn)場監(jiān)控和遠程監(jiān)控以電腦為操作對象，區(qū)域受限、便攜性不高。
[0004] GPS技術(shù)在交通運輸中的應用越來越廣泛，它在現(xiàn)代交通智能管理、車輛調(diào)度指 揮、車船等交通工具的導向領(lǐng)航、車輛運行性能的動態(tài)監(jiān)測等諸多方面提供了技術(shù)支撐。 GPS在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中主要用于結(jié)合GIS進行農(nóng)作物產(chǎn)量、土壤成分和性質(zhì)分布監(jiān)測，引導飛機 進行合理施肥、播種和噴灑農(nóng)藥等方面。
[0005] 目前，已有一些專利涉及無線遠程監(jiān)測水質(zhì)的專利，例如，公開號為CN103024007A 的發(fā)明專利"基于Zigbee和GPRS的遠程水環(huán)境監(jiān)測儀和監(jiān)測方法"，通過多個Zigbee從節(jié) 點固定分布于不同區(qū)域采集整個水域的水質(zhì)參數(shù)，通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)將從節(jié)點的采集數(shù)據(jù) 發(fā)送到主節(jié)點后經(jīng)過ARM處理器進行數(shù)據(jù)封裝后通過GPRS模塊發(fā)送到遠程上位機。該方 法使用多個采集節(jié)點，需要使用多套采集傳感器設(shè)備，成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決當前固定式水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)分布點數(shù)少、成本高的問題，本發(fā)明提出了一 種游弋式的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)遠程監(jiān)控系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，可以對大面積養(yǎng)殖水域進行遠程監(jiān) 測，分區(qū)域控制增氧機的啟停。
[0007] 首次操作手動遙控測量船使測量船學習移動路徑，之后轉(zhuǎn)為自動導航。通過測量 船的游弋巡航測量水域內(nèi)多個目標點的水質(zhì)情況，使用GPRS模塊將測量數(shù)據(jù)上傳至服務(wù) 器，服務(wù)器根據(jù)測得數(shù)據(jù)與設(shè)定值的比較控制測量點附近事先布置好的執(zhí)行裝置產(chǎn)生相應 的動作，來達到調(diào)節(jié)水質(zhì)的目的；同時系統(tǒng)也可以將數(shù)據(jù)通過服務(wù)器發(fā)送給移動設(shè)備的安 卓客戶端，使得用戶可以進行手動控制。實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0008] -種自學習軌跡導航游弋式水質(zhì)多參數(shù)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，包括：測量船、服務(wù)器以及 執(zhí)行裝置；
[0009] 所述測量船包括船體、以及設(shè)置在船體上的測量裝置，所述測量裝置一方面測量 水質(zhì)參數(shù)和船體的位置信息、所述測量裝置另一方面和服務(wù)器進行交互；
[0010] 所述服務(wù)器根據(jù)所述測量裝置上傳的信息來控制船體移動以及水質(zhì)調(diào)節(jié)；
[0011] 所述執(zhí)行裝置與所述測量裝置交互，所述執(zhí)行裝置用于調(diào)節(jié)水質(zhì)。
[0012] 優(yōu)選技術(shù)方案，所述測量裝置包括：控制模塊、信息采集模塊、動力輸出模塊以及 電源模塊；所述信息采集模塊、所述動力輸出模塊均與所述控制模塊相連，所述電源模塊為 控制模塊、信息采集模塊、動力輸出模塊供電。
[0013] 優(yōu)選技術(shù)方案，所述信息采集模塊包括水質(zhì)監(jiān)測模塊、GPS定位模塊以及電子羅 盤，所述水質(zhì)監(jiān)測模塊、所述GPS定位模塊以及所述電子羅盤均與所述控制模塊相連；
[0014] 優(yōu)選技術(shù)方案，所述動力輸出模塊包括：驅(qū)動電路、左電機、右電機、傳動裝置；所 述驅(qū)動電路分別與控制模塊、左電機、右電機以及傳動裝置相連接；所述所述傳動裝置為直 流電機。
[0015] 優(yōu)選技術(shù)方案，所述控制模塊包括GPRS模塊和CC2530模塊；所述GPRS模塊和 CC2530模塊相連；所述電源模塊包括兩組鋰電池。
[0016] 優(yōu)選技術(shù)方案，所述水質(zhì)監(jiān)測模塊包括：pH傳感器、熒光法溶解氧傳感器、水位傳 感器。
[0017] 優(yōu)選技術(shù)方案，所述執(zhí)行裝置包括控制節(jié)點和執(zhí)行器，所述執(zhí)行器包括抽水栗、排 水栗、水車式增氧機以及葉輪式增氧機；所述控制節(jié)點由CC2530控制芯片、中間繼電器和 接觸器構(gòu)成。
[0018] 優(yōu)選技術(shù)方案，還包括遙控器，所述遙控器用于控制測量船的首次軌跡以及設(shè)定 目標點。
[0019] 優(yōu)選技術(shù)方案，還包括設(shè)置在船體頂部的薄膜太陽能。
[0020] 優(yōu)選技術(shù)方案，還包括與所述服務(wù)器交互的移動設(shè)備客戶端。
[0021] 基于上述監(jiān)控系統(tǒng)，本發(fā)明提出了一種水質(zhì)多參數(shù)遠程監(jiān)控方法，包括如下步 驟：
[0022] 步驟1，將執(zhí)行器在水中合適的位置布置好；
[0023] 步驟2,手動控制遙控器，使得測量船沿水域行駛一圈，在行駛過程中確定若干個 監(jiān)測的目標點，同時將目標點的位置信息記錄下來并上傳到服務(wù)器；
[0024] 步驟3,服務(wù)器根據(jù)測量船當前位置信息控制測量船的行駛方向，包括計算當前位 置與目標點的直線距離和方向角，再將方向角與磁北方向角對比得出船體的轉(zhuǎn)向角，使的 測量船向靠近第i個目標航行；其中，i= 1，2, 3…N，N為設(shè)置的目標點的個數(shù)；
[0025] 步驟4,延時10秒后再次執(zhí)行步驟3 ;
[0026] 步驟5,重復步驟4直至測量船自動到達第i個目標點；
[0027] 步驟6,停止行駛，進行水質(zhì)監(jiān)測，所述監(jiān)測包括淺水區(qū)監(jiān)測和深水區(qū)監(jiān)測；
[0028] 步驟7,將步驟6中監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)上傳至服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)水質(zhì)參數(shù)與預先設(shè) 定值對比進行水質(zhì)調(diào)控；
[0029] 步驟8,重復步驟3至7,依次完成剩余目標點的水質(zhì)監(jiān)控；切斷動力，對電池充電 以進行下一輪的監(jiān)測。
[0030] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：
[0031] (1)克服傳統(tǒng)檢測終端固定分布，成本高、測量范圍局限的缺點，移動測量水域內(nèi) 多個點不同水層的水質(zhì)情況。
[0032] ⑵測量船具有GPS定位功能，補充了測量點的位置信息，有助于對區(qū)域內(nèi)不同位 置的水質(zhì)變化進行監(jiān)控分析，細化控制，能夠根據(jù)位置就近選擇執(zhí)行器。
[0033] (3)測量船具有學習功能，在首次設(shè)定后可以自動導航到各個目標點。
[0034] (4)可以根據(jù)不同的情況分區(qū)域控制不同增氧機工作。
[0035] (5)可通過手機在任何地方遠程監(jiān)控水質(zhì)。
【附圖說明】
[0036] 圖1是本發(fā)明的測量裝置示意圖；
[0037]圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0038] 圖3是本發(fā)明的程序流程圖；
[0039] 圖4是本發(fā)明的測量船自學習導航軌跡圖；
[0040] 圖5是本發(fā)明的手機客戶端界面。
[0041] 圖6是驅(qū)動電路原理圖。
【具體實施方式】
[0042] 本發(fā)明提出了一種自學習軌跡導航游弋式水質(zhì)多參數(shù)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，包括測量 船、服務(wù)器和執(zhí)行裝置。測量船由船體和位于船體上的測量裝置組成，所述船體用于承載整 個測量裝置的設(shè)備，為水上移動測量提供平臺；所述測量裝置一方面測量水質(zhì)參數(shù)和船體 的位置信息、另一方面和服務(wù)器進行交互。所述服務(wù)器根據(jù)所述測量裝置上傳的信息來控 制船體移動以及水質(zhì)調(diào)節(jié)。所述執(zhí)行裝置與所述測量裝置交互，用于調(diào)節(jié)水質(zhì)；執(zhí)行裝置 包括控制節(jié)點和執(zhí)行器，執(zhí)行器包括抽水栗、排水栗、水車式增氧機以及葉輪式增氧機，控 制節(jié)點位于控制柜內(nèi)，用于控制執(zhí)行器產(chǎn)生相應動作，控制節(jié)點由CC2530控制芯片連接繼 電器、接觸器構(gòu)成，與執(zhí)行器之間通過線纜連接實現(xiàn)對執(zhí)行器的控制，控制柜可以安裝在岸 邊。當測量船運行到控制節(jié)點附近時該控制節(jié)點響應由測量船發(fā)出的控制指令，打開或關(guān) 閉對應的執(zhí)行器。
[0043] 下面結(jié)合附圖和具體實施例來對本發(fā)明作進一步說明。
[0044] 如圖1和圖2所示，位于測量船上的測量裝置主要包括控制模塊，信息采集模塊， 動力輸出模塊，電源模塊。
[0045] 控制模塊由GPRS模塊和CC2530模塊構(gòu)成，GPRS模塊主要用于數(shù)據(jù)的遠程傳輸與 遠程控制，CC2530模塊一方面通過GPRS模塊和服務(wù)器交互、另一方面通過自帶ZigBee模 塊分別和遙控器、執(zhí)行裝置的控制節(jié)點交互，并進行現(xiàn)場控制。
[0046] 信息采集模塊包括水質(zhì)監(jiān)測模塊、GPS定位模塊以及電子羅盤，水質(zhì)監(jiān)測模塊由傳 感器組構(gòu)成，具體包括：pH傳感器、熒光法溶解氧傳感器、水位傳感器，pH傳感器用于獲取 水質(zhì)的pH值，熒光法溶解氧傳感器用于獲取水質(zhì)的溶解氧和水溫；GPS定位模塊用于獲取 船體的經(jīng)煒度信息；電子羅盤用于獲取船體的磁北方向角。
[0047] 動力輸出模塊由左電機、右電機、驅(qū)動電路以及傳動裝置組成，通過驅(qū)動電路實現(xiàn) 對左電機、右電機以及傳動裝置的控制，通過控制左電機的轉(zhuǎn)速和右電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)船體 水平行駛方向的調(diào)整，通過控制傳動裝置控制傳感器組垂直方向移動，傳動裝置采用直流 電機。
[0048] 電源模塊由兩組鋰電池構(gòu)成，既能減輕整體重量又能增強測量船的續(xù)航能力。另 外，船頂部貼附一層薄膜太陽能，結(jié)合太陽能控制器給鋰電池充電。
[0049] 進一步如圖2所示，遙控器通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與CC2530模塊連接，CC2530模塊與 動力輸出模塊連接；如此可以實現(xiàn)：通過操作遙控器來控制動力輸出模塊的左電機和右電 機，進而實現(xiàn)對船體行駛方向的控制；另一方面，CC2530模塊與控制節(jié)點中的CC2530節(jié)點 交互，實現(xiàn)對執(zhí)行器的控制。熒光法溶解氧傳感器通過RS485總線與GPRS模塊連接，通過 GPRS模塊將檢測的水質(zhì)溶解氧和水溫信息發(fā)送給服務(wù)器。GPS定位模塊通過RS485總線與 GPRS模塊連接，通過GPRS模塊將