一种高密度移动监测系统

摘要

本发明涉及一种高密度移动监测系统，包括航行控制器及分别与航行控制器连接的协议转换电路模块、电调、船载数传模块、接收机，协议转换电路模块连接一个以上航行传感器，船载数传模块连接水质监测探头，船载数传模块与地面数传模块无线连接，地面数传模块连接平板电脑控制器，平板电脑控制器连接遥控器，平板电脑连接船载数字图传模块，船载数字图传模块连接一个以上图像采集设备，接收机通过无线网络无线连接遥控器。本发明采用协议转换电路模块，多协议转换NMEA0183国际通用定位协议的转换模块。实现不同航行传感器的标准协议融合，可以不更改升级控制系统CPU和控制程序，无限扩展航行传感器种类。

权利要求

1.一种高密度移动监测系统，其特征在于：包括航行控制器及分别与航行控制器连接的协议转换电路模块、电调、船载数传模块、接收机，协议转换电路模块连接一个以上航行传感器，船载数传模块连接水质监测探头，船载数传模块与地面数传模块无线连接，地面数传模块连接平板电脑，平板电脑连接遥控器，平板电脑连接船载数字图传模块，船载数字图传模块连接一个以上图像采集设备，接收机通过无线网络无线连接遥控器；

所述的协议转换电路模块，采用STC单片机，接入多个串口和IIC接口，对接入的不同航行传感器的接口协议进行2次编译，统一转换成NMEA0183协议标准接入航行控制器；

协议转换电路模块将水质传感器协议统一转换成MODEBUS标准协议接入数据采集和传输系统；

所述的2次编译为水深数据替换NMEA0183协议中GNGGA语句的海拔数据，激光或者声传感器数值替换NMEA0183协议中的定位坐标部分，合成后的新NMEA0183协议接入航行系统的定位接口，实现无人船的融合避障和航行姿态调整；

STC单片机通过串口跟GPS模块进行通讯，当接收到GNGGA信令后，将其解码，分析出定位数据后，将经纬度坐标储存在STC单片机的内存里，然后，用STC单片机的另一个串口，按照modbus的通讯规则发送读取水质数据的信令，通过485模块与水质传感器进行通讯，水质传感器接收到指令后，回传数据，STC单片机接收到数据后，将数据解码并储存在内存里，最后STC单片机切换到第三个串口，将其内存中的GPS数据和水质数据，一起发送到操控中心；

获取GPS数据后，从GNGGA指令中获取经度和纬度信息，在信令中查找水平定位精度因子的信息位置，找到后将其改写成大于3的值，在信令中查找GPS高度信息的位置，找到后将其改写成深度计的深度信息，将上述改写好的信令重新进行求和校验，将校验码替换原来的校验码，通过串口发送给地面站；

协议转换电路模块对接入的水质传感器探头进行协议的MODEBUS调整，形成唯一一种多参数协议通过船载数传模块发送给地面数传模块，地面站进行存储后在有互联网接入区域与服务器进行2次数据交换或者实时交换。

2.根据权利要求1所述的高密度移动监测系统，其特征在于：所述的航行传感器为GPS定位系统、声呐探测装置、高频雷达、深度传感器、RTK。

3.根据权利要求1所述的高密度移动监测系统，其特征在于：接收机控制多路MOS开关，电池通过多路MOS开关给各个设备供电。

4.根据权利要求1所述的高密度移动监测系统，其特征在于：所述的图像采集设备为红外相机、高光谱相机、多光谱相机、变焦相机。

5.根据权利要求1所述的高密度移动监测系统，其特征在于：在水质监测探头内增加紫外可见光实时采集和分析模块。

6.根据权利要求1所述的高密度移动监测系统，其特征在于：航行控制器单片机内嵌视觉定位追踪算法，通过图像采集设备捕捉图像，在追踪过程中通过水质传感器对船舶的排放气体和尾流液体进行在线采集分析取证。

7.根据权利要求1所述的高密度移动监测系统，其特征在于：所述高密度移动监测系统安装在无人船上。

说明书

一种高密度移动监测系统

技术领域

[0001] 本发明属于环保领域，涉及内河流域、湖泊、水库水域环境下的环保水质监测、多参数水质大数据的连续采集和分析技术，尤其是一种高密度移动监测系统。

背景技术

[0002] 当前市面上的环保无人船主要为遥控或半自动航线控制的无人船，所搭载的GPS定位系统、声呐探测装置、高频雷达都采用独自的协议，需要无人船航控系统开发大量冗余
的协议通道和算法融合，导致航控系统和地面站系统复核大，通信感知融合难度大，每次接
入新的航行传感器都需要重新开发控制系统软件和地面站数据显示。在水环境参数采集部
分，因为各种传感器的协议不同，也要从新编译融合所有搭载的探头协议进行统一后再进
行采集和传输。大部分的环保无人船还只是采集水样，一小部分搭载了简易的多参数探头，
不能满足目前水环境保护工作的需要，而且在数据传输方面，基本都使用的是搭载了SIM卡
依赖通信运营商网络的RTU将数据通过2G或者4G网络发送到云平台服务器。在大面积水域
作业时因没有运营商网络信号造成数据无法收集传输。且目前传感器数据采集频率低最快
值达到了每分钟采集1次，而在无人船的高航速下，1分钟的采样间隔距离至少为120米，造
成数据采样过于稀疏。降低航速的话又造成了采样效率低，作业时间超长。无人船目前尚未
有能实现高光谱和紫外可见光数据采集分析的功能，可采集的环境数据不全，无法全面覆
盖水环境管理需要，夜间缺乏红外设备，不能夜间巡查取证。在针对大型运输船舶排放超标
的取证作业中需要人工遥控追踪，无法锁定违法嫌疑船只进行自动跟踪取证。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种高密度移动监测系统，实现了无人船智能传感器的标准化接入，可以不断升级无人船的感知系统，提高无人船的智
能水平。

[0004] 本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

[0005] 一种高密度移动监测系统，包括航行控制器及分别与航行控制器连接的协议转换电路模块、电调、船载数传模块、接收机，协议转换电路模块连接一个以上航行传感器，船载
数传模块连接水质监测探头，船载数传模块与地面数传模块无线连接，地面数传模块连接
平板电脑控制器，平板电脑控制器连接遥控器，平板电脑连接船载数字图传模块，船载数字
图传模块连接一个以上图像采集设备，接收机通过无线网络无线连接遥控器。

[0006] 而且，协议转换电路模块将不同航行传感器的接口协议统一转换成NMEA0183协议标准接入航行控制器。

[0007] 而且，所述的航行传感器为GPS定位系统、声呐探测装置、高频雷达、深度传感器、RTK。

[0008] 而且，协议转换电路模块将水质传感器协议统一转换成MODEBUS标准协议接入数据采集和传输系统。

[0009] 而且，接收机控制多路MOS开关，电池通过多路MOS开关给各个设备供电。

[0010] 而且，所述的图像采集设备为红外相机、高光谱相机、多光谱相机、变焦相机。

[0011] 而且，在水质监测探头内增加紫外可见光实时采集和分析模块。

[0012] 而且，航行控制器单片机内嵌视觉定位追踪算法，通过图像采集设备捕捉图像，在追踪过程中通过水质传感器、对船舶的排放气体和尾流液体进行在线采集分析取证。

[0013] 而且，所述高密度移动监测系统安装在无人船上。

[0014] 而且，所述协议转换电路模块的单片机采用STC单片机。

[0015] 本发明的优点和积极效果是：

[0016] 1、本发明采用协议转换电路模块，多协议转换NMEA0183国际通用定位协议的转换模块。实现不同航行传感器的标准协议融合，可以不更改升级控制系统CPU和控制程序，无
限扩展航行传感器种类。

[0017] 2、多协议转换MODEBUS标准工业协议，实现多种类水质参数传感器和气体传感器的并联接入。

[0018] 3、实现了光电系统和多介质水质传感器的融合，可以获得高频的数据采样和更加全面的数据样本。

[0019] 4、解决了目前数据在无网络条件下的数据传输问题，实现了可靠的数据采集和数据中转同步，降低了通信成本，拓展了监测作业范围。

[0020] 5、采用红外相机后使得无人船获得了全天候昼夜作业取证能力。

[0021] 6、视觉定位追踪功能提高了无人船的智能航行能力，降低了人工作业难度，增加了环保取证执法的灵活性。

附图说明

[0022] 图1为本发明的控制系统框图；

[0023] 图2为本发明的电路框图；

[0024] 图3为协议转换电路模块的电路图。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

[0026] 一种高密度移动监测系统，本监测系统搭载在无人船上，包括航行控制器及分别与航行控制器连接的协议转换电路模块、推进器电调、水泵电调、船载数传模块、4G接收机，
协议转换电路模块通过RS485总线连接声呐、RTK、深度传感器等航行传感器。推进器电调为
两个，分别连接两个推进器，水泵电调连接水泵。船载数传模块通过RS485总线连接水质监
测探头，船载数传模块与地面数传模块无线连接，地面数传模块连接平板电脑控制器，平板
电脑控制器连接遥控器，平板电脑连接船载数字图传模块，船载数字图传模块连接高光谱、
多光谱、红外、变焦、全景相机等设备。4G接收机通过4G无线网络无线连接遥控器，4G接收机
控制三路MOS开关。电池通过三路MOS开关给各个设备供电。

[0027] 所述的协议转换电路模块使用STC单片机接入多个串口和IIC接口，对接入的无人船航行传感器进行协议2次编译。例如水深数据替换NMEA0183协议中GNGAA语句的海拔数
据。激光或者声传感器数值替换NMEA0183协议中的定位坐标部分等进行替换。合成后的新
NMEA0183协议接入航行系统的定位接口，实现无人船的融合避障和航行姿态调整。

[0028] 通过对NMEA0183协议的分析，了解到GPS的定位信息通过信令GNGGA传送出来。所以，STC单片机通过串口跟GPS模块进行通讯，当接收到GNGGA信令后，将其解码，分析出定位
数据后，将经纬度坐标储存在STC单片机的内存里。然后，用STC单片机的另一个串口，按照
modbus的通讯规则发送读取水质数据的信令。通过485模块与水质传感器进行通讯，水质传
感器接收到指令后，回传数据。STC单片机接收到数据后，将数据解码并储存在内存里。最后
STC单片机切换到第三个串口，将其内存中的GPS数据和水质数据，一起发送到操控中心。

[0029] STC单片机为STC8A8K64S4A12，该芯片支持2个串口，2个IIC接口。

[0030] 获取GPS数据后，从GNGGA指令中获取经度和纬度信息。在信令中查找水平定位精度因子的信息位置，找到后将其改写成大于3的值。在信令中查找GPS高度信息的位置，找到
后将其改写成深度计的深度信息。将上述改写好的信令重新进行求和校验，将校验码替换
原来的校验码，通过串口发送给地面站。

[0031] 协议转换电路模块对接入的水质传感器探头进行协议的MODEBUS调整。形成唯一一种多参数协议通过船载数传DTU发送给地面数传DTU。地面站进行存储后在有互联网接入
区域与服务器进行2次数据交换或者实时交换。解决了无人船在无通信信号地区的数据采
集和传输问题。

[0032] 通过STC单片机通讯技术，采集水质传感器的数据和此位置GPS的定位数据，统一通过串行通讯接口回传至操控中心。

[0033] 协议转换电路模块通过该STC的专用性，提高各水质传感器的采样频率，最高可达到1HZ即1秒1次的速度。

[0034] 在水质传感器探头内增加紫外可见光实时采集和分析模块，可根据紫外光光谱分析进行水环境数据分析，弥补氨氮传感器探头和COD探头对总磷总氮数据无法实时采集的
不足。

[0035] 高光谱相机可以对水面进行数据化像素采集，逆向还原水域水质情况。红外相机可以对夜间的违法违规排放进行取证。

[0036] 可采用现有技术的视觉追踪套件和算法实现对目标自动追踪，通过水质传感器在追踪过程中对船舶的排放气体和尾流液体进行在线采集分析取证。

[0037] 以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护
范围。