一种基于机器海豚的水质监测系统

1.一种基于机器海豚的水质监测系统，其特征在于，该系统包括机器海豚动态检测节点、原位式检测节点网和上位机系统，其中：
所述机器海豚动态检测节点、原位式检测节点网与上位机系统通过无线方式进行信息交互；
所述机器海豚动态检测节点将检测到的水质数据和位置信息无线传送给上位机系统，同时接收上位机系统的控制命令数据；
所述原位式检测节点网由原位式节点通过无线方式顺序连接而成，检测到的水质数据按顺序连接方向依次传送，直至上位机系统；
所述上位机系统，用于接收并综合来自机器海豚动态检测节点和原位式检测节点网发来的信息，同时为机器海豚动态检测节点提供控制命令数据；
其中，所述机器海豚动态检测节点由机器海豚平台和机器海豚水质检测传感器组成，其中：
机器海豚平台包括第一无线模块、GPS/INS定位模块、机器海豚控制器以及电池组；
机器海豚水质检测传感器与机器海豚平台的机器海豚控制器通过串口相连，用于将水质数据发送至机器海豚控制器；
机器海豚平台中GPS/INS定位模块与机器海豚控制器通过串口相连，用于将位置信息发送至机器海豚控制器，机器海豚控制器与第一无线模块通过串口相连，第一无线模块与上位机系统中的第二无线模块无线连接，用于将机器海豚检测到的水质数据和位置信息送入第二无线模块，同时也用于接收来自第二无线模块的控制命令数据并送入机器海豚控制器中。
2.如权利要求1所述的基于机器海豚的水质监测系统，其特征在于，所述原位式检测节点网包含固定安装在被测水域的第一原位式节点到第N原位式节点总共N个节点，其中：
第一原位式节点包括第一节点控制器、第一节点无线模块、第一节点水质检测传感器、电池组和第一节点浮体；
第N原位式节点包括第N节点控制器、第N节点无线模块、第N节点水质检测传感器、电池组和第N节点浮体；
第一原位式节点中的第一节点控制器、第一节点无线模块和电池组置于第一节点浮体中，第一节点水质检测传感器安装于第一节点浮体下方，第一节点水质检测传感器与第一节点控制器通过串口相连，用于将检测到的水质数据送至第一节点控制器，第一节点控制器与第一节点无线模块通过串口相连，第一节点无线模块与第一原位式节点的上层节点即第二原位式节点的无线模块无线连接，用于将第一节点控制器获取的水质数据送入第二原位式节点的无线模块；
第N原位式节点中的第N节点控制器、第N节点无线模块和电池组置于第N节点浮体中，第N节点水质检测传感器安装于第N节点浮体下方，第N节点水质检测传感器与第N节点控制器通过串口相连，用于将检测到的水质数据发送至第N节点控制器，第N节点控制器与第N节点无线模块通过串口相连，第N节点无线模块与第N原位式节点的下层节点即第N-1原位式节点的无线模块无线连接，同时第N节点无线模块与上位机系统中的第三无线模块通过无线连接，用于将第N节点水质检测传感器检测到的水质数据和从第N-1节点无线模块发送的第一原位式节点至第N-1原位式节点的水质数据送入第三无线模块。
3.如权利要求2所述的基于机器海豚的水质监测系统，其特征在于，所述第一原位式节点至第N原位式节点总共N个节点通过无线方式进行顺序连接，N为大于1的整数，且它们之间的连接关系保持固定。
4.如权利要求1所述的基于机器海豚的水质监测系统，其特征在于，所述上位机系统包括传输基站、远端监控台和移动工作站，其中：
传输基站包括基站控制器、第二无线模块、第三无线模块、电池组与第一GPRS数据传输单元；
远端监控台包括第二GPRS数据传输单元与远端监控计算机；
传输基站中的第二无线模块与机器海豚动态检测节点中的第一无线模块无线连接，第二无线模块与基站控制器通过串口相连，用于将来自机器海豚动态检测节点的水质数据和位置信息送入基站控制器中，同时也用于将来自基站控制器的控制命令数据送入第一无线模块中；
传输基站中的第三无线模块与原位式检测节点网中的第N节点无线模块无线连接，第三无线模块与基站控制器通过串口相连，用于将原位式检测节点网检测到的水质数据送入基站控制器中；
传输基站中的基站控制器与第一GPRS数据传输单元通过串口连接，第一GPRS数据传输单元与远端监控台中的第二GPRS数据传输单元通过GPRS网络连接，第二GPRS数据传输单元与远端监控计算机通过串口相连，用于将接收到的来自机器海豚动态检测节点的水质数据和位置信息，以及来自原位式检测节点网的水质数据发送至远端监控计算机中，同时也用于将来自远端监控计算机的控制命令数据送入基站控制器中；
传输基站中的基站控制器与移动工作站通过串口连接，用于将接收到的来自机器海豚动态检测节点的水质数据和位置信息，以及来自原位式检测节点网的水质数据发送至移动工作站，同时也用于将来自移动工作站的控制命令数据送入基站控制器中。

一种基于机器海豚的水质监测系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及机器人在水质监测中的应用领域，尤其是涉及一种基于机器海豚的水质监测系统。\n背景技术\n[0002] 目前，水质监测可以分为人工监测方式和自动监测方式。人工监测方式依靠工作人员进行提取水样，离线或在线化验，这使得效率较低，监测数据的不连续，甚至有时有毒气体、重金属和放射线物质将危害工作人员的健康。显然人工方式已经越来越无法满足对水质环境快速、安全、在线监测的要求。自动监测方式利用固定安装在被测水域的检测设备(即原位式节点)对水质进行在线检测并按照一定的周期自动将检测结果发送至上位机监测系统，为此就需要解决水质数据传输至上位机系统的问题。常用的方式包括无线传输、GSM(Global System for Mobile Communication)、GPRS(General Packet Radio Service)方式，以及WSN(Wireless Sensor Networks)方式。当被测水域面积很大时，为保证监测的全面性，需要在被测水域上布设较多的原位式节点，这将增加系统的成本。\n[0003] 在水下仿生机器人技术正在不断成熟完善的今天，通过水下仿生机器人携带传感器进行探测就变得非常有意义，如北京航空航天大学利用机器鱼对太湖进行水质检测，英国Essex大学正研究将机器鱼用于泰晤士运河的水质监测。为更好的完成水质参数信息的全面获取，进而实现对水质全面、安全、动态在线的监测，受生物海豚具有比鱼类更为卓越的性能和减阻机制的激励，将仿生机器海豚移动检测与原位式检测相结合，已经成为一个重要的发展方向。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的是要提供一种机器海豚检测与原位式检测相结合的水质监测系统，以满足对被测水域全面、在线监测的需求。\n[0005] 为实现上述目的，本发明提供的基于机器海豚的水质监测系统的技术方案包括机器海豚动态检测节点、原位式检测节点网和上位机系统，其中：所述机器海豚动态检测节点、原位式检测节点网与上位机系统通过无线方式进行信息交互；所述机器海豚动态检测节点将检测到的水质数据和位置信息无线传送给上位机系统，同时接收上位机系统的控制命令数据；所述原位式检测节点网由原位式节点通过无线方式顺序连接而成，检测到的水质数据按顺序连接方向依次传送，直至上位机系统；所述上位机系统，用于接收并综合来自机器海豚动态检测节点和原位式检测节点网发来的信息，同时为机器海豚动态检测节点提供控制命令数据。\n[0006] 优选地，所述机器海豚动态检测节点由机器海豚平台和机器海豚水质检测传感器组成，其中：机器海豚平台包括第一无线模块、GPS/INS定位模块、机器海豚控制器以及电池组；机器海豚水质检测传感器与机器海豚平台的机器海豚控制器通过串口相连，用于将水质数据发送至机器海豚控制器；机器海豚平台中GPS/INS定位模块与机器海豚控制器通过串口相连，用于将位置信息发送至机器海豚控制器，机器海豚控制器与第一无线模块通过串口相连，第一无线模块与上位机系统中的第二无线模块无线连接，用于将机器海豚检测到的水质数据和位置信息送入第二无线模块，同时也用于接收来自第二无线模块的控制命令数据并送入机器海豚控制器中。\n[0007] 优选地，所述原位式检测节点网包含固定安装在被测水域的第一原位式节点到第N原位式节点总共N个节点，其中：第一原位式节点包括第一节点控制器、第一节点无线模块、第一节点水质检测传感器、电池组和第一节点浮体；第N原位式节点包括第N节点控制器、第N节点无线模块、第N节点水质检测传感器、电池组和第N节点浮体；第一原位式节点中的第一节点控制器、第一节点无线模块和电池组置于第一节点浮体中，第一节点水质检测传感器安装于第一节点浮体下方，第一节点水质检测传感器与第一节点控制器通过串口相连，用于将检测到的水质数据送至第一节点控制器，第一节点控制器与第一节点无线模块通过串口相连，第一节点无线模块与第一原位式节点的上层节点即第二原位式节点的无线模块无线连接，用于将第一节点控制器获取的水质数据送入第二原位式节点的无线模块；第N原位式节点中的第N节点控制器、第N节点无线模块和电池组置于第N节点浮体中，第N节点水质检测传感器安装于第N节点浮体下方，第N节点水质检测传感器与第N节点控制器通过串口相连，用于将检测到的水质数据发送至第N节点控制器，第N节点控制器与第N节点无线模块通过串口相连，第N节点无线模块与第N原位式节点的下层节点即第N-1原位式节点的无线模块无线连接，同时第N节点无线模块与上位机系统中的第三无线模块通过无线连接，用于将第N节点水质检测传感器检测到的水质数据和从第N-1节点无线模块发送的第一原位式节点至第N-1原位式节点的水质数据送入第三无线模块。\n[0008] 优选地，所述第一原位式节点至第N原位式节点总共N个节点通过无线方式进行顺序连接，N为大于1的整数，且它们之间的连接关系保持固定。\n[0009] 优选地，所述上位机系统包括传输基站、远端监控台和移动工作站，其中：传输基站包括基站控制器、第二无线模块、第三无线模块、电池组与第一GPRS数据传输单元；远端监控台包括第二GPRS数据传输单元与远端监控计算机；传输基站中的第二无线模块与机器海豚动态检测节点中的第一无线模块无线连接，第二无线模块与基站控制器通过串口相连，用于将来自机器海豚动态检测节点的水质数据和位置信息送入基站控制器中，同时也用于将来自基站控制器的控制命令数据送入第一无线模块中；传输基站中的第三无线模块与原位式检测节点网中的第N节点无线模块无线连接，第三无线模块与基站控制器通过串口相连，用于将原位式检测节点网检测到的水质数据送入基站控制器中；传输基站中的基站控制器与第一GPRS数据传输单元通过串口连接，第一GPRS数据传输单元与远端监控台中的第二GPRS数据传输单元通过GPRS网络连接，第二GPRS数据传输单元与远端监控计算机通过串口相连，用于将接收到的来自机器海豚动态检测节点的水质数据和位置信息，以及来自原位式检测节点网的水质数据发送至远端监控计算机中，同时也用于将来自远端监控计算机的控制命令数据送入基站控制器中；传输基站中的基站控制器与移动工作站通过串口连接，用于将接收到的来自机器海豚动态检测节点的水质数据和位置信息，以及来自原位式检测节点网的水质数据发送至移动工作站，同时也用于将来自移动工作站的控制命令数据送入基站控制器中。\n[0010] 本发明的有益效果：通过机器海豚动态检测与原位式检测相结合的方式，弥补了原位式检测节点网在空间上的局限。\n附图说明\n[0011] 图1是一种基于机器海豚的水质监测系统的结构图。\n[0012] 图2是机器海豚动态检测节点的结构图。\n[0013] 图3是原位式监测节点网的结构图。\n[0014] 图4是上位机系统的结构图。\n具体实施方式\n[0015] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。\n[0016] 下面结合附图详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节。\n[0017] 如附图1所示是基于机器海豚的水质监测系统，包括机器海豚动态检测节点1、原位式检测节点网2和上位机系统3。\n[0018] 如附图2所示，机器海豚动态检测节点1由机器海豚平台11和机器海豚水质检测传感器12组成，其中：机器海豚平台11包括第一无线模块111、GPS/INS定位模块112、机器海豚控制器113以及电池组114。\n[0019] 机器海豚水质检测传感器12与机器海豚控制器113通过串口相连，机器海豚控制器113又与第一无线模块111和GPS/INS定位模块112通过串口相连，第一无线模块111与上位机系统3中的第二无线模块312无线连接。\n[0020] 由上述结构，机器海豚水质检测传感器将检测到的水质数据送入机器海豚控制器中，GPS/INS定位模块将检测到的位置信息送入机器海豚控制器中，机器海豚控制器通过第一无线模块将水质数据和位置信息通过无线方式送入第二无线模块中，同时通过第一无线模块接收来自第二无线模块的控制命令数据。\n[0021] 如附图3所示，原位式检测节点网2包含固定安装在被测水域的第一原位式节点\n21到第N原位式节点22总共N个节点，N为大于1的整数，其中第一原位式节点21包括第一节点控制器211、第一节点无线模块214、第一节点水质检测传感器212、电池组213和第一节点浮体215，第一原位式节点21中的第一节点控制器211、第一节点无线模块214和电池组213置于第一节点浮体215中，第一节点水质检测传感器212安装于第一节点浮体215下方；第N原位式节点22包括第N节点控制器221、第N节点无线模块224、第N节点水质检测传感器222、电池组223和第N节点浮体225，第N原位式节点22中的第N节点控制器\n221、第N节点无线模块224和电池组223置于第N节点浮体225中，第N节点水质检测传感器222安装于第N节点浮体225下方。\n[0022] 第一原位式节点21至第N原位式节点22总共N个节点通过无线方式进行顺序连接，且它们之间的连接关系保持固定。第一节点水质检测传感器212与第一节点控制器211通过串口相连，第一节点控制器211与第一节点无线模块214通过串口相连，第一节点无线模块214与第一原位式节点21的上层节点即第二原位式节点的无线模块无线连接；第N节点水质检测传感器222与第N节点控制器221通过串口相连，第N节点控制器221与第N节点无线模块224通过串口相连，第N节点无线模块224与第N原位式节点22的下层节点即第N-1原位式节点的无线模块无线连接，第N节点无线模块224又与上位机系统3中的第三无线模块313通过无线连接。\n[0023] 由上述结构，第一节点水质传感器采集水质数据传送至第一节点控制器，然后第一节点控制器通过第一节点无线模块将水质数据送入第一原位式节点的上层节点即第二原位式节点的无线模块中。第二原位式节点通过其无线模块接收来自第一原位式节点的水质数据，并连同自身检测的水质数据通过其无线模块发送至与其邻接的上层节点即第三原位式节点。按照同样的方式，直至传送至第N原位式节点，然后第N原位式节点将第N节点水质检测传感器检测到的水质数据和从第N-1节点无线模块发送的第一原位式节点至第N-1原位式节点的水质数据，送入第三无线模块。\n[0024] 如附图4所示，上位机系统3包括传输基站31、远端监控台32和移动工作站33，其中传输基站31包括基站控制器311、第二无线模块312、第三无线模块313、电池组315与第一GPRS数据传输单元314；远端监控台32包括第二GPRS数据传输单元321与远端监控计算机322。\n[0025] 传输基站31中的第二无线模块312与机器海豚动态检测节点1中的第一无线模块111无线连接，第二无线模块312与基站控制器311通过串口相连，传输基站31中的第三无线模块313与原位式检测节点网2中的第N节点无线模块224无线连接，第三无线模块\n313与基站控制器311通过串口相连，基站控制器311与第一GPRS数据传输单元314通过串口连接，第一GPRS数据传输单元314与远端监控台32中的第二GPRS数据传输单元321通过GPRS网络连接，第二GPRS数据传输单元321与远端监控计算机322通过串口相连，基站控制器311与移动工作站33通过串口连接。\n[0026] 由上述结构，基站控制器将通过第二无线模块接收到的来自机器海豚动态检测节点的位置信息与水质数据和通过第三无线模块接收到的来自原位式检测节点网的水质数据，通过第一GPRS数据传输单元发送至第二GPRS数据传输单元、同时也通过串口线直接传送至移动工作站，第二GPRS数据传输单元将接收的数据通过串口传送至远端监控计算机。\n远端监控计算机将控制命令数据通过第二GPRS数据传输单元发送至第一GPRS数据传输单元，进而送入基站控制器，然后通过第二无线模块发送至第一无线模块中。移动工作站将控制命令数据通过串口线直接传送至基站控制器，进而通过第二无线模块发送至第一无线模块中。\n[0027] 本发明采用电池组114给机器海豚动态检测节点1内的各部件供电，电池组213给第一原位式节点21内的各部件供电，电池组223给第N原位式节点22内的各部件充电，电池组315给传输基站31内的各部件供电。\n[0028] 依据本发明所说明的系统结构和连接关系，构建了一个基于机器海豚的水质监测系统。第一无线模块111、第二无线模块312、第三无线模块313以及原位式检测节点网中的第一节点无线模块214至第N节点无线模块224均采用北京华荣汇资讯有限公司的WAP300C，各部分电池组均采用锂聚合物充电电池，机器海豚控制器113、基站控制器311以及原位式检测节点网中的第一节点控制器211至第N节点控制器221均采用以ARM9为核心的嵌入式控制板。机器海豚动态检测节点1中的GPS/INS定位模块112采用OEMV-1和DRM4000，机器海豚水质检测传感器12采用HYDROLAB的DS5，可检测PH值、电导率、溶解氧、浑浊度、深度等水质参数。原位式检测节点网2中的第一节点水质检测传感器212至第N节点水质检测传感器222均采用YSI-600R，可检测PH值、电导率、温度等水质参数。第一GPRS数据传输单元314和第二GPRS数据传输单元321采用北京嘉复欣科技有限公司的GF-2008AW1。机器海豚平台11模仿生物海豚的外形和运动，拥有流线型的头部、一对三自由度胸鳍和腹背式波动的可弯转尾部，长宽高为120*60*20cm，摆动部分长度为45cm，工作时间大于2小时。按照发明所述，对各个部分相应布局后得到系统。\n[0029] 以上所述，仅为本发明中的具体实施方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。