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        基于物聯(lián)網(wǎng)的水體環(huán)境監(jiān)測無人船的設(shè)計

        2017-09-07 23:18:14吳珊珊劉清闖王書旺顧斌
        關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)新能源

        吳珊珊+劉清闖+王書旺+顧斌

        摘要:本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),設(shè)計了一種用于水體環(huán)境監(jiān)測的無人船。系統(tǒng)由動力模塊、測量模塊、通信模塊、GPS定位模塊等組成,并引入非接觸供電、無線通信等技術(shù)。經(jīng)過實測可見,本系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了小型化、無人化和低成本,跟蹤定位的網(wǎng)格化,滿足了精細(xì)化測量需求,信息傳遞的快速、可靠、穩(wěn)定,而且通過太陽能等新能源的使用,使其既防止了傳統(tǒng)燃料對水體的污染,又可以在其生命周期內(nèi)永不停息地工作。

        關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);水體環(huán)境監(jiān)測;新能源;無人化

        中圖分類號:TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1007-9416(2017)05-0165-02

        作為影響國計民生最重要的自然資源之一,水資源在社會生活及工業(yè)生產(chǎn)中具有舉足輕重的地位。我國盡管總量豐富,卻面臨著人均占有量較低、水資源空間分布不均勻等困難[1]。造成水資源缺乏的原因很多,其中由于水體環(huán)境惡化而導(dǎo)致的水質(zhì)型缺水是一個重要方面[2],因此,對水體環(huán)境,主要是各種水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測已為各級政府所重視。水體環(huán)境監(jiān)測的信息化則是該領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展方向。若能基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),對水體的各項物化參數(shù)(如溫度、PH值、透光率,含氧量等)進(jìn)行完整采集,并最終實現(xiàn)網(wǎng)格化、多元化和菜單式的物化參數(shù)監(jiān)測,對于保護(hù)水資源環(huán)境、實現(xiàn)水資源的高效利用具有重要意義。

        無人船(Unmanned Surface Vehicle, USV)由于具有布放靈活、成本經(jīng)濟(jì),可以在人跡罕至或人跡難至的工作區(qū)域自動測量等明顯的技術(shù)優(yōu)勢,已引起了國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注。在國外,以美國哈希(Hash)公司為代表,提出了基于Hydrolab的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀的設(shè)計方案,其監(jiān)測參數(shù)包括溶解氧、電導(dǎo)率等十五種參數(shù)。但是它必須搭配一定的載體才能完成任務(wù),而且價格十分昂貴。在國內(nèi),眾多學(xué)者也相繼在這一領(lǐng)域展開了研究。如李廣武、韋曉強(qiáng)所提出的一種多功能深水環(huán)保船[3],主要用于海面溢油回收,兼具對小塊漂浮垃圾的回收功能;金英連等提出的自主湖水環(huán)境監(jiān)測船[4],可以實現(xiàn)水體環(huán)境的全自主監(jiān)測;林群馥等提出的無人駕駛水域環(huán)境智能監(jiān)測船[5],可已代替人完成偏遠(yuǎn)或惡劣環(huán)境下的全天候水域環(huán)境監(jiān)測。

        本文研究并設(shè)計了一種智能化水體環(huán)境監(jiān)測無人船,系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實現(xiàn)對水體的各項物化參數(shù)網(wǎng)格化的完整采集,后通過無線通信技術(shù)將信息傳輸至控制中心作進(jìn)一步處理,完成對水體環(huán)境的監(jiān)測。此外,控制中心亦可通過反向鏈路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對移動載體(船體)動力系統(tǒng)進(jìn)行控制,以實現(xiàn)網(wǎng)格化、多元化和菜單式的物化參數(shù)監(jiān)測。與現(xiàn)有相關(guān)研究相比,本系統(tǒng)具有使用方便、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可擴(kuò)充性強(qiáng)等優(yōu)點,一方面滿足了廣域化分布式的需求,同時也消除了用戶對人力成本高昂的顧慮。

        1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

        按照動能劃分,全系統(tǒng)由動力模塊和電子艙構(gòu)成。其中,動力模塊使用太陽能電池作為能源,并實現(xiàn)對其他各模塊的非接觸供電;電子艙包括測量模塊、通信模塊、GPS定位模塊。信息采集模塊由溫度、透光率、光照強(qiáng)度、PH值等傳感器及信號處理電路組成;通信模塊基于ZigBee技術(shù)進(jìn)行自組網(wǎng),基于藍(lán)牙技術(shù)實現(xiàn)點到點的傳輸,基于工作在433MHZ的無線模塊實現(xiàn)對廣域網(wǎng)的接入;GPS用來實現(xiàn)船體定位,以實現(xiàn)定位和網(wǎng)格化的自動采集。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

        2 主要組成模塊及關(guān)鍵技術(shù)介紹

        2.1 動力模塊

        作為一種可再生的新型環(huán)保綠色能源,太陽能在實際生產(chǎn)應(yīng)用中逐漸被人們所關(guān)注。本系統(tǒng)采用非晶硅太陽能電池進(jìn)行供電,既能防止傳統(tǒng)燃料能源污染水體,又能保證系統(tǒng)電源的穩(wěn)定。非接觸供電是指與物理接觸的電力傳輸模式,是第二次無線通信,無線網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過第三次無線革命后,業(yè)界作為基礎(chǔ)應(yīng)用的尖端技術(shù),其廣泛的跨產(chǎn)品應(yīng)用,有望推動國家和世界通信、電子、網(wǎng)絡(luò)、新能源等行業(yè)的突破和創(chuàng)新。

        2.2 測量模塊

        測量模塊是由單片機(jī)、方波發(fā)生電路、量程換擋電路、檢波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、鍵盤控制電路、傳感器和液晶顯示電路組成。其中傳感器可以根據(jù)使用需求選擇PH、溫度、氧、電導(dǎo)率、透光率等,并且進(jìn)行擴(kuò)展。以電導(dǎo)測量為例,其組成框圖如圖2所示。

        如圖2所示,方波發(fā)生電路產(chǎn)生占空比為50%的正負(fù)脈沖為1V的電壓加到電導(dǎo)的兩端,經(jīng)過電導(dǎo)池的電流經(jīng)過量程換擋電路放大后變?yōu)殡妷盒盘?,通過檢波電路將電壓峰—峰值變化為電壓有效值,經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換電路后送入單片機(jī),完成電導(dǎo)率數(shù)據(jù)的采集。然后進(jìn)行溶液溫度的采樣,通過軟件編程對溫度進(jìn)行補(bǔ)償,計算得到被測溶液在25℃基準(zhǔn)溫度下的電導(dǎo)率。將最后的結(jié)果通過LCD顯示出來。

        2.3 通信模塊

        如圖3所示,通信模塊由無線發(fā)射節(jié)點和無線接收節(jié)點組成。其中,無線發(fā)射節(jié)點由無線發(fā)射模塊和單片機(jī)AT89C51組成。要發(fā)射的數(shù)據(jù)被送入單片機(jī)中后,即由AT89C51控制無線發(fā)射模塊將數(shù)據(jù)信息發(fā)送出去。本系統(tǒng)中的無線發(fā)射模塊E12-TTL工作在433MHz頻率上,工作電壓約3.3V,通過單片機(jī)設(shè)置不同的響應(yīng)時間、狀態(tài)切換等形式,可以支持不同的功耗等級,從而達(dá)到整個系統(tǒng)低功耗的目的。當(dāng)整個無線發(fā)射節(jié)點正常工作時,其功耗不超過300mw,通信速率為19.2Kbps。無線接收節(jié)點由無線接收模塊和單片機(jī)AT89C51組成,負(fù)責(zé)接收來自無線發(fā)射模塊的數(shù)據(jù),并送入數(shù)據(jù)處理中心。

        2.4 GPS模塊

        本文選擇的是鵬騰俐科技有限公司的GPS天線加上我們自己所設(shè)計的電路才組成的模塊,主要由供電部分、GPS模組和天線組成,用于船體定位,該功能可以實現(xiàn)對大范圍水域進(jìn)行全覆蓋拉網(wǎng)式監(jiān)測,即使遠(yuǎn)距離作業(yè)也能隨時跟蹤船體位置,獲知測試點地理位置。

        3 測試及結(jié)果分析

        將本系統(tǒng)應(yīng)用于校園內(nèi)水域的水體環(huán)境參數(shù)監(jiān)測,在下水測試前,需要對動力模塊及測量模塊進(jìn)行調(diào)試。首先觀察系統(tǒng)在非接觸式供電條件下,是否能夠在水里自由游動。endprint

        3.1 定位模塊測試

        在使用定位功能前,需打開提前安裝好的百度地圖API,后將系統(tǒng)放入測試水域,利用GPS模塊實現(xiàn)船體定位,該功能可以實現(xiàn)對大范圍水域進(jìn)行全覆蓋拉網(wǎng)式監(jiān)測,即使遠(yuǎn)距離作業(yè)也能隨時跟蹤船體位置,獲知測試點地理位置。定位結(jié)果表明,在空曠水域,系統(tǒng)的定位誤差小于3米,而在非空曠水域,定位誤差為5—10米。

        3.2 測量模塊測試

        測量系統(tǒng)的調(diào)試框圖如圖4所示。其中,芯片3140的輸入為傳感器所采集的信號,其實質(zhì)為跟隨器,若輸入信號等于輸出,則表示這部分正常。而后,3140輸出的模擬信號將進(jìn)一步送入AD模塊,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。生成的數(shù)字信號送入MCU,通過液晶屏來顯示。顯示的數(shù)據(jù)可以存儲到芯片中。測量模塊的供電部分,主要是由無線供電。然后經(jīng)過一個升壓模塊將原來的3.7V升至5V。給整個測量電路供電。

        系統(tǒng)可以對溫度、電導(dǎo)率、透光率、PH值和氮氧含量等物理化學(xué)參數(shù)進(jìn)行檢測,并且對各類水域加以區(qū)分。這也是本系統(tǒng)最重要的一個優(yōu)勢,其拓展性非常強(qiáng),根據(jù)不同的水域,可以搭載不同的傳感器來監(jiān)測。以測量PH為例,本文對正常條件下湖泊參數(shù)和自來水的參數(shù)進(jìn)行了測試,通過實驗可見,PH值測試模塊可以區(qū)別自然水體與自來水。此外,溫度模塊的測量誤差小于2攝氏度。

        4 結(jié)語

        本文以物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)為核心,設(shè)計了一種智能化全自動水體環(huán)境監(jiān)測無人船。系統(tǒng)的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在如下幾個方面:

        (1)與傳統(tǒng)的實體測量船相比,實現(xiàn)了小型化、無人化和低成本,一方面滿足了廣域化分布式的需求,同時也消除了用戶對人力成本高昂的顧慮。

        (2)跟蹤定位實現(xiàn)了網(wǎng)格化,滿足了精細(xì)化測量需求。

        (3)自組聯(lián)網(wǎng)后臺管理,實現(xiàn)了信息傳遞的快速、可靠、穩(wěn)定。

        (4)太陽能等綠色能源的有效使用,一方面防止了傳統(tǒng)燃料對水體的污染,同時,只要用戶的如下要求存在:要求它在其生命周期內(nèi)永不停息地工作,它照樣能滿足。

        參考文獻(xiàn)

        [1]王忠福.我國水資源利用中的問題與可持續(xù)利用對策[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報,2011,5(16):122-127.

        [2]黃耀歡,王浩,肖偉華,秦大庸.內(nèi)陸水體環(huán)境遙感監(jiān)測研究評述[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2010,5(29):549-556.

        [3]李廣武,韋曉強(qiáng).多功能深水環(huán)保船建造檢驗要點綜述[J].2016,5(38):15-23.

        [4]金英連,王斌銳,嚴(yán)天宏.自主湖水環(huán)境監(jiān)測船的運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].2012,11(38):240-243.

        [5]林群馥,傅隆亮,陳曉斌,曹陽,林建.無人駕駛水域環(huán)境智能監(jiān)測船[J].2014,2:169.endprint

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