齊雯靜 周小帆 曹沃野 楊名遠(yuǎn) 張小萌

（南開(kāi)大學(xué)濱海學(xué)院 天津市 300270）

水的品質(zhì)與我國(guó)居民、企業(yè)、社會(huì)的用水安全密切相關(guān)，而對(duì)水質(zhì)影響較大的參數(shù)有PH值、水的渾濁度以及是否存在污染垃圾等。傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析和調(diào)整，也常常會(huì)因?yàn)轲B(yǎng)殖戶(hù)缺乏經(jīng)驗(yàn)或無(wú)無(wú)人看管沒(méi)有及時(shí)調(diào)節(jié)水質(zhì)，出現(xiàn)水質(zhì)不佳的情況，造成經(jīng)濟(jì)損失。本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水環(huán)境智慧服務(wù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)水質(zhì)，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)搭建的云平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與數(shù)據(jù)分析。

1 整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。該系統(tǒng)的上位機(jī)選用STM32單片機(jī)作為核心處理器連接濁度傳感器、PH值傳感器以及其他傳感器，下位機(jī)選用樹(shù)莓派和新大陸作為核心處理器對(duì)人臉及垃圾進(jìn)行識(shí)別，上位機(jī)與下位機(jī)通過(guò)串口協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，上位機(jī)將下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)華為5G和移動(dòng)端傳到云端服務(wù)器，使整個(gè)監(jiān)測(cè)站更為智能化與靈活。

圖1：整體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件部分

2.1 整體硬件構(gòu)成

基于物聯(lián)網(wǎng)的水環(huán)境智慧服務(wù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。其中上位機(jī)由樹(shù)莓派開(kāi)源主板以及新大陸NLE-800AI人工智能開(kāi)發(fā)板組成，下位機(jī)則由STM32以及PH值傳感器，濁度傳感器等傳感器通過(guò)杜邦線連接組成。

2.2 硬件傳感器

PH值和濁度傳感器通過(guò)STM32的ADC對(duì)傳感器模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并打包成數(shù)據(jù)包通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)樹(shù)莓派。

PH值傳感器電路圖如圖2所示，濁度傳感器電路圖如圖3所示。

圖2：PH值傳感器電路圖

圖3：濁度傳感器電路圖

2.3 上位機(jī)組成及功能

上位機(jī)NLE-800AI開(kāi)發(fā)板主要用于人臉識(shí)別，人臉采集，人臉比對(duì)等人臉?lè)矫娴臄?shù)據(jù)處理，并通過(guò)TCP協(xié)議將視頻流上傳到云端服務(wù)器。樹(shù)莓派則運(yùn)行一套垃圾識(shí)別分類(lèi)系統(tǒng)，通過(guò)攝像頭采集到的視頻流，利用經(jīng)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器學(xué)習(xí)的模型進(jìn)行分類(lèi)，并將識(shí)別到的垃圾框選標(biāo)注在視頻流內(nèi)，將處理過(guò)的視頻流以及垃圾種類(lèi)標(biāo)簽重新打包通過(guò)TCP協(xié)議上傳到云端服務(wù)器。

2.4 硬件通訊協(xié)議

上位機(jī)與下位機(jī)通過(guò)串口協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，通過(guò)USB轉(zhuǎn)TTL模塊將STM32發(fā)送的串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)將下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)華為5G DONGLE模塊上傳到云端服務(wù)器，同時(shí)可以在云端完成對(duì)監(jiān)測(cè)站的命令下發(fā)，可以更改采集頻率，類(lèi)型。上位機(jī)收到云端指令后通過(guò)串口發(fā)送給下位機(jī)從而完成云端和傳感器的互動(dòng)。使整個(gè)監(jiān)測(cè)站更為智能化與靈活。

3 軟件部分

本系統(tǒng)結(jié)合多種傳感器、固體垃圾識(shí)別，可以檢測(cè)水面上的固體垃圾的，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到水質(zhì)的PH值、濁度和氧含量等數(shù)據(jù)，如果水質(zhì)發(fā)生污染系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)“報(bào)警”，搭建的線上實(shí)時(shí)監(jiān)控云平通過(guò)新大陸設(shè)備系統(tǒng)訓(xùn)練計(jì)算模型，進(jìn)行高性能數(shù)值計(jì)算，處理分析數(shù)據(jù)，反饋給用戶(hù)。系統(tǒng)通過(guò)自主搭建云平臺(tái)，調(diào)用新大陸物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)API獲取相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)，獨(dú)立搭建大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，平臺(tái)功能有以下方面：實(shí)時(shí)監(jiān)控水面的情況，可以在平臺(tái)上看到監(jiān)控畫(huà)面，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)折線圖顯示傳感器數(shù)據(jù)，超過(guò)預(yù)設(shè)定的值將會(huì)啟動(dòng)“報(bào)警”功能。綜合AI攝像頭和傳感器返回的書(shū)記進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，得出當(dāng)前水質(zhì)的情況，實(shí)時(shí)更新。

AI人臉及垃圾識(shí)別如圖4所示。

圖4：AI人臉及垃圾識(shí)別

4 系統(tǒng)總結(jié)

為保障我國(guó)居民、企業(yè)用水安全，水質(zhì)監(jiān)測(cè)行業(yè)也迅速發(fā)展，本文以監(jiān)測(cè)識(shí)別，調(diào)節(jié)水質(zhì)為目的，設(shè)計(jì)了此系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)結(jié)果如下。

（1）自主搭建物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。調(diào)用了新大陸物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)API獲取相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)，獨(dú)立搭建大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)時(shí)將水中的信息準(zhǔn)確反饋到后臺(tái)管理界面，用戶(hù)僅需通過(guò)Web訪問(wèn)云服務(wù)器，就可實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)和管理系統(tǒng)。

（2）AI攝像頭識(shí)別水體垃圾和是否排放污染物。通過(guò)平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控水面情況，通過(guò)攝像頭，自由選擇監(jiān)測(cè)視角，進(jìn)行不同視角，范圍的水污染監(jiān)測(cè)。通過(guò)圖像識(shí)別、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)進(jìn)行異常顏色識(shí)別、垃圾物體識(shí)別觀察水體是否發(fā)生異常，是否出現(xiàn)雜物。

（3）傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新。結(jié)合新大陸設(shè)備，通過(guò)PH值傳感器和濁度傳感器等傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，監(jiān)控傳感器投放處被測(cè)區(qū)域的水質(zhì)情況，傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新在Web端，而且能夠通過(guò)Web端進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)。

（4）配有智能電源轉(zhuǎn)換器?？山尤?20V市電與12V太陽(yáng)能，提供穩(wěn)定的12V/2A輸出、5V/2A輸出、提供0-30V可調(diào)電壓輸出，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的持續(xù)供電。并且接入網(wǎng)絡(luò)，可以遠(yuǎn)端實(shí)現(xiàn)電源的通斷，增加設(shè)備的續(xù)航能力。

（5）根據(jù)實(shí)際河道情況進(jìn)行了模擬實(shí)地沙盤(pán)規(guī)劃。根據(jù)實(shí)際河道情況分析河道中水質(zhì)易被污染的區(qū)域投放重要傳感器，對(duì)河道中必經(jīng)之路進(jìn)行攝像頭監(jiān)控，監(jiān)測(cè)相應(yīng)水質(zhì)和水體。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著信息大數(shù)據(jù)化時(shí)代發(fā)展進(jìn)程的加快，人工智能技術(shù)的日益成熟，圖像識(shí)別的多元處理優(yōu)化功能逐漸完善，研究分析方法的不斷優(yōu)化與創(chuàng)新，水質(zhì)檢測(cè)發(fā)展的更加智能化。結(jié)合整個(gè)系統(tǒng)的感知功能，對(duì)水流域進(jìn)行監(jiān)測(cè)從而有效防止污染的產(chǎn)生。運(yùn)用大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多方流調(diào)與整合，為監(jiān)測(cè)工作提供了便捷性與可實(shí)用性。合理運(yùn)用人工智能，更好的完成我國(guó)水資源的監(jiān)測(cè)與改善。在監(jiān)測(cè)管理數(shù)據(jù)的過(guò)程中，應(yīng)該更加重視數(shù)據(jù)的調(diào)取與分析，以期可以達(dá)到最優(yōu)的監(jiān)測(cè)功效。