泰山學(xué)院

劉智勇，楊 晨，吳 楊，郭舒心

1 作品介紹

基于人工智能的水體環(huán)境分析平臺主要包括人工智能視覺導(dǎo)航單元、水質(zhì)傳感器單元、氣候傳感器單元、電源管理單元、機動單元、主控單元以及無線傳輸單元，如圖1所示。其中每個功能單元相互獨立，既便于產(chǎn)品設(shè)計組裝，也便于后期的維護。水質(zhì)傳感單元是全自動水域污染監(jiān)控船最主要的單元，它實現(xiàn)了傳感器模塊的固定、電器連接、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及傳感器模塊的識別。氣候傳感器模塊是本平臺的輔助傳感器單元，負責(zé)收集氣壓、空氣濕度和空氣溫度等指標，便于協(xié)助用戶測算蒸發(fā)量等水文數(shù)據(jù)。電源管理單元主要負責(zé)整體電源的供應(yīng)，同時也負責(zé)管理太陽能充電過程以及電池放電過程。機動單元主要負責(zé)船體的驅(qū)動，將船體推動到用戶指定位置，便于檢測大規(guī)模水域面積內(nèi)不同的位置。主控單元主要負責(zé)平臺內(nèi)部各種控制過程的管理以及模擬與數(shù)字信號數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。無線傳輸單元內(nèi)部分為兩個模塊：一個為數(shù)據(jù)傳輸模塊，負責(zé)傳輸數(shù)據(jù)以及設(shè)備組網(wǎng)；另一個為GPS模塊，負責(zé)獲取衛(wèi)星授時以及水體環(huán)境分析平臺的位置信息。

圖1 基于人工智能的水體環(huán)境分析平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2 技術(shù)原理

2.1 視覺自動避障單元

為了實現(xiàn)船體的自動導(dǎo)航，在平臺內(nèi)置了Open MV人工智能視覺分析自動避障系統(tǒng)，避障系統(tǒng)與主控系統(tǒng)相結(jié)合。在水體環(huán)境分析平臺的前方兩側(cè)分別配有Open MV視覺避障傳感器，當前方出現(xiàn)障礙物時Open MV會自動識別出障礙物距離并進行主動避障。平臺兩側(cè)的Open MV主要朝向水面，當水面出現(xiàn)大量水草時，系統(tǒng)自動識別并進行避障操作。Open MV通過串口與單片機相連。由于平臺大部分時間會處于潮濕環(huán)境中，本項目為視覺自動避障單元做了特殊的防水處理，在鏡頭部分通過涂抹疏油層的方式降低水滴對人工智能視覺處理效果的影響。

2.2 自動折疊水環(huán)境分析單元

本項目為用戶提供多種可供選擇的傳感器模塊：液體渾濁度模塊、液體pH值模塊、液體電導(dǎo)模塊等。傳感器模塊通過模擬信號將所收集的信息傳輸至主控單元，為了能使主控單元準確地識別出所接入的傳感器模塊與接座，在傳感器模塊中加入了SPI總線的EPROM芯片，將傳感器的信息儲存在其中，每個接座都有獨立的SPI總線。當主控部分在相應(yīng)的端口檢測到傳感器信息時，會將對應(yīng)的數(shù)據(jù)換算方法匹配到接座對應(yīng)的通道，并轉(zhuǎn)換出對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

由于整個水質(zhì)傳感單元都位于水面以下，無論是傳感器接座還是傳感模塊都是全面防水的，兩者之間的連接通過O形環(huán)進行密封，最大程度地保證機械連接處的防水性能。本設(shè)計中傳感器模塊相互獨立，并且具備統(tǒng)一的電氣連接接口以及機械連接結(jié)構(gòu)，形成了統(tǒng)一的標準化模塊部件，用戶可以自由地進行更換與升級，并根據(jù)自己的需求購買合適價位和功能的傳感器。

2.3 氣候傳感單元

本項目平臺中加入了氣候相關(guān)的傳感器，便于用戶評估所在水域的水文數(shù)據(jù)；同時還在平臺內(nèi)部加入了一個氣壓、溫度、濕度三合一的傳感器，通過管道和多孔式保護罩與外界空氣相連，既保證了足夠的空氣流通量，也保證了整體的防水特性。

通過氣壓、濕度、溫度這三種氣候數(shù)據(jù)，可以大致估算出浮標所檢測區(qū)域的天氣狀況以及水域的蒸發(fā)量等簡單的水文信息，便于用戶對所檢測水域進行更加全面的分析與評估。

2.4 電源管理單元

平臺中有很多對電源質(zhì)量要求很高的部件，例如主控單元內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換部分、無線傳輸單元等。針對這種情況，將電源部分單獨進行設(shè)計，以保證電源供應(yīng)的穩(wěn)定性。電源管理單元對其余每個部分都能提供獨立的DC-DC供電電路，同時每路DC-DC可以單獨控制其使能狀態(tài)，便于實現(xiàn)整體的低功耗功能。

在電源管理單元內(nèi)部加入了太陽能供電系統(tǒng)，使平臺無需額外的供電線纜，實現(xiàn)離網(wǎng)運行。浮標內(nèi)部配備一個鉛酸蓄電池，具有較長的壽命以及較大的容量，可以滿足整體系統(tǒng)長時間運行的電能需求，電源管理部分同時也負責(zé)管理太陽能對電池充電和放電的過程。當電池電量充滿后，自動結(jié)束充電，并切換至太陽能電池板供電，避免出現(xiàn)電池過充的情況。

2.5 主控單元

本項目中將主控部分單獨設(shè)計與開發(fā)，既有助于減小其他功能單元產(chǎn)生的干擾信號，也便于后期的硬件維護與固件升級。主控部分采用美信公司的ATMEGA32U4單片機作為主控芯片，內(nèi)部具備ROM、SRAM、ADC、USB2.0 PHY等外設(shè)，具有體積小巧、功能豐富、穩(wěn)定性高的特點，能夠保證各項功能的穩(wěn)定運行。主控芯片內(nèi)部的Bootloader將USB2.0 PHY外設(shè)作為虛擬串口，方便調(diào)試信息輸出以及后期的固件升級。用戶僅須將主控部分通過USB線纜與電腦連接，便可以實現(xiàn)上述功能，無需額外的設(shè)備。

為了方便用戶進行簡單的現(xiàn)場調(diào)試，在平臺內(nèi)部加入了一個帶有顯示屏和按鍵的控制面板作為簡單的人機界面。控制面板的顯示屏主要顯示浮標聯(lián)網(wǎng)的狀況、傳感器接入狀況、電池電量等信息，同時還有一個設(shè)置菜單，便于用戶對無線連接以及時間等項目進行設(shè)置。鑒于實際使用環(huán)境中的光照環(huán)境較為復(fù)雜，采用一塊0.96英寸的單色OLED顯示屏，可以顯示高對比度的文本，在各種光照條件下的可讀性大大增強；此外控制面板還配備三個操作按鍵，便于用戶進行簡單的操作。

2.6 無線傳輸單元

基于人工智能的水體環(huán)境分析平臺的無線傳輸單元具備兩種功能：一個是數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)；另一個是衛(wèi)星定位。無線傳輸模塊作為一個對干擾信號敏感的模塊，同樣需要電磁屏蔽的措施，為此對其進行模塊化設(shè)計，以保證其最佳的抗干擾性能。

本項目采用SEMTECH公司的SX1278遠距離信號收發(fā)芯片作為無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)制解調(diào)部分，借助其內(nèi)部的調(diào)制解調(diào)器來實現(xiàn)穩(wěn)定的超遠距離無線數(shù)據(jù)傳送。相較于傳統(tǒng)的基于2.4G頻帶通信方式（藍牙、WiFi、無限透傳），有效地減小了高頻噪聲的干擾，使通信的有效距離大大增加；同時也降低了設(shè)備的功耗、元器件成本。

為了便于用戶在多個浮標組網(wǎng)的情況下獲取每個浮標的具體位置，在平臺中加入了衛(wèi)星定位模塊。衛(wèi)星定位模塊支持GPS衛(wèi)星信號以及北斗衛(wèi)星信號，可以更加快速、穩(wěn)定、準確地進行定位；同時也可以獲取準確的衛(wèi)星授時信號，平臺將會根據(jù)此授時信號計算出準確的時間，用于記錄每次收集傳感器數(shù)據(jù)的時間，以實現(xiàn)實時的水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)控，便于用戶統(tǒng)計與分析。衛(wèi)星定位模塊同樣也安裝于無線傳輸單元，可以大大減小模塊與其他單元間的信號干擾，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性大大增強。

3 創(chuàng)新點及市場前景

基于人工智能的水體環(huán)境分析平臺填補了相關(guān)市場的空白，相較于傳統(tǒng)的水環(huán)境分析儀來說，平臺的數(shù)據(jù)處理能力與便捷水平占有絕對的優(yōu)勢。本平臺采用了模塊化的設(shè)計，內(nèi)部的每個功能單元相互獨立，既便于產(chǎn)品設(shè)計組裝，也便于后期的產(chǎn)品維護以及對產(chǎn)品硬件的模塊化升級和功能增量。

目前產(chǎn)品的主要市場定位在水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)、科研院校、高污染高排放行業(yè)、水體環(huán)境分析行業(yè)等。其中水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)是民用產(chǎn)品的主要供應(yīng)市場，本產(chǎn)品能夠幫助用戶更加方便地采取優(yōu)化水質(zhì)的措施，大大減少用戶的養(yǎng)殖開支與精力；各大科研院校都計劃設(shè)立相關(guān)的自然環(huán)境研究機構(gòu)，意在對自然環(huán)境進行更加完整的把控，可靠的水體環(huán)境分析方案以及高效的數(shù)據(jù)收集方式可以大大加快他們的研究進程；隨著我國工業(yè)生產(chǎn)力的飛速發(fā)展，各種加工廠如雨后春筍般建立起來，然而卻大大增加了自然環(huán)境保護的開銷，尤其是對高污染高排放企業(yè)有害物質(zhì)排放的檢測尤為重要，本產(chǎn)品可以做到全自動地實時監(jiān)控以及大范圍的組網(wǎng)監(jiān)控。由此看來本產(chǎn)品市場潛力很大。