基于人工智能的水體環(huán)境分析平臺(tái)
——中泰智舟

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(tái)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(jī)動(dòng)單元、主控單元以及無(wú)線傳輸單元，如圖1所示。其中每個(gè)功能單元相互獨(dú)立，既便于產(chǎn)品設(shè)計(jì)組裝，也便于后期的維護(hù)。水質(zhì)傳感單元是全自動(dòng)水域污染監(jiān)控船最主要的單元，它實(shí)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(shí)別。氣候傳感器模塊是本平臺(tái)的輔助傳感器單元，負(fù)責(zé)收集氣壓、空氣濕度和空氣溫度等指標(biāo)，便于協(xié)助用戶測(cè)算蒸發(fā)量等水文數(shù)據(jù)。電源管理單元主要負(fù)責(zé)整體電源的供應(yīng)，同時(shí)也負(fù)責(zé)管理太陽(yáng)能充電過(guò)程以及電池放電過(guò)程。機(jī)動(dòng)單元主要負(fù)責(zé)船體的驅(qū)動(dòng)，將船體推動(dòng)到用戶指定位置，便于檢測(cè)大規(guī)模水域面積內(nèi)不同的位置。主控單元主要負(fù)責(zé)平臺(tái)內(nèi)部各種控制過(guò)程的管理以及模擬與數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。無(wú)線傳輸單元內(nèi)部分為兩個(gè)模塊：一個(gè)為數(shù)據(jù)傳輸模塊，負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)以及設(shè)備組網(wǎng)；另一個(gè)為GPS模塊，負(fù)責(zé)獲取衛(wèi)星授時(shí)以及水體環(huán)境分析平臺(tái)的位置信息。

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

2 技術(shù)原理

2.1 視覺自動(dòng)避障單元

為了實(shí)現(xiàn)船體的自動(dòng)導(dǎo)航，在平臺(tái)內(nèi)置了Open MV人工智能視覺分析自動(dòng)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(tái)的前方兩側(cè)分別配有Open MV視覺避障傳感器，當(dāng)前方出現(xiàn)障礙物時(shí)Open MV會(huì)自動(dòng)識(shí)別出障礙物距離并進(jìn)行主動(dòng)避障。平臺(tái)兩側(cè)的Open MV主要朝向水面，當(dāng)水面出現(xiàn)大量水草時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別并進(jìn)行避障操作。Open MV通過(guò)串口與單片機(jī)相連。由于平臺(tái)大部分時(shí)間會(huì)處于潮濕環(huán)境中，本項(xiàng)目為視覺自動(dòng)避障單元做了特殊的防水處理，在鏡頭部分通過(guò)涂抹疏油層的方式降低水滴對(duì)人工智能視覺處理效果的影響。

2.2 自動(dòng)折疊水環(huán)境分析單元

本項(xiàng)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(guò)模擬信號(hào)將所收集的信息傳輸至主控單元，為了能使主控單元準(zhǔn)確地識(shí)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(chǔ)存在其中，每個(gè)接座都有獨(dú)立的SPI總線。當(dāng)主控部分在相應(yīng)的端口檢測(cè)到傳感器信息時(shí)，會(huì)將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)換算方法匹配到接座對(duì)應(yīng)的通道，并轉(zhuǎn)換出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

由于整個(gè)水質(zhì)傳感單元都位于水面以下，無(wú)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(guò)O形環(huán)進(jìn)行密封，最大程度地保證機(jī)械連接處的防水性能。本設(shè)計(jì)中傳感器模塊相互獨(dú)立，并且具備統(tǒng)一的電氣連接接口以及機(jī)械連接結(jié)構(gòu)，形成了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化模塊部件，用戶可以自由地進(jìn)行更換與升級(jí)，并根據(jù)自己的需求購(gòu)買合適價(jià)位和功能的傳感器。

2.3 氣候傳感單元

本項(xiàng)目平臺(tái)中加入了氣候相關(guān)的傳感器，便于用戶評(píng)估所在水域的水文數(shù)據(jù)；同時(shí)還在平臺(tái)內(nèi)部加入了一個(gè)氣壓、溫度、濕度三合一的傳感器，通過(guò)管道和多孔式保護(hù)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(guò)氣壓、濕度、溫度這三種氣候數(shù)據(jù)，可以大致估算出浮標(biāo)所檢測(cè)區(qū)域的天氣狀況以及水域的蒸發(fā)量等簡(jiǎn)單的水文信息，便于用戶對(duì)所檢測(cè)水域進(jìn)行更加全面的分析與評(píng)估。

2.4 電源管理單元

平臺(tái)中有很多對(duì)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(wú)線傳輸單元等。針對(duì)這種情況，將電源部分單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證電源供應(yīng)的穩(wěn)定性。電源管理單元對(duì)其余每個(gè)部分都能提供獨(dú)立的DC-DC供電電路，同時(shí)每路DC-DC可以單獨(dú)控制其使能狀態(tài)，便于實(shí)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(yáng)能供電系統(tǒng)，使平臺(tái)無(wú)需額外的供電線纜，實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)運(yùn)行。浮標(biāo)內(nèi)部配備一個(gè)鉛酸蓄電池，具有較長(zhǎng)的壽命以及較大的容量，可以滿足整體系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的電能需求，電源管理部分同時(shí)也負(fù)責(zé)管理太陽(yáng)能對(duì)電池充電和放電的過(guò)程。當(dāng)電池電量充滿后，自動(dòng)結(jié)束充電，并切換至太陽(yáng)能電池板供電，避免出現(xiàn)電池過(guò)充的情況。

2.5 主控單元

本項(xiàng)目中將主控部分單獨(dú)設(shè)計(jì)與開發(fā)，既有助于減小其他功能單元產(chǎn)生的干擾信號(hào)，也便于后期的硬件維護(hù)與固件升級(jí)。主控部分采用美信公司的ATMEGA32U4單片機(jī)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(diǎn)，能夠保證各項(xiàng)功能的穩(wěn)定運(yùn)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(jí)。用戶僅須將主控部分通過(guò)USB線纜與電腦連接，便可以實(shí)現(xiàn)上述功能，無(wú)需額外的設(shè)備。

為了方便用戶進(jìn)行簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，在平臺(tái)內(nèi)部加入了一個(gè)帶有顯示屏和按鍵的控制面板作為簡(jiǎn)單的人機(jī)界面?？刂泼姘宓娘@示屏主要顯示浮標(biāo)聯(lián)網(wǎng)的狀況、傳感器接入狀況、電池電量等信息，同時(shí)還有一個(gè)設(shè)置菜單，便于用戶對(duì)無(wú)線連接以及時(shí)間等項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)置。鑒于實(shí)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(duì)比度的文本，在各種光照條件下的可讀性大大增強(qiáng)；此外控制面板還配備三個(gè)操作按鍵，便于用戶進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作。

2.6 無(wú)線傳輸單元

基于人工智能的水體環(huán)境分析平臺(tái)的無(wú)線傳輸單元具備兩種功能：一個(gè)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)；另一個(gè)是衛(wèi)星定位。無(wú)線傳輸模塊作為一個(gè)對(duì)干擾信號(hào)敏感的模塊，同樣需要電磁屏蔽的措施，為此對(duì)其進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，以保證其最佳的抗干擾性能。

本項(xiàng)目采用SEMTECH公司的SX1278遠(yuǎn)距離信號(hào)收發(fā)芯片作為無(wú)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(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的超遠(yuǎn)距離無(wú)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(lán)牙、WiFi、無(wú)限透?jìng)鳎?，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(shí)也降低了設(shè)備的功耗、元器件成本。

為了便于用戶在多個(gè)浮標(biāo)組網(wǎng)的情況下獲取每個(gè)浮標(biāo)的具體位置，在平臺(tái)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(hào)以及北斗衛(wèi)星信號(hào)，可以更加快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地進(jìn)行定位；同時(shí)也可以獲取準(zhǔn)確的衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)，平臺(tái)將會(huì)根據(jù)此授時(shí)信號(hào)計(jì)算出準(zhǔn)確的時(shí)間，用于記錄每次收集傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)控，便于用戶統(tǒng)計(jì)與分析。衛(wèi)星定位模塊同樣也安裝于無(wú)線傳輸單元，可以大大減小模塊與其他單元間的信號(hào)干擾，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性大大增強(qiáng)。

3 創(chuàng)新點(diǎn)及市場(chǎng)前景

基于人工智能的水體環(huán)境分析平臺(tái)填補(bǔ)了相關(guān)市場(chǎng)的空白，相較于傳統(tǒng)的水環(huán)境分析儀來(lái)說(shuō)，平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理能力與便捷水平占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。本平臺(tái)采用了模塊化的設(shè)計(jì)，內(nèi)部的每個(gè)功能單元相互獨(dú)立，既便于產(chǎn)品設(shè)計(jì)組裝，也便于后期的產(chǎn)品維護(hù)以及對(duì)產(chǎn)品硬件的模塊化升級(jí)和功能增量。

目前產(chǎn)品的主要市場(chǎng)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(chǎng)，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(jì)劃設(shè)立相關(guān)的自然環(huán)境研究機(jī)構(gòu)，意在對(duì)自然環(huán)境進(jìn)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(jìn)程；隨著我國(guó)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(lái)，然而卻大大增加了自然環(huán)境保護(hù)的開銷，尤其是對(duì)高污染高排放企業(yè)有害物質(zhì)排放的檢測(cè)尤為重要，本產(chǎn)品可以做到全自動(dòng)地實(shí)時(shí)監(jiān)控以及大范圍的組網(wǎng)監(jiān)控。由此看來(lái)本產(chǎn)品市場(chǎng)潛力很大。