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摘要：为了解决传统水产养殖行业智能化程度相对较低的问题，应用物联网通信技术、传感器技术以及机械设计，设计了可自由开发的高性能水上智慧运载平台。此平台能够实现对高污染水域的无人巡航监控，对水产养殖水域的水文条件、天气信息进行实时监测与分析。此外，在船体中部加入了可自动折叠的机械结构，当船体航行到指定地点时可自动将传感器等部件下放到水中，对水质进行检测；并且用户可以按需定制不同的船体尺寸以及不同的传感器。
关键词：智慧养殖；水质分析；人工智能；智慧运载平台
平台主要包括人工智能视觉导航单元、水质传感器单元、气候传感器单元、电源管理单元、机动单元、主控单元以及无线传输单元，如图1所示。其中每个功能单元相互独立，既便于产品设计组装，也便于后期的维护。水质传感单元是全自动水域污染监控船最主要的单元，它实现了传感器模块的固定、电器连接、数据转换以及传感器模块的识别。气候传感器模块是本平台的辅助传感器单元，负责收集气压、空气湿度和空气温度等指标，便于协助用户测算蒸发量等水文数据。电源管理单元主要负责整体电源的供应，同时也负责管理太阳能充电过程以及电池放电过程。机动单元主要负责船体的驱动，将船体推动到用户指定位置，便于检测大规模水域面积内不同的位置。主控单元主要负责平台内部各种控制过程的管理以及模拟与数字信号数据的转换。无线传输单元内部分为两个模块：一个为数据传输模块，负责传输数据以及设备组网；另一个为GPS模块，负责获取卫星授时以及水体环境分析平台的位置信息。
2技术原理
2.1视觉自动避障单元
为了实现船体的自动导航，在平台内置了OpenMV人工智能视觉分析自动避障系统，避障系统与主控系统相结合。在水体环境分析平台的前方两侧分别配有OpenMV视觉避障传感器，当前方出现障碍物时OpenMV会自动识别出障碍物距离并进行主动避障。平台两侧的OpenMV主要朝向水面，当水面出现大量水草时，系统自动识别并进行避障操作。OpenMV通过串口与单片机相连。由于平台大部分时间会处于潮湿环境中，本项目为视觉自动避障单元做了特殊的防水处理，在镜头部分通过涂抹疏油层的方式降低水滴对人工智能视觉处理效果的影响。
2.2自动折叠水环境分析单元
本项目为用户提供多种可供选择的传感器模块：液体浑浊度模块、液体pH值模块、液体电导模块等。传感器模块通过模拟信号将所收集的信息传输至主控单元，为了能使主控单元准确地识别出所接入的传感器模块与接座，在传感器模块中加入了SPI总线的E2PROM芯片，将传感器的信息储存在其中，每个接座都有独立的SPI总线。当主控部分在相应的端口检测到传感器信息时，会将对应的数据换算方法匹配到接座对应的通道，并转换出对应的数据。由于整个水质传感单元都位于水面以下，无论是传感器接座还是传感模块都是全面防水的，两者之间的连接通过O形环进行密封，最大程度地保证机械连接处的防水性能。本设计中传感器模块相互独立，并且具备统一的电气连接接口以及机械连接结构，形成了统一的标准化模块部件，用户可以自由地进行更换与升级，并根据自己的需求购买合适价位和功能的传感器。
2.3气候传感单元
本项目平台中加入了气候相关的传感器，便于用户评估所在水域的水文数据；同时还在平台内部加入了一个气压、温度、湿度三合一的传感器，通过管道和多孔式保护罩与外界空气相连，既保证了足够的空气流通量，也保证了整体的防水特性。通过气压、湿度、温度这三种气候数据，可以大致估算出浮标所检测区域的天气状况以及水域的蒸发量等简单的水文信息，便于用户对所检测水域进行更加全面的分析与评估。
2.4电源管理单元
平台中有很多对电源质量要求很高的部件，例如主控单元内部的A/D转换部分、无线传输单元等。针对这种情况，将电源部分单独进行设计，以保证电源供应的稳定性。电源管理单元对其余每个部分都能提供独立的DC-DC供电电路，同时每路DC-DC可以单独控制其使能状态，便于实现整体的低功耗功能。在电源管理单元内部加入了太阳能供电系统，使平台无需额外的供电线缆，实现离网运行。浮标内部配备一个铅酸蓄电池，具有较长的寿命以及较大的容量，可以满足整体系统长时间运行的电能需求，电源管理部分同时也负责管理太阳能对电池充电和放电的过程。当电池电量充满后，自动结束充电，并切换至太阳能电池板供电，避免出现电池过充的情况。
2.5主控单元
本项目中将主控部分单独设计与开发，既有助于减小其他功能单元产生的干扰信号，也便于后期的硬件维护与固件升级。主控部分采用美信公司的ATMEGA32U4单片机作为主控芯片，内部具备ROM、SRAM、ADC、USB2.0PHY等外设，具有体积小巧、功能丰富、稳定性高的特点，能够保证各项功能的稳定运行。主控芯片内部的Bootloader将USB2.0PHY外设作为虚拟串口，方便调试信息输出以及后期的固件升级。用户仅须将主控部分通过USB线缆与电脑连接，便可以实现上述功能，无需额外的设备。为了方便用户进行简单的现场调试，在平台内部加入了一个带有显示屏和按键的控制面板作为简单的人机界面。控制面板的显示屏主要显示浮标联网的状况、传感器接入状况、电池电量等信息，同时还有一个设置菜单，便于用户对无线连接以及时间等项目进行设置。鉴于实际使用环境中的光照环境较为复杂，采用一块0.96英寸的单色OLED显示屏，可以显示高对比度的文本，在各种光照条件下的可读性大大增强；此外控制面板还配备三个操作按键，便于用户进行简单的操作。
2.6无线传输单元
基于人工智能的水体环境分析平台的无线传输单元具备两种功能：一个是数据传输的实现；另一个是卫星定位。无线传输模块作为一个对干扰信号敏感的模块，同样需要电磁屏蔽的措施，为此对其进行模块化设计，以保证其最佳的抗干扰性能。本项目采用SEMTECH公司的SX1278远距离信号收发芯片作为无线数据传输的调制解调部分，借助其内部的调制解调器来实现稳定的超远距离无线数据传送。相较于传统的基于2.4G频带通信方式（蓝牙、WiFi、无限透传），有效地减小了高频噪声的干扰，使通信的有效距离大大增加；同时也降低了设备的功耗、元器件成本。为了便于用户在多个浮标组网的情况下获取每个浮标的具体位置，在平台中加入了卫星定位模块。卫星定位模块支持GPS卫星信号以及北斗卫星信号，可以更加快速、稳定、准确地进行定位；同时也可以获取准确的卫星授时信号，平台将会根据此授时信号计算出准确的时间，用于记录每次收集传感器数据的时间，以实现实时的水质数据监控，便于用户统计与分析。卫星定位模块同样也安装于无线传输单元，可以大大减小模块与其他单元间的信号干扰，使系统的稳定性与可靠性大大增强。
3创新点及市场前景
基于人工智能的水体环境分析平台填补了相关市场的空白，相较于传统的水环境分析仪来说，平台的数据处理能力与便捷水平占有绝对的优势。本平台采用了模块化的设计，内部的每个功能单元相互独立，既便于产品设计组装，也便于后期的产品维护以及对产品硬件的模块化升级和功能增量。目前产品的主要市场定位在水产养殖行业、科研院校、高污染高排放行业、水体环境分析行业等。其中水产养殖行业是民用产品的主要供应市场，本产品能够帮助用户更加方便地采取优化水质的措施，大大减少用户的养殖开支与精力；各大科研院校都计划设立相关的自然环境研究机构，意在对自然环境进行更加完整的把控，可靠的水体环境分析方案以及高效的数据收集方式可以大大加快他们的研究进程；随着我国工业生产力的飞速发展，各种加工厂如雨后春笋般建立起来，然而却大大增加了自然环境保护的开销，尤其是对高污染高排放企业有害物质排放的检测尤为重要，本产品可以做到全自动地实时监控以及大范围的组网监控。由此看来本产品市场潜力很大。
作者：刘智勇 杨晨 吴杨 郭舒心 单位：泰山学院
