CN110243412B - 一种湿地环境因子采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种湿地环境因子采集装置，包括音频采集及声学定位设模块、图像采集模块、环境因子采集模块、土壤数据采集模块、水文采集模块、太阳能发电模块、控制模块和安装模块，音频采集及声学定位设模块、图像采集模块、环境因子采集模块、土壤数据采集模块和水文采集模块采用总线通讯模式与控制模块连接，太阳能发电模块与控制模块连接，控制模块与远程主控计算机无线通信连接。本发明可用于湿地、林区、农田等户外环境的实时监测，监测类别可到30因子以上，包括气象因子、土壤数据、水文数据、音频视频、照片，该装置可自主存储、分析数据，也可以实时回传，成本更低，可在野外无人值守的条件下长期运行。
Description
技术领域
本发明涉及环境监测设备技术领域，具体涉及一种湿地环境因子采集装置。
背景技术
随着生态文明建设的深入，生态环境变化越来越受到重视，湿地作为生态***的重要组成部分，具有保护生物多样性，调节径流，改善水质，调节小气候，以及提供食物及工业原料，提供旅游资源等多种功能。我们在对湿地环境的研究的过程中需要大量采集真实湿地环境中的环境音及气象因子、土壤数据，特别是动物的叫声进行分析研究。但在采集过程中，我们遇到了现有设备体积大，结构复杂，价格昂贵，安装条件苛刻等问题，同时上述设备在使用时需要有人值守，且操作有一定技术要求，并不适用于在湿地大规模布点。
现有设备存在以下缺点：1、自动音频采集设备大多为监控***设计，注重的是人类语音音频信号的采集，敏感频率范围为1k～3kHZ，对动物的叫声、环境音等并不能做到全频带采集。2、多采用较小的采样深度，较大压缩比对音频进行压缩，使得数据细节信息丢失严重，严重影响了后期的数据分析。3、多为存储录音，并不进行分析处理，也无法做到在野外环境下进行音频的自动录制分割及自动定位。4、只是单纯的记录音频数据或者音频和视频的混合数据。并不能同步记录气息状态、土壤状态、水文状态。对湿地生态研究意义不大。5、不能通过音频配合视频对发声点进行点位跟踪，对动物叫声的研究意义较低。6、不适宜在无电源供给、无网络信号高湿度的湿地中长时间自动运行。
发明内容
本发明为了解决上述问题，设计了一种湿地环境因子采集装置，该装置搭载了音频采集及声学定位设模块、图像采集模块、气象因子采集设备、土壤数据采集模块、水文采集模块，可采集音频、视频或照片、气象因子、土壤数据、水文数据；采集的数据以本地缓存和实时回传两种方式进行保存；可依据现场条件选择使用4G、WIFI、微波方式进行回传，省去了人工导出数据的麻烦；设备全部采用太阳能供电，可在野外无人值守条件下长期运行。
为了解决上述技术问题并达到上述技术效果，本发明通过以下技术内容实现的：
音频采集及声学定位模块，用于采集湿地环境中动物的叫声并对通过声学技术对该动物进行精确定位；
图像采集模块，用于获取湿地环境的视频及图片以及音频采集及声学定位设备精确定位的动物的视频及图片；
环境因子采集模块，用于获取湿地环境布点处的环境参数信息；
土壤数据采集模块，用于实时监测湿地环境布点处的土壤参数信息；
水文采集模块，用于实时监测湿地环境布点处的水位、水温、PH值和浊度等水质参数信息；
太阳能发电模块，用于获取太阳能并转换为电能后存储于控制模块中；
控制模块，为音频采集及声学定位设模块、图像采集模块、环境因子采集模块、土壤数据采集模块和水文采集模块提供电能，获取上述各模块采集的各参数信息，向主控计算机传输获取的各参数信息；接收主控计算机的驱动信息并驱动音频采集及声学定位设模块、图像采集模块、环境因子采集模块、土壤数据采集模块和水文采集模块；
安装模块，用于固定音频采集及声学定位设模块、图像采集模块、环境因子采集模块、土壤数据采集模块、水文采集模块和太阳能发电模块并作为安装载体固定于湿地环境布点处；
音频采集及声学定位设模块、图像采集模块、环境因子采集模块、土壤数据采集模块和水文采集模块采用总线通讯模式与控制模块连接，太阳能发电模块与控制模块连接，控制模块与远程主控计算机无线通信连接。
进一步的，所述的音频采集及声学定位设模块，包括八方位全频拾音器，用于采集湿地环境中动物的叫声并对通过声学技术对该动物进行精确定位；
图像采集模块，包括全景云台摄像机，用于获取湿地环境的视频及图片以及音频采集及声学定位设模块精确定位的动物的视频及图片；
环境因子采集模块，集成有照度传感器、温度传感器、湿度传感器、悬浮颗粒物传感器和二氧化碳传感器，用于获取湿地环境布点处的环境参数信息；
土壤数据采集模块，包括温湿度传感器、酸碱度传感器和电导率传感器，用于实时监测湿地环境布点处的土壤参数信息；
水文采集模块，包括水质传感器，用于实时监测湿地环境布点处的水位、水温、PH值和浊度等水质参数信息；
控制模块，包括控制箱和安装于控制箱中的电源模块、控制器和网络通信模块，电源模块与控制器连接，控制器与网络通信模块连接，电源模块用于为音频采集及声学定位设模块、图像采集模块、环境因子采集模块、土壤数据采集模块和水文采集模块的正常运行提供电能，控制器用于驱动上述设备并获取上述设备采集的各参数信息，网络通信模块用于传输控制器接收的各参数信息并向控制器反馈远程主控计算机传输的驱动信息；
太阳能发电模块，包括支架和太阳能电池板，用于获取太阳能并转换为电能后存储于电源模块中，为电源模块提供电源；
安装模块，用于固定音频采集及声学定位设模块、图像采集模块、环境因子采集模块、土壤数据采集模块、水文采集模块和太阳能发电模块并作为安装载体固定于湿地环境布点处；
音频采集及声学定位设模块、图像采集模块、环境因子采集模块、土壤数据采集模块和水文采集模块采用总线通讯模式与控制器连接，太阳能电池板通过光伏充电控制器与蓄电池连接，控制模块通过网络通信模块与远程主控计算机无线通信连接。
进一步的，所述的安装模块包括支撑杆，支撑杆的底部焊接有安装底座，安装底座上开有螺栓孔并通过地脚螺栓固定于湿地环境布点处的水泥预浇筑底座上，控制模块的控制箱通过扣件固定于支撑杆上，太阳能电池板通过支架固定于控制箱上方的支撑杆上，太阳能电池板上方的支撑杆上对称固定有支撑板，一侧的支撑板下方固定有八方位全频拾音器，八方位全频拾音器***的支撑板上设有喇叭状的挡板，支撑板的上方固定有环境因子采集模块，另一侧的支撑板上固定有全景云台摄像机，支撑杆的顶部固定有避雷针，八方位全频拾音器、全景云台摄像机和环境因子采集模块的数据连接线穿过固定于支撑杆上的集线管后与控制器连接，土壤数据采集模块与水文采集模块的数据连接线与控制器连接且土壤数据采集模块与水文采集模块的数据连接线通过抱箍固定于支撑杆上。
本发明的有益效果是：(1)该装置可用于湿地、林区、农田等户外环境的实时监测，监测类别可到30因子以上，包括气象因子、土壤数据、水文数据、音频视频、照片，该装置可自主存储、分析数据，也可以实时回传；(2)该设备单套成本更低，不足目前同类产品成本的四分之一；(3)该设备所具有的自动音频识别、自动声源定位、自动声源抓拍功能为同类产品所不具备的功能；(5)该装置搭载了音频采集及声学定位设模块、图像采集模块、气象因子采集设备、土壤数据采集模块、水文采集模块，可采集音频、视频或照片、气象因子、土壤数据、水文数据；采集的数据以本地缓存和实时回传两种方式进行保存；可依据现场条件选择使用4G、WIFI、微波方式进行回传，省去了人工导出数据的麻烦；设备全部采用太阳能供电，可在野外无人值守条件下长期运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是湿地环境因子采集装置的安装结构示意图；
图2是湿地环境因子采集装置的结构框图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-支撑杆，2-安装底座，3-螺栓孔，4-控制箱，5-太阳能电池板，6-八方位全频拾音器，7-全景云台摄像机，8-环境因子采集模块，9-水文采集模块，10-温湿度传感器，11-酸碱度传感器，12-电导率传感器，13-抱箍，14-集线管，15-支撑板，16-避雷针。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1-2所示，一种湿地环境因子采集装置，包括：
音频采集及声学定位设模块，包括八方位全频拾音器6，用于采集湿地环境中动物的叫声并对通过声学技术对该动物进行精确定位；
图像采集模块，包括全景云台摄像机7，用于获取湿地环境的视频及图片以及音频采集及声学定位设模块精确定位的动物的视频及图片；
环境因子采集模块8，集成有照度传感器、温度传感器、湿度传感器、悬浮颗粒物传感器和二氧化碳传感器，用于获取湿地环境布点处的环境参数信息；
土壤数据采集模块，包括温湿度传感器10、酸碱度传感器11和电导率传感器12，用于实时监测湿地环境布点处的土壤参数信息；
水文采集模块9，包括水质传感器，用于实时监测湿地环境布点处的水位、水温、PH值和浊度等水质参数信息；
控制模块，包括控制箱4和安装于控制箱4中的电源模块、控制器和网络通信模块，电源模块与控制器连接，控制器与网络通信模块连接，电源模块用于为音频采集及声学定位设模块、图像采集模块、环境因子采集模块、土壤数据采集模块和水文采集模块的正常运行提供电能，控制器用于驱动上述设备并获取上述设备采集的各参数信息，网络通信模块用于传输控制器接收的各参数信息并向控制器反馈远程主控计算机传输的驱动信息；
太阳能发电模块，包括支架和太阳能电池板5，用于获取太阳能并转换为电能后存储于电源模块中，为电源模块提供电源；
安装模块，用于固定音频采集及声学定位设模块、图像采集模块、环境因子采集模块、土壤数据采集模块、水文采集模块和太阳能发电模块并作为安装载体固定于湿地环境布点处；
音频采集及声学定位设模块、图像采集模块、环境因子采集模块、土壤数据采集模块和水文采集模块采用总线通讯模式与控制器连接，太阳能电池板与蓄电池连接，控制模块通过网络通信模块与远程主控计算机无线通信连接。
其中，所述的安装模块包括支撑杆1，支撑杆1的底部焊接有安装底座2，安装底座2上开有螺栓孔3并通过地脚螺栓固定于湿地环境布点处的水泥预浇筑底座上，控制模块的控制箱4通过扣件固定于支撑杆1上，扣件可选用半圆形箍扣通过紧固螺栓固定，太阳能电池板通过支架固定于控制箱上方的支撑杆上，太阳能电池板上方的支撑杆上对称固定有支撑板，一侧的支撑板下方固定有八方位全频拾音器，八方位全频拾音器***的支撑板上设有喇叭状的挡板，支撑板的上方固定有环境因子采集模块，另一侧的支撑板上固定有全景云台摄像机，支撑杆的顶部固定有避雷针，八方位全频拾音器、全景云台摄像机和环境因子采集模块的数据连接线穿过固定于支撑杆上的集线管后与控制器连接，土壤数据采集模块与水文采集模块的数据连接线与控制器连接且土壤数据采集模块与水文采集模块的数据连接线通过抱箍固定于支撑杆上。
本实施例中的八方位全频拾音器由八个互成45度角的喇叭形导向管组成，每个导向管底部转有一只增益可控的高灵敏度拾音头，最大增益可达40db，最远拾音距离可达200米。可同时录制8路音频信号，并同步记录8路信号的增益及幅值数据。
全景云台摄像机选用海康威视DS-2DC4420IW-D高速云台，具有400万像素，20倍光学变焦，H.265编码，水平方向360度旋转，垂直方向115度旋转，通过后台SDK软件开发实现对物体的自动追踪及定时拍照自动合成全景照片功能。
环境因子采集模块选用WAS5000该设备可对环境大气温度、相对湿度、气压、风向、风速、降水量、光照强度、太阳辐射值、日照时数、二氧化碳含量、氧气含量、悬浮颗粒物(PM1\PM2.5\PM10)进行实时采集。
土壤数据采集模块的温湿度传感器10和电导率传感器12选用华控RS-WS-*-TR，可同时对土壤温度、湿度、电导实时在线测量；内置16位AD，采用485总线数字通信；酸碱度传感器11选用华控HSTL-TRPH006土壤PH值传感器。
水质传感器选用博海志远DPS-600数字式水体PH值传感器MIK-P260水位传感器，华控HSTL-485水质浊度传感器。
电源模块选用太阳能电池板。
网络通信模块选用网络通信模块选用有人物联USR-G808全网通4G工业路由器。
本装置的运行机制为：
1、电源管理机制
与电源模块连接的光伏充电控制器将自动追踪太阳能电池最大功率点，将采集到的电能存储于蓄电池中，光伏充电控制器将自动根据电池的剩余电量自动开启或关闭所搭载的设备，保证设备运行的稳定性和采集数据的连续性。
2、音频定位机制
通过实时同步采集8路拾音器采集到的音频信号强度和增益自动调节数据，***将自动计算音源的方向和距离；该数据将随音频数据一同保存，***将自动调整全景云台的方向和变焦倍数，对声源拍照录像，并自动保存。
3、数据储存机制
***采用分布式数据库，内建数据库，与远程服务器数据库进行分布式管理。将音频数据、视频数据、图像数据、气象数据、土壤数据、水文数据等通过GPG同步时间进行同步存储，实现准确获取不同位置同一时刻的准确数据。
4、人工智能数据分类机制
设备上搭载的控制器可通过网络通信模块接入数据采集云平台，获取已经训练好的神经网络模型，预先对采集到的音频和图像进行识别和分类，对实地出现的感兴趣数据(音频、图像、环境因子)进行本地识别标注，并在第一时间告知管理员关注该站点。
本装置的一个具体的应用为：该装置安装于湿地预先选址并浇筑好的水泥基座上。并通过接地带将支撑杆有效接地。气象模块、拾音器及全景云台安装于装置顶端，无遮挡处。太阳能电池使用螺丝固定于支撑杆上，调整电池朝向南方，仰角与安装地所在纬度相同。
土壤温湿度传感器、土壤酸碱度传感器、土壤电导率传感器组成的土壤数据采集模块埋设于安装点附近的土壤中，可在不同深度埋设多组传感器。土壤传感器通过485总线连接，并最终汇入控制箱接入控制器。传感器使用不同地址码区分传感器。
水文传感模块安放于安装位置附近的水体中，该模块将对水体的水位、PH值、浊度、氧含量进行实时采样。各个模块通过485总线连接，并最终汇入控制箱接入控制器。传感器使用不同地址码区分传感器。
八方位拾音器通过以太网接入控制箱，并连接于网络通信模块上。
全景云台通过以太网接入控制箱，并连接于网络通信模块上。
控制箱安装于支撑杆中部，内部装有控制器、电源模块、网络通信模块。电源模块通过RS232串行接口与控制器相连，控制器通过以太网连接于网络通信模块。
设备启动后电源模块将太阳能电池采集到的电能充入电池组，为各个模块供电。控制器定时驱动所有模块采集数据缓存于控制器内建存储器中进行分析处理，并通过网络传输至后台服务器。
控制器定时发出指令，控制云台进行360度拍摄，并将数据传输到后台服务器进行拼接形成全景照片。
八方位拾音器主动录制环境音频，并通过判断各个方位拾音器拾取的音频信号强度利用差分定位算法对声源进行定位，并遥控全景云台对声源进行拍摄追踪。
该装置可实现对安装位置的气象、土壤、水文数据自动记录及回传，通过图像记录湿地内的动植物生长状况，采集湿地环境音，对野生动物进行追踪的功能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (2)
1.一种湿地环境因子采集装置，其特征在于，包括：
音频采集及声学定位模块，用于采集湿地环境中动物的叫声并对通过声学技术对该动物进行精确定位；
图像采集模块，用于获取湿地环境的视频及图片以及音频采集及声学定位设备精确定位的动物的视频及图片；
环境因子采集模块，用于获取湿地环境布点处的环境参数信息；
土壤数据采集模块，用于实时监测湿地环境布点处的土壤参数信息；
水文采集模块，用于实时监测湿地环境布点处的水位、水温、PH值和浊度水质参数信息；
太阳能发电模块，用于获取太阳能并转换为电能后存储于控制模块中；
控制模块，为音频采集及声学定位设模块、图像采集模块、环境因子采集模块、土壤数据采集模块和水文采集模块提供电能，获取上述各模块采集的各参数信息，向主控计算机传输获取的各参数信息；接收主控计算机的驱动信息并驱动音频采集及声学定位设模块、图像采集模块、环境因子采集模块、土壤数据采集模块和水文采集模块；
安装模块，用于固定音频采集及声学定位设模块、图像采集模块、环境因子采集模块、土壤数据采集模块、水文采集模块和太阳能发电模块并作为安装载体固定于湿地环境布点处；
音频采集及声学定位设模块、图像采集模块、环境因子采集模块、土壤数据采集模块和水文采集模块采用总线通讯模式与控制模块连接，太阳能发电模块与控制模块连接，控制模块与远程主控计算机无线通信连接；
所述的音频采集及声学定位设模块，包括八方位全频拾音器，用于采集湿地环境中动物的叫声并对通过声学技术对该动物进行精确定位；
图像采集模块，包括全景云台摄像机，用于获取湿地环境的视频及图片以及音频采集及声学定位设模块精确定位的动物的视频及图片；
环境因子采集模块，集成有照度传感器、温度传感器、湿度传感器、悬浮颗粒物传感器和二氧化碳传感器，用于获取湿地环境布点处的环境参数信息；
土壤数据采集模块，包括温湿度传感器、酸碱度传感器和电导率传感器，用于实时监测湿地环境布点处的土壤参数信息；
水文采集模块，包括水质传感器，用于实时监测湿地环境布点处的水位、水温、PH值和浊度水质参数信息；
控制模块，包括控制箱和安装于控制箱中的电源模块、控制器和网络通信设备，电源模块与控制器连接，控制器与网络通信设备连接，电源模块用于为音频采集及声学定位设模块、图像采集模块、环境因子采集模块、土壤数据采集模块和水文采集模块的正常运行提供电能，控制器用于驱动上述设备并获取上述设备采集的各参数信息，网络通信设备用于传输控制器接收的各参数信息并向控制器反馈远程主控计算机传输的驱动信息；
太阳能发电模块，包括支架和太阳能电池板，用于获取太阳能并转换为电能后存储于电源模块中，为电源模块提供电源；
安装模块，用于固定音频采集及声学定位设模块、图像采集模块、环境因子采集模块、土壤数据采集模块、水文采集模块和太阳能发电模块并作为安装载体固定于湿地环境布点处；
音频采集及声学定位设模块、图像采集模块、环境因子采集模块、土壤数据采集模块和水文采集模块采用总线通讯模式与控制器连接，太阳能电池板通过光伏充电控制器与蓄电池连接，控制模块通过网络通信设备与远程主控计算机无线通信连接；
八方位全频拾音器由八个互成45度角的喇叭形导向管组成，每个导向管底部转有一只增益可控的高灵敏度拾音头，最大增益达40db，最远拾音距离达200米；同时录制8路音频信号，并同步记录8路信号的增益及幅值数据。
2.根据权利要求1所述的一种湿地环境因子采集装置，其特征在于，所述的安装模块包括支撑杆，支撑杆的底部焊接有安装底座，安装底座上开有螺栓孔并通过地脚螺栓固定于湿地环境布点处的水泥预浇筑底座上，控制模块的控制箱通过扣件固定于支撑杆上，太阳能电池板通过支架固定于控制箱上方的支撑杆上，太阳能电池板上方的支撑杆上对称固定有支撑板，一侧的支撑板下方固定有八方位全频拾音器，八方位全频拾音器***的支撑板上设有喇叭状的挡板，支撑板的上方固定有环境因子采集模块，另一侧的支撑板上固定有全景云台摄像机，支撑杆的顶部固定有避雷针，八方位全频拾音器、全景云台摄像机和环境因子采集模块的数据连接线穿过固定于支撑杆上的集线管后与控制器连接，土壤数据采集模块与水文采集模块的数据连接线与控制器连接且土壤数据采集模块与水文采集模块的数据连接线通过抱箍固定于支撑杆上。
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