CN114942310A - 一种用于水质监测的无人船及水质监测*** - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种用于水质监测的无人船及水质监测***，无人船包括船体，船体内的无线传输模块将接收的摄像指令和驱动指令传输给主控板；主控板根据摄像指令控制摄像头模块拍摄周围环境的图像信息，接收定位模块获取的定位信息，还根据驱动指令控制驱动模块的运动状态，以控制船体的行驶状态到指定水域；数据采集模块对水质进行检测并反馈对应的检测数据给主控板；摄像头模块将图像信息上传，主控板对定位信息和检测数据进行处理后通过无线传输模块上传；电源模块为主控板和驱动模块供电。无需人工取水，能到任意指定水域进行水质检测，避免了险要地势导致取水不方便且有危险的问题；解决现有人工取水监测水质不方便、有危险的问题。
Description
技术领域
本发明涉及防伪识别技术领域，尤其涉及一种用于水质监测的无人船及水质监测***。
背景技术
随着社会进步和不断发展，各类河流、海岸因为人类的活动逐渐暴露出一些问题。一方面是污染程度日渐加大，严重影响了自然生态环境，甚至影响到居民的饮水质量，传统监测方式是人工到河流或海洋的各个区域对水质进行取样监测，但是这种监测水质的方法依赖人工取水，若取水环境不方便步行或无安全的岸边，监测人员到达不方便或比较麻烦，则无法取样，严重的甚至存在一定的危险；还存在取水效率低、成本高、耗时长等问题。另一方面是水上娱乐设施的增加，更多的人参加水上活动，由于安全防护上存在不足，时常会有水上事故发生，此类事故发生无法估计且很突然，救援时间非常很紧急。
发明内容
针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种用于水质监测的无人船及水质监测***，以解决现有人工取水监测水质不方便、有危险的问题。
本发明实施例提供一种用于水质监测的无人船，包括船体，其中，所述船体内设有主控板、摄像头模块、定位模块、无线传输模块、电源模块、驱动模块和数据采集模块；
所述无线传输模块将接收的摄像指令和驱动指令传输给主控板；所述主控板根据摄像指令控制摄像头模块拍摄周围环境的图像信息，摄像头模块将图像信息上传；
所述主控板接收定位模块获取的定位信息，对定位信息进行处理后通过无线传输模块上传；
所述主控板还根据驱动指令控制驱动模块的运动状态，以控制船体的行驶状态到指定水域；
所述数据采集模块对水质进行检测并反馈对应的检测数据给主控板，主控板对检测数据进行处理后通过无线传输模块上传；
所述电源模块用于供电。
可选地，所述的用于水质监测的无人船中，所述主控板的电路板上集成有控制芯片、传输芯片、第一接口、第二接口、第三接口、第一晶振、第一电阻、第一电容和第二电容；
所述控制芯片的AVCC脚和VCC脚均连接第一供电端，控制芯片的GND脚和PAD脚均接地；控制芯片的PD3脚连接传输芯片的(RXD)PD0脚、第三接口的第1脚和无线传输模块；控制芯片的PD2脚连接传输芯片的(TXD)PD1脚、第三接口的第2脚和无线传输模块；传输芯片的RESET脚连接第一供电端；传输芯片的XTAL2脚连接第一电阻的一端、第一晶振的一端和第一电容的一端；传输芯片的XTAL1脚连接第一电阻的另一端、第一晶振的另一端和第二电容的一端；第一电容的另一端连接第二电容的另一端和地，传输芯片的AVCC脚和VCC脚均连接第一供电端，传输芯片的AGND脚和GND脚均接地；传输芯片的(SCK)PB5脚、(MISO)PB4脚、(MOSI)PB3脚、(SS)PB2脚、(OC1)PB1脚、(ICP)PB0脚与第一接口的第6脚、第5脚、第4脚、第3脚、第2脚、第1脚一对一连接；传输芯片的(ADC5)PC5脚连接第二接口的第6脚和第一接口的第10脚，传输芯片的(ADC4)PC4脚连接第二接口的第5脚和第一接口的第9脚；第一接口的第8脚和第9脚均接地；传输芯片的(ADC3)PC3脚、(ADC2)PC2脚、(ADC1)PC1脚、(ADC0)PC0脚与第二接口的第4脚、第3脚、第2脚、第1脚一对一连接；传输芯片的(AIN1)PD7脚、(AIN0)PD6脚、(T1)PD5脚、(T0)PD4脚、(INT1)PD3脚、(INT0)PD2脚与第三接口的第8脚、第7脚、第6脚、第5脚、第4脚、第3脚、第2脚一对一连接。
可选地，所述的用于水质监测的无人船中，所述主控板还包括第一指示灯、第二指示灯、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻；
所述第一指示灯的正极通过第二电阻连接第一供电端，第一指示灯的负极连接控制芯片的PD5脚，第二指示灯的正极通过第三电阻连接第一供电端，第二指示灯的负极连接控制芯片的PD4脚，第四电阻连接在控制芯片的PD3脚与传输芯片的(RXD)PD0脚之间，第五电阻连接在控制芯片的PD2脚与传输芯片的(TXD)PD1脚之间。
可选地，所述的用于水质监测的无人船中，所述主控板还包括第三电容、第四电容、第五电容、第一二极管和第六电阻；
所述第三电容连接在控制芯片的VCC脚与地之间，第四电容连接在传输芯片的VCC脚与地之间，第五电容连接在第一接口的第8脚与地之间，第一二极管的正极连接第六电阻的一端和传输芯片的RESET脚，第一二极管的负极连接第六电阻的另一端和第一供电端。
可选地，所述的用于水质监测的无人船中，所述无线传输模块包括处理器、通信芯片、USB接口芯片、降压芯片、第四接口、第五接口、第二晶振、第一开关管、第二开关管、第六电容、第七电容、第八电容、第七电阻、第八电阻和第九电阻；
所述处理器的
脚连接第九电阻的一端、第八电容的一端、第四接口的PIN13脚和第一开关管的集电极；第九电阻的另一端连接第二供电端，第八电容的另一端接地；处理器的
脚、GPIO14/HSPICLK脚、GPIO12/HSPIQ脚、GPIO13/HSPID/CTS0/RXD2脚、GPIO5脚、GPIO4脚、GPIO2/TXD1脚、GPIO15/HSPICS/RTS0/TXD2脚与第五接口的PIN1脚、PIN8脚、PIN9脚、PIN10脚、PIN2脚、PIN3脚、PIN5脚、PIN11脚一对一连接；处理器的ADC/TOUT脚、EN脚、SPI_MOSI/SD_CMD脚、SPI_MISO/SD_D0脚、GPIO9/SD_D2脚、SPI_CLK/SD_CLK脚、SPI_INT/SD_D1脚、GPIO10/SPI_CS/SD_D3脚与第四接口的PIN1脚、PIN12脚、PIN7脚、PIN8脚、PIN5脚、PIN9脚、PIN6脚、PIN4脚一对一连接；处理器的GPIO1/SPICS1/TXD0脚连接第五接口的PIN13脚和通信芯片的RXD脚，处理器U3的GPIO3/RXD0脚连接第五接口的PIN12脚和通信芯片的TXD脚，第五接口的PIN10脚连接传输芯片的(TXD)PD1脚，第五接口的PIN11脚连接传输芯片的(RXD)PD0脚，处理器的GPIO0/SPICS2脚连接第五接口的PIN4脚和第二开关管的集电极；第四接口的PIN2脚、PIN10脚和PIN4脚，以及第五接口的PIN7脚和PIN14脚均接地；第五接口的PIN6脚和PIN15脚均接第二供电端；
所述通信芯片的DTR脚连接第七电阻的一端和第二开关管的发射极，通信芯片的RTS脚连接第八电阻的一端和第一开关管的发射极，第七电阻的另一端连接第一开关管的基极，第八电阻的另一端连接第二开关管的基极，通信芯片的VCC脚连接第三供电端，通信芯片的XO脚连接第二晶振的第1脚和第六电容的一端，通信芯片的XI脚连接第二晶振的第3脚和第七电容的一端；第六电容的另一端、第七电容的另一端，以及第二晶振的第2脚和第4脚均接地；通信芯片的UD-脚、UD+脚与USB接口芯片的D-脚、D+脚一对一连接；通信芯片的GND脚，以及USB接口芯片的GND脚、NH1脚、NH2脚、NH3和NH4脚均接地；USB接口芯片的VCC脚连接第一供电端，所述降压芯片的VIN脚连接第一供电端，降压芯片的VOUT脚是第二供电端，降压芯片的GND/ADJ脚接地。
可选地，所述的用于水质监测的无人船中，所述无线传输模块还包括第十电阻、第十一电阻、第十二电阻和第十三电阻；
所述第十电阻连接在处理器的GPIO2/TXD1脚与第一供电端之间，第十一电阻连接在处理器的EN1脚与第一供电端之间，第十二电阻连接在处理器的GPIO0/SPICS2脚与第一供电端之间，第十电阻连接在处理器的GPIO15/HSPICS/RTS0/TXD2脚与地之间。
可选地，所述的用于水质监测的无人船中，所述无线传输模块还包括第十四电阻、第十五电阻、第九电容、第十电容和第十一电容；
所述第十四电阻连接在通信芯片的RXD脚与处理器的GPIO3/RXD0脚之间，第十五电阻连接在通信芯片的TXD脚与处理器的GPIO1/SPICS1/TXD0脚之间，第九电容连接在降压芯片的VIN脚与地之间，第十电容连接在降压芯片的VOUT脚与地之间，第十一电容连接在通信芯片的VCC脚与地之间。
可选地，所述的用于水质监测的无人船中，所述驱动模块包括电机驱动芯片、第一电机接口和第二电机接口；
所述电机驱动芯片的IN1脚、IN2脚、IN3脚与第三接口的第5脚、第7脚、第4脚一对一连接；电机驱动芯片的IN4脚连接第一接口的第2脚，电机驱动芯片的VSS脚连接电源模块；电机驱动芯片的OUT1脚、OUT2脚与第一电机接口的第1脚、第2脚一对一连接；电机驱动芯片的OUT3脚、OUT4脚与第二电机接口的第1脚、第2脚一对一连接；电机驱动芯片的GND脚、ISEN_A脚和ISEN_B脚均接地。
可选地，所述的用于水质监测的无人船中，所述数据采集模块包括浊度传感器、温度传感器和TDS传感器；第二接口的第1脚连接浊度传感器，第二接口的第2脚连接温度传感器，第二接口的第3脚连接TDS传感器；
第二接口的第4脚连接摄像头模块，第二接口的第5脚连接定位模块。
本发明实施例第二方面提供了一种水质监测***，包括云服务器平台和监控终端，其还包括所述的用于水质监测的无人船，所述无人船根据摄像指令拍摄周围环境并反馈拍摄画面给云服务器平台，根据驱动指令控制无人船船体的行驶状态，无人船还将采集的检测数据和当前的位置信息上传给云服务器平台；云服务器平台将拍摄画面、检测数据和位置信息反馈给监控终端。
本发明实施例提供的技术方案中，无人船包括船体，船体内设有主控板、摄像头模块、定位模块、无线传输模块、电源模块、驱动模块、数据采集模块；所述无线传输模块将接收的摄像指令和驱动指令传输给主控板；所述主控板根据摄像指令控制摄像头模块拍摄周围环境的图像信息，摄像头模块将图像信息上传；所述主控板接收定位模块获取的定位信息，对定位信息进行处理后通过无线传输模块上传；所述主控板还根据驱动指令控制驱动模块的运动状态，以控制船体的行驶状态到指定水域；所述数据采集模块对水质进行检测并反馈对应的检测数据给主控板，主控板对检测数据进行处理后通过无线传输模块上传；所述电源模块用于供电。无需人工取水，能到任意指定水域进行水质检测，避免了险要地势导致取水不方便且有危险的问题；解决现有人工取水监测水质不方便、有危险的问题。
附图说明
图1为本发明实施例中水质监测***的示意图。
图2为本发明实施例中主控板的电路图。
图3为本发明实施例中无线传输模块的一部分电路图。
图4为本发明实施例中无线传输模块的另一部分电路图。
图5为本发明实施例中驱动模块的电路图。
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。本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请同时参阅图1至图5，本发明实施例提供的水质监测***包括用于水质监测的无人船、监控终端和云服务器平台。监控终端输出的摄像指令和驱动指令通过云服务器平台发送给无人船，所述无人船根据摄像指令拍摄周围环境并反馈拍摄画面给云服务器平台，根据驱动指令控制无人船船体的行驶状态，无人船还将采集的检测数据和当前的位置信息上传给云服务器平台；云服务器平台将拍摄画面、检测数据和位置信息反馈给监控终端。
所述监控终端包括手机、平板电脑、台式机等终端设备，其将接收的各种信号转化为可视化的信息，登录该监控终端即可在显示屏上查看无人船工作的实时环境、各项水质检测参数、无人船的位置、电量等信息；其还可根据监测人员的操作(如键盘输入指令、触摸屏输入指令等)生成对应的控制指令(如摄像指令和驱动指令)并通过云服务器平台传输给无人船。云服务器平台作为监控终端与无人船之间的中转站，与监控终端与无人船进行无线通信。
本实施例中，所述用于水质监测的无人船包括船体，所述船体内设有基于Arduino平台的主控板10、摄像头模块20、定位模块30、无线传输模块40、电源模块50、驱动模块60和数据采集模块70。所述主控板10连接摄像头模块20、定位模块30、无线传输模块40、驱动模块60和数据采集模块70；电源模块50连接主控板10、摄像头模块20、定位模块30、无线传输模块40、驱动模块60和数据采集模块70；摄像头模块20和无线传输模块40与云服务器平台通信连接。
所述无线传输模块40将云服务器平台转发的摄像指令和驱动指令传输给主控板10；所述主控板10根据摄像指令控制摄像头模块20拍摄周围环境的图像信息，摄像头模块20将图像信息上传给云服务器平台，通过云服务器平台传输至监控终端显示，这样可以方便监测人员观察无人船周围的画面；主控板10接收定位模块30获取的定位信息，对定位信息进行处理(如格式转换)后通过无线传输模块40上传给云服务器平台，通过云服务器平台传输至监控终端显示，这样即可方便检测人员了解无人船所在的位置；主控板10还根据驱动指令控制驱动模块60的运动状态，从而控制船体的行驶状态，这样即可控制无人船行进的方向，达到指定水域进行监测；所述数据采集模块70对水质进行检测并反馈对应的检测数据给主控板10，主控板10对检测数据进行处理(如转换为能发送的数据格式)后通过无线传输模块40上传给云服务器平台，通过云服务器平台传输至监控终端显示，使监测人员获得当前水域的水质情况；所述电源模块50为无人船上的所有模块(即主控板10、摄像头模块20、定位模块30、无线传输模块40、驱动模块60和数据采集模块70)供电(用箭头表示供电)。
无需人工取水，采取自动化智能取水和水质采样，避免了险要地势导致取水不方便且有危险的问题；能控制无人船的行进方向，结合定位功能自动达到任意指定水域；根据摄像功能方便了解当前水域的情况；减少了人工取水的成本，任意水域行驶方便快捷，耗时短、水质监测效率高且安全。
需要理解的是，无人船的船体可以是任意形状，包括船体所必须的前舱、后舱、螺旋桨等结构，此处对其不做限定。
所述主控板10采用基于Arduino的单片机，如型号优选为Atemega328pCH340的开发板，其具有多个拓展接口；数据采集模块70根据不同的监测需求设置对应的传感器，主控板10上的多个拓展接口可接入多种类型的传感器，满足不同的监测需求。则数据采集模块70可包括用于检测水的浑浊度的浊度传感器(型号优选为TS-30)，用于检测水温的温度传感器(型号优选为18B20)、用于检测的水的PH值(酸碱度)的TDS传感器；这些传感器设置在船体的底部，将其感应部位接触水即可检测对应的参数，将检测结果传输给主控板10。
所述摄像头模块20的型号优选为ESP-32，其自带集成的摄像头且具有无线传输功能，能直接将拍摄的图像上传给云服务器平台；摄像头模块20可设置在船体的顶部并露出摄像头，船体顶部四周无遮挡，方便拍摄船体周围的视频画面。主控板10根据摄像指令输出对应的摄像控制信号，摄像头模块20根据摄像控制信号控制摄像头的拍摄状态，拍摄状态包括实时拍摄、间隔拍摄、停止拍摄等。优选地，可以在摄像头下方增设一舵机，摄像指令也用于控制舵机转动，从而控制摄像头转向(水平180度转向、向上或向下倾斜，角度可根据摄像控制信号来调整)。
所述定位模块30可采用GPS模块，其外接GPS天线，根据接收的卫星信号获取当前的地理位置坐标并传输给主控板10。
所述无线传输模块40也外接对应通信天线，通过通信天线来接收和发射信息。无线传输模块40可设置WIFI、4G、ZigBee等通信方式对应的模块。本实施例中，所述无线传输模块40可采用型号优选为ESP8266 CH340的无线开发板(外观类似一电路板，其上有电子元件组成的电路，电路板的边沿设有对应的引脚)。
所述电源模块50由18650锂电池(18指电池直径18.0mm，650指电池高度65.0mm)和对应的电源电路组成，电源电路对电池电压进行升压、或降压处理，输出其他模块所需幅值的电压来供电；电源电路还可外接电源来对18650锂电池充电。
所述驱动模块60包括电机驱动单元和2个电机；所述电机驱动单元可采用型号优选为TA6585的电机驱动板(5A双路直流电机驱动，外观类似一电路板，其上有电子元件组成的电路，电路板的边沿设有对应的引脚)。主控板10根据驱动指令输出对应的驱动信号，电机驱动单元根据驱动信号控制2个电机的工作状态，包括正转、反转、停止、刹车，电机驱动螺旋桨即可控制无人船前进、后退、差速前进(转弯效果)等控制。
请一并参阅图2，所述主控板10的电路板上集成有控制芯片U1、传输芯片U2、第一接口J1、第二接口J2、第三接口J3、第一晶振X1、第一电阻R1、第一电容C1和第二电容C2；所述控制芯片U1的AVCC脚和VCC脚均连接第一供电端(输入第一供电电压VDD+5V)，控制芯片U1的GND脚和PAD脚均接地；控制芯片U1的PD3脚连接传输芯片U2的(RXD)PD0脚、第三接口J3的第1脚和无线传输模块40；控制芯片U1的PD2脚连接传输芯片U2的(TXD)PD1脚、第三接口J3的第2脚和无线传输模块40；传输芯片U2的RESET脚连接第一供电端；传输芯片U2的XTAL2脚连接第一电阻R1的一端、第一晶振X1的一端和第一电容C1的一端；传输芯片U2的XTAL1脚连接第一电阻R1的另一端、第一晶振X1的另一端和第二电容C2的一端；第一电容C1的另一端连接第二电容C2的另一端和地，传输芯片U2的AVCC脚和VCC脚均连接第一供电端，传输芯片U2的AGND脚和GND脚均接地；传输芯片U2的(SCK)PB5脚、(MISO)PB4脚、(MOSI)PB3脚、(SS)PB2脚、(OC1)PB1脚、(ICP)PB0脚与第一接口J1的第6脚、第5脚、第4脚、第3脚、第2脚、第1脚一对一连接；传输芯片U2的(ADC5)PC5脚连接第二接口J2的第6脚和第一接口J1的第10脚，传输芯片U2的(ADC4)PC4脚连接第二接口J2的第5脚和第一接口J1的第9脚；第一接口J1的第8脚和第9脚均接地；传输芯片U2的(ADC3)PC3脚、(ADC2)PC2脚、(ADC1)PC1脚、(ADC0)PC0脚与第二接口J2的第4脚、第3脚、第2脚、第1脚一对一连接；传输芯片U2的(AIN1)PD7脚、(AIN0)PD6脚、(T1)PD5脚、(T0)PD4脚、(INT1)PD3脚、(INT0)PD2脚与第三接口J3的第8脚、第7脚、第6脚、第5脚、第4脚、第3脚、第2脚一对一连接。
其中，所述控制芯片U1的型号优选为ATMEGA16U2-MU(R)，其主要用于数据处理。传输芯片U2的型号优选为ATMEGA328P-PU，主要用于数据信号的输入输出，相当于一个输入输出的双向接口。第二接口J2的第1脚至第3脚用于连接数据采集模块70中的3个传感器，可任意脚连接任意传感器，例如，第二接口J2的第1脚连接浊度传感器，第2脚连接温度传感器，第3脚连接TDS传感器，表示浑浊度的浊度信号AD0、表示水温的温度信号AD1以及表示PH值的酸碱度信号AD2依次通过第二接口J2、传输芯片U2后传输给控制芯片U1。第二接口J2的第4脚连接摄像头模块20，用于输出摄像控制信号给摄像头模块20。第二接口J2的第5脚连接定位模块30，用于接收定位信号。第三接口J3的第1脚和第2脚连接无线传输模块40，通过IO0信号(也叫TXD2信号)和IO1信号(也叫RXD2信号)与无线传输模块40之间进行通信。第三接口J3的第4脚、第6脚、第7脚和第一接口J1的第2脚外接驱动模块60，输出驱动信号(IO3信号、IO5信号、IO6信号、IO9信号)给驱动模块60。第一接口J1至第三接口J3中还有其他引脚作为预留脚，可在后续扩展时连接其他设备或器件，第一接口J1和第三接口J3适用于传输IO(既可以是输入信号，又可以是输出信号)信号，第二接口J2适用于AD(Analog Digital)信号，第一接口J1和第二接口J2的一些引脚还可以复用为I2C总线的信号(SDA和SCL)，SPI信号(SCK、MISO和MOSI)。
优选地，所述主控板10还包括第一指示灯LD1、第二指示灯LD2、第二电阻R2、第三电阻R4、第四电阻R4和第五电阻R5；所述第一指示灯LD1的正极通过第二电阻R2连接第一供电端，第一指示灯LD1的负极连接控制芯片U1的PD5脚，第二指示灯LD2的正极通过第三电阻R3连接第一供电端，第二指示灯LD2的负极连接控制芯片U1的PD4脚，第四电阻R4连接在控制芯片U1的PD3脚与传输芯片U2的(RXD)PD0脚之间，第五电阻R5连接在控制芯片U1的PD2脚与传输芯片U2的(TXD)PD1脚之间。
其中，第一指示灯LD1和第二指示灯LD2都是黄灯，控制芯片U1通过IO1信号和IO2信号与无线传输模块40进行通信时被点亮。第二电阻R2和第三电阻R4为对应指示灯的上拉电阻，限流以避免高压损坏指示灯。第四电阻R4和第五电阻R5用于稳定电流，实现长期通讯。
请继续参阅图2，所述主控板10还包括第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第一二极管D1和第六电阻R6；所述第三电容C3连接在控制芯片U1的VCC脚与地之间，第四电容C4连接在传输芯片U2的VCC脚与地之间，第五电容C5连接在第一接口J1的第8脚与地之间，第一二极管D1的正极连接第六电阻R6的一端和传输芯片U2的RESET脚，第一二极管D1的负极连接第六电阻R6的另一端和第一供电端。
其中，第三电容C3和第四电容C4用于对第一供电电压VDD+5V滤波，使控制芯片U1和传输芯片U2的供电更加稳定。第五电容C5用于滤波。第一二极管D1和第六电阻R6用于保护传输芯片U2，防止短路。
请一并参阅图3和图4，所述无线传输模块40包括处理器U3、通信芯片U4、USB接口芯片U5、降压芯片U6、第四接口J4、第五接口J5、第二晶振X2、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第七电阻R7、第八电阻R8和第九电阻R9；所述处理器U3的
脚连接第九电阻R9的一端、第八电容C8的一端、第四接口J4的PIN13脚和第一开关管Q1的集电极；第九电阻R9的另一端连接第二供电端(提供第二供电电压VDD3V3)，第八电容C8的另一端接地；处理器U3的
脚、GPIO14/HSPICLK脚、GPIO12/HSPIQ脚、GPIO13/HSPID/CTS0/RXD2脚、GPIO5脚、GPIO4脚、GPIO2/TXD1脚、GPIO15/HSPICS/RTS0/TXD2脚与第五接口J5的PIN1脚、PIN8脚、PIN9脚、PIN10脚、PIN2脚、PIN3脚、PIN5脚、PIN11脚一对一连接；处理器U3的ADC/TOUT脚、EN脚、SPI_MOSI/SD_CMD脚、SPI_MISO/SD_D0脚、GPIO9/SD_D2脚、SPI_CLK/SD_CLK脚、SPI_INT/SD_D1脚、GPIO10/SPI_CS/SD_D3脚与第四接口J4的PIN1脚、PIN12脚、PIN7脚、PIN8脚、PIN5脚、PIN9脚、PIN6脚、PIN4脚一对一连接；处理器U3的GPIO1/SPICS1/TXD0脚连接第五接口J5的PIN13脚和通信芯片U4的RXD脚，处理器U3的GPIO3/RXD0脚连接第五接口J5的PIN12脚和通信芯片U4的TXD脚，第五接口J5的PIN10脚连接传输芯片U2的(TXD)PD1脚，第五接口J5的PIN11脚连接传输芯片U2的(RXD)PD0脚，处理器U3的GPIO0/SPICS2脚连接第五接口J5的PIN4脚和第二开关管Q2的集电极；第四接口J4的PIN2脚、PIN10脚和PIN4脚，以及第五接口J5的PIN7脚和PIN14脚均接地；第五接口J5的PIN6脚和PIN15脚均接第二供电端。
所述通信芯片U4的DTR脚连接第七电阻R7的一端和第二开关管Q2的发射极，通信芯片U4的RTS脚连接第八电阻R8的一端和第一开关管Q1的发射极，第七电阻R7的另一端连接第一开关管Q1的基极，第八电阻R8的另一端连接第二开关管Q2的基极，通信芯片U4的VCC脚连接第三供电端(提供第三供电电压VEE)，通信芯片U4的XO脚连接第二晶振X2的第1脚和第六电容C6的一端，通信芯片U4的XI脚连接第二晶振X2的第3脚和第七电容C7的一端；第六电容C6的另一端、第七电容C7的另一端，以及第二晶振X2的第2脚和第4脚均接地；通信芯片U4的UD-脚、UD+脚与USB接口芯片U5的D-脚、D+脚一对一连接；通信芯片U4的GND脚，以及USB接口芯片U5的GND脚、NH1脚、NH2脚、NH3和NH4脚均接地；USB接口芯片U5的VCC脚连接第一供电端，所述降压芯片U6的VIN脚连接第一供电端(提供第一供电电压VDD+5V)，降压芯片U6的VOUT脚是第二供电端(输出第二供电电压VDD3V3)，降压芯片U6的GND/ADJ脚接地。
其中，所述处理器U3的型号优选为ES P_12，通信芯片U4的型号优选为CH340G，USB接口芯片U5的型号优选为USB_Micro_5S_B，降压芯片U6的型号优选为NCP1117S T33T3G，第四接口J4和第五接口J5优选型号为THT_Male_P_1×15的15脚接口，第一开关管Q1和第二开关管Q2均是NPN三极管。降压芯片U6将输入的第一供电电压VDD+5V降压为第二供电电压VDD3V3，给处理器U3供电。当第二供电电压VDD3V3从低变高时，通过第九电阻R9对第八电容C8充电，产生复位信号nRST对处理器U3进行复位；同时，该复位信号nRST传输至第一开关管Q1的集电极，当通信芯片U4的DTR脚输出高电平时，第一开关管Q1导通，复位信号nRST对通信芯片U4进行复位；当第二供电电压VDD3V3变高且维持一段时间后，复位信号nRST变为持续的高电平。
所述通信芯片U4开启时即可连接网络，与云服务器平台进行信号(字符数据)的接送和发送，通信芯片U4通过其TXD脚(传输RXD0信号)和RXD脚(传输TXD0信号)与处理器U3进行对应的数据、信号、指令传输，执行对应的操作。
优选地，所述无线传输模块40还包括第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12和第十三电阻R13；所述第十电阻R10连接在处理器U3的GPIO2/TXD1脚与第一供电端之间，第十一电阻R11连接在处理器U3的EN1脚与第一供电端之间，第十二电阻R12连接在处理器U3的GPIO0/SPICS2脚与第一供电端之间，第十电阻R10连接在处理器U3的GPIO15/HSPICS/RTS0/TXD2脚与地之间。
其中，R11～R12用于将所接的引脚上拉为高电平，R13将对应引脚下拉到地，通过对处理器U3的相应引脚进行高低电平的设置，即可实现对处理器U3工作模式的选择。
优选地，所述无线传输模块40还包括第十四电阻R14、第十五电阻R15、第九电容C9、第十电容C10和第十一电容C11；所述第十四电阻R14连接在通信芯片U4的RXD脚与处理器U3的GPIO3/RXD0脚之间，第十五电阻R15连接在通信芯片U4的TXD脚与处理器U3的GPIO1/SPICS1/TXD0脚之间，第九电容C9连接在降压芯片U6的VIN脚与地之间，第十电容C10连接在降压芯片U6的VOUT脚与地之间，第十一电容C11连接在通信芯片U4的VCC脚与地之间。
其中，第十四电阻R14和第十五电阻R15用于保护所接的引脚。第九电容C9用于对输入的第一供电电压VDD+5V进行滤波，第十电容C10用于对输出的第二供电电压VDD3V3进行滤波，第十一电容C11用于对通信芯片U4的第三供电电压VEE进行滤波。
请一并参阅图5，所述驱动模块60包括电机驱动芯片U7、第一电机接口H1和第二电机接口H2；所述电机驱动芯片U7的IN1脚、IN2脚、IN3脚与第三接口J3的第5脚、第7脚、第4脚一对一连接；电机驱动芯片U7的IN4脚连接第一接口J1的第2脚，电机驱动芯片U7的VSS脚连接电源模块50；电机驱动芯片U7的OUT1脚、OUT2脚与第一电机接口H1的第1脚、第2脚一对一连接；电机驱动芯片U7的OUT3脚、OUT4脚与第二电机接口H2的第1脚、第2脚一对一连接；电机驱动芯片U7的GND脚、ISEN_A脚和ISEN_B脚均接地。
其中，所述电机驱动芯片U7的型号优选为L298N，其VSS脚能接收电源模块输出的+5V～+14V范围内的电压。
请继续参阅图1至图5，所述无人船的工作原理为：
上电时，电源模块50输出第一供电电压VDD+5V来供电，降压芯片U6将第一供电电压VDD+5V降压为第二供电电压VDD3V3来供电。
拍摄功能：通信芯片U4输出云服务器平台发送的摄像指令(用TXD0信号来传输)至处理器U3的第22脚，处理器U3进行数据处理后通过第五接口J5的PIN11脚输出给传输芯片U2的第2脚。J4、J5相当于处理器U3对外连接的接口，GPIO15信号和TXD2信号都表示摄像指令，此处用GPIO15信号表示处理器U3与J5的内部传输信号名称，TXD2信号表示J5与传输芯片U2的外部传输信号名称。
传输芯片U2通过其第2脚将摄像指令传输给控制芯片U1，所述控制芯片U1根据摄像指令从其第8脚输出摄像控制信号(通过第四电阻R4后变为RXD2信号)给传输芯片U2，传输芯片U2从其第26脚输出摄像控制信号(用AD3信号来传输)，通过第二接口的第4脚输出来控制摄像头模块20。AD3信号可同时连接摄像头模块20的拍摄控制脚和舵机的转动控制脚，若摄像控制信号是拍摄控制，则摄像头模块20识别后即可控制摄像头的拍摄状态；若摄像控制信号是转向控制，则舵机控制摄像头的转向。
摄像头模块20内置WIFI之类的通信模块，具有无线通信功能，直接将拍摄的图像信号上传给云服务器平台，云服务器平台再转发至监控终端显示，这样可以方便监测人员观察无人船周围的画面。
定位功能：定位模块30将采集的定位信息(用AD4信号表示)通过第二接口J2传输给传输芯片U2，传输芯片U2通过其第3脚输出定位信息(此时用IO1信号表示)至控制芯片U1的第8脚，控制芯片U1进行处理(如格式转换)后从其第9脚输出定位信息(此时用IO0信号表示)给传输芯片U2，传输芯片U2输出定位信息(此时用TXD2信号表示)至第五接口J5接收。需要理解的是，IO0信号和TXD2信号表示同一信号，IO1信号和RXD2信号表示同一信号，此处用IO0、IO1表示处理器U3与传输芯片U2的内部传输信号名称，TXD2、RXD2表示传输芯片U2与第五接口J5的外部传输信号名称。
第五接口J5将定位信息(此时用TXD2信号表示)传输至处理器U3处理后，传输给通信芯片U4的TXD脚(此时为RXD0信号)，通过通信芯片U4上传给云服务器平台，云服务器平台再转发至监控终端显示，这样即可方便检测人员了解无人船所在的位置。
水质采集功能，浊度传感器采集的浊度信号AD0、温度传感器采集的温度信号AD1、TDS传感器采集的酸碱度信号AD2通过第二接口J2传输给传输芯片U2，传输芯片U2通过其第3脚输出给控制芯片U1；控制芯片U1对浊度信号、温度信号、酸碱度信号进行处理(如转换为能发送的数据格式)后(此时用TXD2信号表示)，传输至第五接口J5接收，第五接口J5将这些检测信号(此时用TXD2信号表示)传输至处理器U3处理后，传输给通信芯片U4的TXD脚(此时为RXD0信号)，通过通信芯片U4上传给云服务器平台，云服务器平台再转发至监控终端显示，使监测人员获得当前水域的水质情况。
电机控制功能，通信芯片U4将云服务器平台发送的驱动指令(用TXD0信号来传输)至处理器U3的第22脚，处理器U3进行数据处理后通过第五接口J5的PIN11脚输出给传输芯片U2的第2脚。传输芯片U2通过其第2脚将驱动指令传输给控制芯片U1，控制芯片U1通过代码编写，从其第8脚输出驱动信号(通过第四电阻R4后变为RXD2信号)给传输芯片U2，传输芯片U2将驱动信号分为四个，对应为IO3信号、IO5信号、IO6信号和IO9信号(PWM信号或者高低电平信号)，从对应的接口输出来控制电机的状态，如下表格1所示，电机驱动芯片U7的OUT1脚和OUT2脚控制第一电机接口H1连接的第一电机的工作状态，电机驱动芯片U7的OUT3脚和OUT4脚控制第二电机接口H2连接的第二电机的工作状态，PWM信号用于调速，使无人船前进、或后退、或停止(不再工作)、或刹车(暂停)。这样即可控制无人船行进的方向，达到指定水域进行监测。
在具体实施时，还可在船体上放置救生设备，在发生水上事故时无需人为救援，船体移动更快且准确定位，不会出现人员伤亡。
综上所述，本发明提供的用于水质监测的无人船及水质监测***，主控板具有较高的拓展性，能根据需求自行选配用于水质检测的传感器，实现例如水温、酸碱度、浑浊度的水质检测；通过GPS定位到达指定水域进行检测，利用云服务器平台将实时数据传输到用户终端供用户查看，还能接收用户终端下发的控制指令；通过摄像头配合拍摄无人船周围画面，实现巡逻监控功能，在出现水上事故时持续寻找需要救援的人员，投放救生装备，完成海上救援工作。借助云服务器平台，使无人船拥有监测、追踪、定位、救援的功能。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种用于水质监测的无人船，包括船体，其特征在于，所述船体内设有主控板、摄像头模块、定位模块、无线传输模块、电源模块、驱动模块和数据采集模块；
所述无线传输模块将接收的摄像指令和驱动指令传输给主控板；所述主控板根据摄像指令控制摄像头模块拍摄周围环境的图像信息，摄像头模块将图像信息上传；
所述主控板接收定位模块获取的定位信息，对定位信息进行处理后通过无线传输模块上传；
所述主控板还根据驱动指令控制驱动模块的运动状态，以控制船体的行驶状态到指定水域；
所述数据采集模块对水质进行检测并反馈对应的检测数据给主控板，主控板对检测数据进行处理后通过无线传输模块上传；
所述电源模块用于供电。
2.根据权利要求1所述的用于水质监测的无人船，其特征在于，所述主控板的电路板上集成有控制芯片、传输芯片、第一接口、第二接口、第三接口、第一晶振、第一电阻、第一电容和第二电容；
所述控制芯片的AVCC脚和VCC脚均连接第一供电端，控制芯片的GND脚和PAD脚均接地；控制芯片的PD3脚连接传输芯片的(RXD)PD0脚、第三接口的第1脚和无线传输模块；控制芯片的PD2脚连接传输芯片的(TXD)PD1脚、第三接口的第2脚和无线传输模块；传输芯片的RESET脚连接第一供电端；传输芯片的XTAL2脚连接第一电阻的一端、第一晶振的一端和第一电容的一端；传输芯片的XTAL1脚连接第一电阻的另一端、第一晶振的另一端和第二电容的一端；第一电容的另一端连接第二电容的另一端和地，传输芯片的AVCC脚和VCC脚均连接第一供电端，传输芯片的AGND脚和GND脚均接地；传输芯片的(SCK)PB5脚、(MISO)PB4脚、(MOSI)PB3脚、(SS)PB2脚、(OC1)PB1脚、(ICP)PB0脚与第一接口的第6脚、第5脚、第4脚、第3脚、第2脚、第1脚一对一连接；传输芯片的(ADC5)PC5脚连接第二接口的第6脚和第一接口的第10脚，传输芯片的(ADC4)PC4脚连接第二接口的第5脚和第一接口的第9脚；第一接口的第8脚和第9脚均接地；传输芯片的(ADC3)PC3脚、(ADC2)PC2脚、(ADC1)PC1脚、(ADC0)PC0脚与第二接口的第4脚、第3脚、第2脚、第1脚一对一连接；传输芯片的(AIN1)PD7脚、(AIN0)PD6脚、(T1)PD5脚、(T0)PD4脚、(INT1)PD3脚、(INT0)PD2脚与第三接口的第8脚、第7脚、第6脚、第5脚、第4脚、第3脚、第2脚一对一连接。
3.根据权利要求2所述的用于水质监测的无人船，其特征在于，所述主控板还包括第一指示灯、第二指示灯、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻；
所述第一指示灯的正极通过第二电阻连接第一供电端，第一指示灯的负极连接控制芯片的PD5脚，第二指示灯的正极通过第三电阻连接第一供电端，第二指示灯的负极连接控制芯片的PD4脚，第四电阻连接在控制芯片的PD3脚与传输芯片的(RXD)PD0脚之间，第五电阻连接在控制芯片的PD2脚与传输芯片的(TXD)PD1脚之间。
4.根据权利要求2所述的用于水质监测的无人船，其特征在于，所述主控板还包括第三电容、第四电容、第五电容、第一二极管和第六电阻；
所述第三电容连接在控制芯片的VCC脚与地之间，第四电容连接在传输芯片的VCC脚与地之间，第五电容连接在第一接口的第8脚与地之间，第一二极管的正极连接第六电阻的一端和传输芯片的RESET脚，第一二极管的负极连接第六电阻的另一端和第一供电端。
5.根据权利要求2所述的用于水质监测的无人船，其特征在于，所述无线传输模块包括处理器、通信芯片、USB接口芯片、降压芯片、第四接口、第五接口、第二晶振、第一开关管、第二开关管、第六电容、第七电容、第八电容、第七电阻、第八电阻和第九电阻；
所述处理器的
脚连接第九电阻的一端、第八电容的一端、第四接口的PIN13脚和第一开关管的集电极；第九电阻的另一端连接第二供电端，第八电容的另一端接地；处理器的
脚、GPIO14/HSPICLK脚、GPIO12/HSPIQ脚、GPIO13/HSPID/CTS0/RXD2脚、GPIO5脚、GPIO4脚、GPIO2/TXD1脚、GPIO15/HSPICS/RTS0/TXD2脚与第五接口的PIN1脚、PIN8脚、PIN9脚、PIN10脚、PIN2脚、PIN3脚、PIN5脚、PIN11脚一对一连接；处理器的ADC/TOUT脚、EN脚、SPI_MOSI/SD_CMD脚、SPI_MISO/SD_D0脚、GPIO9/SD_D2脚、SPI_CLK/SD_CLK脚、SPI_INT/SD_D1脚、GPIO10/SPI_CS/SD_D3脚与第四接口的PIN1脚、PIN12脚、PIN7脚、PIN8脚、PIN5脚、PIN9脚、PIN6脚、PIN4脚一对一连接；处理器的GPIO1/SPICS1/TXD0脚连接第五接口的PIN13脚和通信芯片的RXD脚，处理器U3的GPIO3/RXD0脚连接第五接口的PIN12脚和通信芯片的TXD脚，第五接口的PIN10脚连接传输芯片的(TXD)PD1脚，第五接口的PIN11脚连接传输芯片的(RXD)PD0脚，处理器的GPIO0/SPICS2脚连接第五接口的PIN4脚和第二开关管的集电极；第四接口的PIN2脚、PIN10脚和PIN4脚，以及第五接口的PIN7脚和PIN14脚均接地；第五接口的PIN6脚和PIN15脚均接第二供电端；
所述通信芯片的DTR脚连接第七电阻的一端和第二开关管的发射极，通信芯片的RTS脚连接第八电阻的一端和第一开关管的发射极，第七电阻的另一端连接第一开关管的基极，第八电阻的另一端连接第二开关管的基极，通信芯片的VCC脚连接第三供电端，通信芯片的XO脚连接第二晶振的第1脚和第六电容的一端，通信芯片的XI脚连接第二晶振的第3脚和第七电容的一端；第六电容的另一端、第七电容的另一端，以及第二晶振的第2脚和第4脚均接地；通信芯片的UD-脚、UD+脚与USB接口芯片的D-脚、D+脚一对一连接；通信芯片的GND脚，以及USB接口芯片的GND脚、NH1脚、NH2脚、NH3和NH4脚均接地；USB接口芯片的VCC脚连接第一供电端，所述降压芯片的VIN脚连接第一供电端，降压芯片的VOUT脚是第二供电端，降压芯片的GND/ADJ脚接地。
6.根据权利要求5所述的用于水质监测的无人船，其特征在于，所述无线传输模块还包括第十电阻、第十一电阻、第十二电阻和第十三电阻；
所述第十电阻连接在处理器的GPIO2/TXD1脚与第一供电端之间，第十一电阻连接在处理器的EN1脚与第一供电端之间，第十二电阻连接在处理器的GPIO0/SPICS2脚与第一供电端之间，第十电阻连接在处理器的GPIO15/HSPICS/RTS0/TXD2脚与地之间。
7.根据权利要求5所述的用于水质监测的无人船，其特征在于，所述无线传输模块还包括第十四电阻、第十五电阻、第九电容、第十电容和第十一电容；
所述第十四电阻连接在通信芯片的RXD脚与处理器的GPIO3/RXD0脚之间，第十五电阻连接在通信芯片的TXD脚与处理器的GPIO1/SPICS1/TXD0脚之间，第九电容连接在降压芯片的VIN脚与地之间，第十电容连接在降压芯片的VOUT脚与地之间，第十一电容连接在通信芯片的VCC脚与地之间。
8.根据权利要求2所述的用于水质监测的无人船，其特征在于，所述驱动模块包括电机驱动芯片、第一电机接口和第二电机接口；
所述电机驱动芯片的IN1脚、IN2脚、IN3脚与第三接口的第5脚、第7脚、第4脚一对一连接；电机驱动芯片的IN4脚连接第一接口的第2脚，电机驱动芯片的VSS脚连接电源模块；电机驱动芯片的OUT1脚、OUT2脚与第一电机接口的第1脚、第2脚一对一连接；电机驱动芯片的OUT3脚、OUT4脚与第二电机接口的第1脚、第2脚一对一连接；电机驱动芯片的GND脚、ISEN_A脚和ISEN_B脚均接地。
9.根据权利要求2所述的用于水质监测的无人船，其特征在于，所述数据采集模块包括浊度传感器、温度传感器和TDS传感器；第二接口的第1脚连接浊度传感器，第二接口的第2脚连接温度传感器，第二接口的第3脚连接TDS传感器；
第二接口的第4脚连接摄像头模块，第二接口的第5脚连接定位模块。
10.一种水质监测***，包括云服务器平台和监控终端，其特征在于，还包括如权利要求1-9任一项所述的用于水质监测的无人船，所述监控终端输出的摄像指令和驱动指令通过云服务器平台发送给无人船，所述无人船根据摄像指令拍摄周围环境并反馈拍摄画面给云服务器平台，根据驱动指令控制无人船船体的行驶状态，无人船还将采集的检测数据和当前的位置信息上传给云服务器平台；云服务器平台将拍摄画面、检测数据和位置信息反馈给监控终端。
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2022
- 2022-04-11 CN CN202210375913.6A patent/CN114942310A/zh active Pending
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