基于人工智能的水體環境分析平臺
——中泰智舟

泰山學院

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境分析平臺主要包括人工智能視覺導航單元、水質傳感器單元、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，既便于產品設計組裝，也便于后期的維護。水質傳感單元是全自動水域污染監控船最主要的單元，它實現了傳感器模塊的固定、電器連接、數據轉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，負責收集氣壓、空氣濕度和空氣溫度等指標，便于協助用戶測算蒸發量等水文數據。電源管理單元主要負責整體電源的供應，同時也負責管理太陽能充電過程以及電池放電過程。機動單元主要負責船體的驅動，將船體推動到用戶指定位置，便于檢測大規模水域面積內不同的位置。主控單元主要負責平臺內部各種控制過程的管理以及模擬與數字信號數據的轉換。無線傳輸單元內部分為兩個模塊：一個為數據傳輸模塊，負責傳輸數據以及設備組網；另一個為GPS模塊，負責獲取衛星授時以及水體環境分析平臺的位置信息。

圖1 基于人工智能的水體環境分析平臺的結構設計

2 技術原理

2.1 視覺自動避障單元

為了實現船體的自動導航，在平臺內置了Open MV人工智能視覺分析自動避障系統，避障系統與主控系統相結合。在水體環境分析平臺的前方兩側分別配有Open MV視覺避障傳感器，當前方出現障礙物時Open MV會自動識別出障礙物距離并進行主動避障。平臺兩側的Open MV主要朝向水面，當水面出現大量水草時，系統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。當主控部分在相應的端口檢測到傳感器信息時，會將對應的數據換算方法匹配到接座對應的通道，并轉換出對應的數據。

由于整個水質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形環進行密封，最大程度地保證機械連接處的防水性能。本設計中傳感器模塊相互獨立，并且具備統一的電氣連接接口以及機械連接結構，形成了統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的傳感器，便于用戶評估所在水域的水文數據；同時還在平臺內部加入了一個氣壓、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、溫度這三種氣候數據，可以大致估算出浮標所檢測區域的天氣狀況以及水域的蒸發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量要求很高的部件，例如主控單元內部的A/D轉換部分、無線傳輸單元等。針對這種情況，將電源部分單獨進行設計，以保證電源供應的穩定性。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，便于實現整體的低功耗功能。

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

2.5 主控單元

本項目中將主控部分單獨設計與開發，既有助于減小其他功能單元產生的干擾信號，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，內部具備ROM、SRAM、ADC、USB2.0 PHY等外設，具有體積小巧、功能豐富、穩定性高的特點，能夠保證各項功能的穩定運行。主控芯片內部的Bootloader將USB2.0 PHY外設作為虛擬串口，方便調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，便可以實現上述功能，無需額外的設備。

為了方便用戶進行簡單的現場調試，在平臺內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網的狀況、傳感器接入狀況、電池電量等信息，同時還有一個設置菜單，便于用戶對無線連接以及時間等項目進行設置。鑒于實際使用環境中的光照環境較為復雜，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境分析平臺的無線傳輸單元具備兩種功能：一個是數據傳輸的實現；另一個是衛星定位。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遠距離信號收發芯片作為無線數據傳輸的調制解調部分，借助其內部的調制解調器來實現穩定的超遠距離無線數據傳送。相較于傳統的基于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；同時也降低了設備的功耗、元器件成本。

為了便于用戶在多個浮標組網的情況下獲取每個浮標的具體位置，在平臺中加入了衛星定位模塊。衛星定位模塊支持GPS衛星信號以及北斗衛星信號，可以更加快速、穩定、準確地進行定位；同時也可以獲取準確的衛星授時信號，平臺將會根據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據的時間，以實現實時的水質數據監控，便于用戶統計與分析。衛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，使系統的穩定性與可靠性大大增強。

3 創新點及市場前景

基于人工智能的水體環境分析平臺填補了相關市場的空白，相較于傳統的水環境分析儀來說，平臺的數據處理能力與便捷水平占有絕對的優勢。本平臺采用了模塊化的設計，內部的每個功能單元相互獨立，既便于產品設計組裝，也便于后期的產品維護以及對產品硬件的模塊化升級和功能增量。

目前產品的主要市場定位在水產養殖行業、科研院校、高污染高排放行業、水體環境分析行業等。其中水產養殖行業是民用產品的主要供應市場，本產品能夠幫助用戶更加方便地采取優化水質的措施，大大減少用戶的養殖開支與精力；各大科研院校都計劃設立相關的自然環境研究機構，意在對自然環境進行更加完整的把控，可靠的水體環境分析方案以及高效的數據收集方式可以大大加快他們的研究進程；隨著我國工業生產力的飛速發展，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境保護的開銷，尤其是對高污染高排放企業有害物質排放的檢測尤為重要，本產品可以做到全自動地實時監控以及大范圍的組網監控。由此看來本產品市場潛力很大。