無人船自動監(jiān)測系統(tǒng)-型號C120性能特點(diǎn)

一、產(chǎn)品背景及意義

1.1 背景

江河、湖泊、水庫、是地表水環(huán)境保護(hù)的重要內(nèi)容之一，水質(zhì)水文數(shù)據(jù)是反映各水域的基本特征，有關(guān)部門可以根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)安排，能夠準(zhǔn)確性采取環(huán)境保護(hù)措施有效預(yù)防突發(fā)事件的發(fā)生。在江河、湖泊等地表水體的水文流量監(jiān)測中，地表水體離岸監(jiān)測點(diǎn)位取樣一直是困擾環(huán)境監(jiān)測部門的難題。

傳統(tǒng)的環(huán)境水質(zhì)水文監(jiān)測是通過人工攜帶便攜式儀器親臨現(xiàn)場經(jīng)行監(jiān)測或者式固定站點(diǎn)的連續(xù)監(jiān)測，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，自動化程度低，難以對水環(huán)境做出整體有效的評價(jià)與分析。通過使用物聯(lián)網(wǎng)將幾種監(jiān)測手段結(jié)合起來，充分利用無人船的便捷性，搭載不同的傳感器設(shè)備，射頻技術(shù)，無線通訊技術(shù)等，快速有效的獲取大范圍的水文水質(zhì)等信息，傳送到后臺并對這些信息經(jīng)行數(shù)據(jù)的整合和挖掘，做出整體有效的評價(jià)分析。

水文水質(zhì)信息的快速獲取及數(shù)據(jù)的高效利用是水環(huán)境監(jiān)測中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用的關(guān)鍵.

1.2 意義

無人監(jiān)測船在線監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)施水質(zhì)自動監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)水文流量、水深測繪等的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測和遠(yuǎn)程監(jiān)控，達(dá)到及時(shí)掌握主要流域重點(diǎn)斷面水體的水流流速狀況、預(yù)警預(yù)報(bào)重大或流域性污水排放事故，監(jiān)督總量控制制度落實(shí)情況、排放達(dá)標(biāo)情況等目的。

1.2.1）解決現(xiàn)有江河湖庫作業(yè)監(jiān)測裝備實(shí)際痛點(diǎn)（人工乘船采樣、效率低下、危險(xiǎn)、作業(yè)時(shí)長有限等），為我省水環(huán)境監(jiān)測工作順利開展提供高效、安全、可靠技術(shù)手段，顯著提高水環(huán)境監(jiān)測的技術(shù)能力與技術(shù)水平。

1.2.2）直接提升現(xiàn)有江河湖庫水文流量與監(jiān)測裝備行業(yè)的技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)從有人采樣與監(jiān)測裝備到無人監(jiān)測裝備的替代與行業(yè)進(jìn)步。

1.2.3）應(yīng)用現(xiàn)有無人監(jiān)測船在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺中的自主航行、路徑規(guī)劃等技術(shù)，真正做到全天候、高精度、自動化、高效益的工作模式，大幅度提高采樣監(jiān)測水文測繪的作業(yè)效率。

二. 無人船自動監(jiān)測系統(tǒng)-型號C120性能特點(diǎn)架構(gòu)和特點(diǎn)

無人監(jiān)測船在線監(jiān)測系統(tǒng)由水面機(jī)器人船體、主控系統(tǒng)（含主控模塊及主控嵌入式軟件）、供電系統(tǒng)、船載遙控器通信系統(tǒng)及水文監(jiān)測設(shè)備部分構(gòu)成。從而建成一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控船體，并進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊惑w化系統(tǒng)。

無人船自動監(jiān)測系統(tǒng)-型號C120性能特點(diǎn)系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如下：

系統(tǒng)工作條件

最小水深：≤0.15m；

風(fēng)浪等級：≤3級風(fēng)，≤2級浪；

投放方式：岸邊投放

適于電源220～240V/50Hz

1. 無人流船體

新型高強(qiáng)度復(fù)合材料作為船體材質(zhì)，該材料是由S級無堿玻璃纖維經(jīng)編復(fù)合氈、凱夫拉裝甲材料及良好的納米級碳素纖維等構(gòu)成。船體小，重量輕，方便攜帶；具有防撞，防磨損，防腐等特性。

設(shè)計(jì)形態(tài)：M型體流線式設(shè)計(jì)，重心低、阻力小、航行穩(wěn)

船體安全防護(hù)及防沉設(shè)計(jì)：雙氣囊獨(dú)立隔離設(shè)計(jì)，耐撞擊，穩(wěn)定性好，船體帶有警示裝置。全封閉防水和防沉設(shè)計(jì)。

2. 動力系統(tǒng)

可插拔涵道式推進(jìn)器

可拆卸涵道式推進(jìn)器，與船殼底齊平形狀一致，放置與行駛可以很好的避免碰傷、撞擊、有效的防止水草纏繞，安全可靠性高、安裝維護(hù)攜帶方便。

動力裝置：2組涵道式推進(jìn)器，與船底齊平，可淺水投放，具有防水草纏繞設(shè)計(jì)。安全可靠性高、易于安裝維護(hù)及便于攜帶。

3. 主控系統(tǒng)

船只可以接受遙控器的指令并執(zhí)行，通過遙控器完成全部的航行任務(wù)和工作任務(wù)；

船只可在船控控制下根據(jù)GPS定位，遙控行駛，完成任務(wù)后可手動返航。

方向控制方式：支持無舵機(jī)轉(zhuǎn)向功能和“倒車”航行技術(shù)。

系統(tǒng)組成如下圖：

4. 供電系統(tǒng)

采用高能鋰離子聚合物電池；續(xù)航能力，2小時(shí)；支持備用電池直接更換。船體外部有預(yù)留接口可直接進(jìn)行充電；支持大電流充電器，充電電流可達(dá)10A；

技術(shù)指標(biāo)

電池容量：29.4V   20Ah *2組

電池充放電次數(shù)：≦200次

大電流充電器：電流10A

5. 通訊系統(tǒng)

船載天線及安裝基座、數(shù)據(jù)無線發(fā)送/接收模塊、因搭載儀器通信系統(tǒng)所需屏蔽等處理。

無人船與遙控器采用RF無線射頻點(diǎn)對點(diǎn)通信方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊功能

工作頻率：2.4G。 開闊地段通訊距離：≦1公里；遙控器天線類型：全向型玻璃鋼天線。

無人船與地面基站采用RF無線射頻點(diǎn)對點(diǎn)通信方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)、視頻通訊功能。

工作頻率：5.8G。 段通信距離:≦2公里（理論空曠無干擾環(huán)境中）；天線類型：全向型玻璃鋼天線。

6. 手持遙控器

遙控器可以控制無人船行駛，與地面基站對無人船控制權(quán)交互轉(zhuǎn)換；

遙控器可手動編輯工作任務(wù)：隨時(shí)控制，隨時(shí)中斷或隨時(shí)改變工作任務(wù)；

重量：≦1公斤 ，防水防塵等級：IP65；

搖桿數(shù)量：2個(gè) ，搖桿范圍：360°

通訊模塊：2.4G全向型天線

遙控距離：≦1公里

7. 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)

高清攝像機(jī)和視頻傳輸模塊，過視頻監(jiān)控，可人工遠(yuǎn)程操縱無人船，使其姿態(tài)調(diào)整更平穩(wěn)有效保證測量精度和準(zhǔn)確性，船體航行更安全。

攝像界面：

8. 定位系統(tǒng)

高精度 GPS/北斗定位系統(tǒng)，需要接收機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)軟件模塊組成。

9. 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

與遙控器對無人船控制權(quán)交互轉(zhuǎn)換；支持Windows等主流操作系統(tǒng)；搭載視頻圖傳模塊，遠(yuǎn)程操作。

可下載工作水域離線衛(wèi)星地圖，并存儲和管理。可設(shè)置船只行駛路線、采樣監(jiān)測點(diǎn)順序、及返航路線等任務(wù)編輯。常規(guī)采樣、監(jiān)測、測流、測繪等任務(wù)存儲及調(diào)用、歷史數(shù)據(jù)的存儲；

接收和顯示無人船信息，實(shí)時(shí)顯示水質(zhì)在線監(jiān)測結(jié)果；圖形動態(tài)顯示無人船工作狀態(tài)（即移動、監(jiān)測）、位置狀態(tài)（或經(jīng)緯度）、朝向、顯示船只剩余電量、行駛速度、等各類信息；

10. 業(yè)務(wù)單元

（1）船載測掃聲吶

StarFish 453 OEM聲吶

StarFish 453 OEM由2塊換能器和1塊電路板組成，用戶可使用它OEM到自己的產(chǎn)品中。

使用了StarFish的數(shù)字CHIRP聲學(xué)技術(shù)，453 OEM系統(tǒng)水平波束寬度0.5度，耐壓3000米，可在100米量程時(shí)提供高分辨率的海底圖像。

電路板支持9－28VDC電源，可使用USB連接到電腦。另外，提供Scanline軟件包，和SDK開發(fā)包，用于輔助用戶開發(fā)自己的聲吶系統(tǒng)。

主要特點(diǎn)：

1. 獨(dú)立式船體安裝的換能器；

2. 0.5度的水平波束寬度，提供高分辨率的海底圖像；

3. 電子波束腳印小，165mmx 100mm x23mm；

4. USB連接；

5. 耐壓300米。

技術(shù)參數(shù)：

尺寸：

長：432mm

寬：41mm

高：18mm

空氣中重量：0.35kg

殼體：

結(jié)構(gòu)：黑色聚乙稀

耐壓：300m

電纜長：可定制

電纜結(jié)構(gòu)：黑色聚乙稀外套，內(nèi)含凱夫拉加強(qiáng)物質(zhì)

聲學(xué)：

水平波束寬：60°@ -3dB 信號級別

垂直波束寬：0.5°@ -3dB 信號級別

頻率：450kHz中央頻率（430－470kHz  Chirp）

量程：1m~100m單側(cè)

工作模式：Chirp 脈沖壓縮模式

脈沖長度：典型400us

發(fā)射能量級別：<210dB re 1µPa @ 1m

StarFish Scanline軟件：

Scanline軟件是一款用戶界面友好的專為StarFish海底側(cè)掃聲吶系統(tǒng)使用的采集和記錄軟件。軟件兼容32位或64位Windows操作系統(tǒng)，包括windows 2000, xp, vista, win7,win8，win10，軟件實(shí)時(shí)顯示和記錄側(cè)掃聲吶的數(shù)據(jù)，同時(shí)它也可記錄其它輔助傳感器的數(shù)據(jù)，如GPS，羅盤，速度計(jì)等，所有采集的數(shù)據(jù)都可以記錄并導(dǎo)出。

用戶通過軟件可控制左舷、右舷或兩側(cè)的通道同時(shí)工作。海底的圖像可以放大，改變目標(biāo)物的比例更好的識別物體，軟件同時(shí)也支持多種顯示方式，如從頂?shù)降?，從左到右，或反之亦然。在使用時(shí)，用戶也可以隨時(shí)調(diào)節(jié)工作的增益、對比度和量程。為長期連續(xù)監(jiān)測設(shè)計(jì)的EXO2s，是一款多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀，可以監(jiān)測常規(guī)五參數(shù)，根據(jù)應(yīng)用需求還可測定氨氮、藍(lán)綠藻、葉綠素a等參數(shù)。

儀器采用防腐蝕，耐沖擊、具有高化學(xué)穩(wěn)定性的Xenoy塑料外殼，采用加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具備同時(shí)監(jiān)測水溫、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度和酸堿度、氨氮，總藻（葉綠素+藍(lán)綠藻+藻藍(lán)蛋白）等7個(gè)參數(shù)的功能。

主機(jī)采樣頻率高達(dá)4Hz。主機(jī)電纜半雙工RS485通訊，主機(jī)和顯示器之間支持藍(lán)牙無線通訊；藍(lán)牙通訊技術(shù)以用于校準(zhǔn)、通訊和下載數(shù)據(jù)時(shí)無電纜操作；配置應(yīng)包括內(nèi)置的磁開關(guān)和外帶的用于無線控制藍(lán)牙的激活物件。

傳感器均應(yīng)該是“智能”的并存貯了其校準(zhǔn)數(shù)據(jù)在其中。傳感器應(yīng)可在不同EXO主機(jī)間交換，亦可在同一臺主機(jī)的不同接口間轉(zhuǎn)移，主機(jī)接口自動識別探頭改變，且無需要校準(zhǔn)即可準(zhǔn)確測量；光學(xué)傳感器工作面采用藍(lán)寶石材料。

除深度傳感器外，所有傳感器可以濕拔插，可以現(xiàn)場拆卸、更換和維修；所有傳感器采用鈦合金材質(zhì)，滿足深度達(dá)250米的運(yùn)行環(huán)境；所有探頭內(nèi)置溫度探頭，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。

智能接口可自動識別故障，自動關(guān)閉故障探頭或接口。

數(shù)據(jù)存儲功能，主機(jī)存儲器:512MB；存儲量不得小于100萬個(gè)測量數(shù)據(jù)。

ROX溶解氧傳感器采用熒光壽命檢測技術(shù)，是當(dāng)今可靠的溶解氧傳感器，維護(hù)量極低；在高硫化氫（H2S）與低氧環(huán)境也能長時(shí)間工作，并獲得可靠數(shù)據(jù)，亦不受流速限制。也是能反映湖泊、河道等水體黑臭主要的指標(biāo)。

藍(lán)綠藻傳感器可幫助用戶監(jiān)測其目標(biāo)水域的葉綠素和藍(lán)綠藻數(shù)量，從而知道河道的富營養(yǎng)化程度。YSI藍(lán)綠藻傳感器均能提供高靈敏性、高可靠性的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

1．技術(shù)規(guī)格：

1.1. 工作條件:

1.1.1 環(huán)境溫度：-5℃～+50℃；

1.1.2 相對濕度： 0%～100%

1.2 分析方法、功能、技術(shù)參數(shù)要求

1.2.1 分析方法要求

多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀的測量方法應(yīng)與國家標(biāo)準(zhǔn)方法或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法一致，性能穩(wěn)定、工作可靠、可控性好。具體如下表所示：

1.2.2 系統(tǒng)基本功能

1.2.2.1  具備同時(shí)監(jiān)測水溫、濁度、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、葉綠素和藍(lán)綠藻（總藻）等7個(gè)參數(shù)的功能。

1.2.2.2  所有探頭都可以現(xiàn)場拆卸、更換和維修

1.2.2.3  傳感器配清潔刷，可以消除附著物和氣泡的影響，延長維護(hù)周期。

1.3 儀器技術(shù)參數(shù)

1.3.1 水溫

量程：-5-50℃

分辨率：0.001 ℃

準(zhǔn)確度：±0.01℃

響應(yīng)時(shí)間: T63<1 sec

1.3.2 pH

量程：0～14

分辨率：0.01

準(zhǔn)確度: ±0.1，校準(zhǔn)溫度±10℃范圍內(nèi);±0.2 ，全溫度量程

探頭分為底座和前端，探頭前端可更換

1.3.3電導(dǎo)率

量程：0～200mS/cm（自動量程選擇）

分辨率：0.001mS/cm～0.1mS/cm（視量程而定）

準(zhǔn)確度：讀數(shù)之±0.5%

自動溫度補(bǔ)償

1.3.4濁度

量程：0-4000 NTU

分辨率：0-999 NTU:0.01 NTU；1000-4000 NTU:0.1 NTU

準(zhǔn)確度：0-999 NTU：0.3 NTU或讀數(shù)之±2%； 1000-4000 NTU：讀數(shù)之±10%

響應(yīng)時(shí)間: T63<5sec

1.3.5溶解氧

量程：0～50mg/L

分辨率：0.01mg/L

準(zhǔn)確度：0 - 20 mg/L：±0.1 mg/L或讀數(shù)之1%，以較大者為準(zhǔn)；20 - 50 mg/L: 讀數(shù)之±5%

響應(yīng)時(shí)間: T63<5sec

1.3.6 總藻類傳感器：單一傳感器的雙熒光通道可同時(shí)測量葉綠素和藍(lán)綠藻藻藍(lán)蛋白；

1.3.6.1總藻類傳感器-藍(lán)綠藻藻藍(lán)蛋白

測量方法：熒光法

量程：0- 100 μg/L；0-100 RFU；0-1,100,000 細(xì)胞/mL

線性: R2 > 0.999，與羅丹明WT連續(xù)稀釋相關(guān)（0 - 100,000μg/mL ）

檢出限：300 細(xì)胞/mL ；0.1 μg/L PC

分辨率：0.01 μg/L；1 細(xì)胞/mL；0.01 RFU

1.3.6.2  總藻類傳感器-葉綠素

測量方法：熒光法

量程：0-400 μg/L Chl 0-100 RFU

分辨率：0.01 μg/L Chl；0.01 RFU

線性：R2 > 0.999，與羅丹明WT連續(xù)稀釋相關(guān)（0 - 400μg/mL）

檢出限： 0.1 μg/L Chl

Scanline軟件顯示的部分窗口

水質(zhì)監(jiān)測（水質(zhì)多參數(shù)分析儀）

EXO2s多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀