水域冰情监测研究装置的制造方法
水域冰情监测研究装置的制造方法
【专利说明】
(一)
技术领域
[0001]本实用新型属水域监测范畴，特别涉及水域冰情监测。
(二)
【背景技术】
[0002]位于我国高寒地区的水电大坝冬季库区结冰及春季上游河道冰凌的冲击都会给水电大坝安全运行和河边人们的生活带来很大影响。密切监测结冰期冰体和春季上游河道冰凌流动，是确保水电站和人民生命财产安全的重要环节。海边的冰情状况也是海域航行的关键因素。因而，每年国家需要消耗大量的人力监测冰情，防范安全事故。
[0003]由龙欣，程琦，秦建敏撰写的《黃河万家寨水利枢纽水库冰情定点连续自动监测系统的设计与应用》[J].发表在《数学的实践与认识》，第2014，44(2)期，第71-78页。文中介绍了采用分布式电极测电阻的方法测量冰厚。这种方法只是测量冰厚，而且由于测量精度与电极的分布相关，不是十分准确。
[0004]在由徐超，张永利撰写的《基于OpenCV图像处理技术在冰情监测中的应用[J]》发表在《信息技术》2014年第5期第175-177页。本文介绍了一种采样拍摄照片，并通过采用数字图像处理技术分析照片，得到结冰的宽度的方法。
[0005]上述这些方法只能观察冰情的某一个参数，即冰的厚度或宽度，不能观察多个参数，也没法得到冰情与其他因素的相互关系，对分析判断冰情有较大局限性，不能适应现有水域冰情监测的实际需要。
(三)【实用新型内容】
[0006]本实用新型的目的是提供一种能够实时监测水域各区域冰情的发生，发展的水域冰情监测装置，能够监测水域冰情发生发展与温度、风速、流速的关系。为研宄水域冰情的发生发展与环境变量的关系提供科学数据。
[0007]本实用新型的目的是这样达到的:监测研宄装置由监测服务器与若干监测站组成，监测站数量和分布根据需要选择，监测服务器为带有无线通信能力的计算机，监测服务器与监测站间采用无线通信方式进行通信。
[0008]监测站包括固定线、固定锚、浮箱，安装有测量设备和仪器后的浮箱需要有1/5以上浮在水面，且水下的深度大于可能的最大结冰厚度。固定锚沉入水底，重量远大于水对浮箱产生的浮力，浮箱固定在监测位置上。浮箱和固定锚通过固定线连接，固定线的一端通过浮箱底面上的固定线安装孔连接在浮箱上，另一端连接固定锚。
[0009]浮箱为正多边立柱体，顶面和底面为相同形状、相同大小的正多边形，正多边形边数用m表示。浮箱侧面为透明材料做成的矩形，宽度等于顶面或底面正多边形的边长，顶面和底面水平安装，浮箱内部为空心密封结构。在浮箱内部安装监测与控制器，监测与控制器安装在监测与控制器安装支架上，并处于浮箱中轴线上，监测与控制器安装支架固定在浮箱的底面上。在浮箱顶面安装气象参数测量仪、太阳能风能电源、GPS测量仪、无线天线，在浮箱矩形侧面每条边的外侧竖向等距安装k个温度传感器，共计安装mk个。在固定线上等距安装η个温度流速测量仪，η大于等于I。
[0010]监测与控制器的控制芯片是微处理器，微处理器连接视频数据采集模块和无线通信系统，并设置温度流速测量仪接口、温度传感器接口、GPS测量仪接口、气象参数测量仪接口，微处理器通过无线通信系统接收监控服务器命令，采集与其连接的温度流速测量仪、温度传感器、视频数据采集模块、GPS测量仪、气象参数测量仪的数据，并通过无线通信系统向监控服务器发送所采集的数据。
[0011]视频数据采集模块是在可编程门阵列以及外围电路上连接图像传感器以及外围电路、视频压缩处理芯片以及外围电路、闪光控制电路；通过通信接口与微处理器连接，通信接口传输微处理器命令给现场可编程门阵列，向微处理器发送视频压缩信号。
[0012]视频压缩处理芯片及其外围电路接收可编程门阵列的视频输出信号，将视频输出信号进行视频压缩，将压缩后的视频压缩信号送给可编程门阵列。
[0013]可编程门阵列及其外围电路通过场同步信号，行同步信号，时钟信号，驱动时序信号，曝光控制信号控制图像传感器的图像采集时间，进行曝光控制，控制闪光控制电路的闪光时刻，并接收图像传感器传来的亮度像素信号，将像素亮度信号按行同步和场同步组合成视频输出信号；将视频输出信号传输给视频压缩处理芯片，并接收视频压缩处理芯片的视频压缩信号，将视频压缩信号通过通信接口传输给微处理器。
[0014]太阳能风能电源包括风力发电机、太阳能光伏板、风光控制器、蓄电池，风力发电机通过风力发电机支架固定在立杆上，太阳能光伏板固定在立杆上，立杆将风力发电机和太阳能光伏板固定在基座上，立杆通过基座将太阳能风能电源固定在浮箱上，立杆为空心圆柱，中间安装风光控制器和蓄电池，风光控制器控制风力发电机和太阳能光伏板对蓄电池充电，蓄电池对装置供电。
[0015]视频数据采集模块共安装m个，浮箱的每个侧面对应安装一个，视频数据采集模块图像传感器与对应侧面平行，各视频数据采集模块图像传感器与对应侧面的距离相等，且采用相同的镜头，镜头焦距的选择要保证所拍浮箱侧面图像的上下两边在拍摄图像中，摄像机水平安装使得浮箱侧面图像的上下两边在拍摄图像中呈水平位置。
[0016]监测研宄装置对冰厚进行监测，冰厚监测数据处理由监控服务器实现，或者由视频数据采集模块的微处理器或现场可编程门阵列实现。
[0017]本实用新型的积极效果是:
[0018]1、实时监测水域冰情的发生发展，对结冰厚度进行监控、跟踪，确保将事故处理在发生以前。
[0019]2、分区域监测水域冰情，分析各区域冰情发生发展的差异。
[0020]3、监测冰情的同时监测温度，风速，流速，为研宄水域冰情与环境因素的关系提供科学数据。
(四)、
【附图说明】
[0021]图1是装置总体结构示意图。
[0022]图2是监测站总体结构示意图。
[0023]图3是浮箱结构示意图。
[0024]图4是监测控制器结构示意图。
[0025]图5是视频数据采集模块结构示意图。
[0026]图6是太阳能结构示意图。
[0027]图7?图13是微处理器电路图。
[0028]图14是视频数据采集模块中的图像传感器以及外围电路图。
[0029]图15?16是视频数据采集模块中的视频压缩处理电路图。
[0030]图17?图22是视频数据采集模块中的可编程门阵列电路图，其中，图21、图22为内存电路图。
[0031]图23?图27是闪光控制电路。
[0032]图中，I监测站，2监测服务器，3固定锚，4固定线，5-1?5_n，温度流速测量仪，6浮箱，7监测与控制器，8气象参数测量仪，9太阳能风能电源，10GPS测量仪，11无线天线，12浮箱底面，13固定线安装孔，14监测与控制器安装支架，15浮箱顶面，16-1、16-2、16-3、
16-4、16-5、16-6浮箱侧面，17-1-1 ?k、17-2-1 ?k、17-3-1 ?k、17-4-1 ?k、17-5-1 ?k、
17-6-1?k温度传感器，18微处理器，19-1?19-n温度流速测量仪接口，20-1?20_mk温度传感器接口，21-1?21-m视频数据采集模块，22无线天线接口，23无线通信系统，24GPS测量仪接口，25气象参数测量仪接口，26图像传感器以及外围电路，27视频压缩芯片及其外围电路，28可编程门阵列及其外围电路，29与微处理器的通信接口，30风力发电机，31风力发电机支架，32太阳能光伏板，33立杆，34风光控制器，35蓄电池，36基座，37闪光控制电路。
(五)、
【具体实施方式】
[0033]参见图1。本实用新型根据监测需要，可以设置η个监测站，η为大于等于I的整数。监测站的分布和个数根据监测现场需求决定。监测服务器用于接收所有监测站的数据，并向各监测站发出命令。监测服务器与监测站间的通信采用无线通信方式。
[0034]参见图2、图3。
[0035]监测站包括固定线4、固定锚3、浮箱6，安装有测量设备和仪器后的浮箱需要有1/5以上浮在水面，且水下的深度大于可能的最大结冰厚度。固定锚3为密度很大的物质构成，沉入水底，重量远大于水对浮箱产生的浮力，用于将浮箱固定在监测位置上。浮箱6和固定锚3通过固定线4连接，固定线4的一端通过浮箱底面上的固定线安装孔13连接在浮箱上，另一端连接固定锚3。
[0036]温度流速测量仪测量温度和流速，根据测量需要，在固定线上等距安装η个，η大于等于I。本实施例采用的温度流速测量仪为厦门博意达科技有限公司生产的LSH10-1型超声多普勒流速仪。
[0037]浮箱为正多边立柱体，顶面和底面为正多边形，本例采用的正六边形。浮箱的侧面16-1、16-2、16-3、16-4、16-5、16-6为透明材料做成的矩形，浮箱顶面和浮箱底面水平安装，浮箱内部为空心密封结构。本实施例的透明材料采用有机玻璃。
[0038]浮箱6安装有测量设备和仪器包括:在浮箱内部安装监测与控制器7，监测与控制器7安装在监测与控制器安装支架14上，监测与控制器安装支架14固定在浮箱的底面12上。在浮箱顶面安装气象参数测量仪8、太阳能风能电源9、GPS测量仪10、无线天线11，在浮箱矩形侧面每条边的外侧竖向等距安装k个温度传感器17-1-1?k、17-2-1?k、17-3-1?k、17-4-1 ?k、17-5-1 ?k、17-6-1 ?k，共计安装 mk 个。
[0039]GPS测量仪为装置提供时间和位置信息。GPS测量仪采用龙泰国脉(北京)科技发展有限公司生产的，型号为GS-216M卫星定位接收器。
[0040]参见图6。太阳能风能电源9包括风力发电机30、太阳能光伏板32-1、32-2、风光控制器34、蓄电池35，风力发电机30通过风力发电机支架31固定在立杆33上，太阳能光伏板32-1、32-2固定在立杆上，立杆33将风力发电机30和太阳能光伏板32_1、32_2固定在基座上，立杆通过基座36将太阳能风能电源9固定在浮箱6上，立杆为空心圆柱，中间安装风光控制器和蓄电池，风光控制器控制风力发电机和太阳能光伏板对蓄电池充电，蓄电池对装置供电。
[0041]太阳能光伏板、风力发电机、风力发电机支架、蓄电池、风光控制器为装置的太阳能风能电源，为整个装置提供能源。本例采用的太阳能风能电源由成都振中电气有限公司提供成套设备。
[0042]图4给出了监测与控制器结构图。
[0043]在微处理器18上连接视频数据采集模块21-1?m、无线通信系统23 ;设置温度流速测量仪接口 19、温度传感器接口 20、无线天线接口 21、GPS测量仪接口 24、气象参数测量仪接口 25 ;微处理器通过无线通信系统接收监控服务器命令，采集与其连接的温度流速测量仪、温度传感器、视频数据采集模块、GPS测量仪、气象参数测量仪的数据，并通过无线通信系统向监控服务器发送所采集的数据。
[0044]温度流程 测量仪接口用于连接温度流速测量仪。
[0045]温度流速测量仪采用厦门博意达科技有限公司生产的LSH10-1型超声多普勒流速仪
[0046]温度传感器接口用于连接温度传感器。温度传感器采用中环天仪(天津)气象仪器有限公司生产的WZPl型温度传感器。
[0047]视频数据采集模块采集视频数据。
[0048]无线天线接口用于连接无线天线。无线天线用于系统的无线通信。
[0049]无线通信系统用于与接收监控服务器进行通信。
[0050]气象参数测量仪接口用于连接气象参数测量仪。气象参数测量仪用于测量气压，温度等气象参数。气象参数测量仪采用中环天仪(天津)气象仪器有限公司生产的Apollo230太阳能资源监测站。
[0051]监测与控制器的微处理器用于通过无线通信系统接收监控服务器命令，采集与其连接的温度流速测量仪、温度传感器、视频数据采集模块、GPS测量仪、气象参数测量仪的数据，并通过无线通信系统向监控服务器发送所采集的数据。
[0052]微处理器的具体电路图如图7?图13所示。微处理器选择Atmel公司产品，芯片型号:AR91RM9200，其中，UlO:AtmeI公司生产的AR91RM9200 ；U11:三星公司生产的48LC4M32B2。
[0053]图5为监测与控制器中的视频数据采集模块结构图。
[0054]视频压缩芯片及其外围电路接收可编程门阵列的视频输出信号，将视频输出信号进行视频压缩，将压缩后的视频压缩信号送给可编程门阵列。
[0055]视频数据采集模块中的图像传感器以及外围电路图如图14所示。图像传感器电路中UCl为SONY公司生产的ICX205芯片。
[0056]视频压缩芯片及其外围电路中，视频数据采集模块中的视频压缩处理电路图如图15?16所示。图中，视频压缩芯片U12为TOKYO公司生产的TE3310 ;U13为三星公司生产的 48LC4M32B2。
[0057]可编程门阵列及其外围电路通过场同步信号，行同步信号，时钟信号，驱动时序信号，曝光控制信号控制图像传感器的图像采集时间，进行曝光控制。并接收图像传感器传来的亮度像素信号，并将像素亮度信号按行同步和场同步组合成视频输出信号。将视频输出信号传输给视频压缩处理芯片，并接收视频压缩处理芯片的视频压缩信号，将视频压缩信号通过通信接口传输给微处理器。
[0058]图17?图22是视频数据采集模块中的可编程门阵列电路图，其中，图21、图22为内存电路图。可编程门阵列图中，Ul为Xilnx公司的X3S1200芯片，U3，U4为三星公司的48LC4M32B2 芯片。
[0059]图23?图27是视频数据采集模块中的闪光控制电路，其中闪光灯的发光二极管选择 LD1-LD90。
[0060]与微处理器的通信接口传输微处理器命令给现场可编程门阵列，向微处理器发送视频压缩信号。
[0061]视频数据采集模块共安装6个，浮箱的每个侧面对应安装一个，视频数据采集模块图像传感器与对应侧面平行，各视频数据采集模块图像传感器与对应侧面的距离相等，且采用相同的镜头，镜头焦距的选择要保证所拍浮箱侧面图像的上下两边在拍摄图像中，摄像机水平安装使得浮箱侧面图像的上下两边在拍摄图像中呈水平位置。
[0062]本实用新型监测服务器是带有无线通信能力的计算机。监测服务器与监测站间采用无线通信方式进行通信。无线通信系统采用郑州一领电子科技有限公司M905R-433无线透明传输模块，监测服务器和微处理器各接一个，构成无线通信系统。
[0063]本装置的控制包括监控服务器控制、微处理器控制、视频数据采集模块的现场可编程门阵列控制。
[0064]监控服务器控制:
[0065]I)、向各监测站发送监控命令，监控命令内容包括:是否启动或停止工作、数据采集间隔时间、数据采集类型，
[0066]2)、接收各监测站发来的数据，
[0067]3)、存储接收站数据并进行数据运算和处理。
[0068]微处理器控制:
[0069]I)、接收监控服务器命令，
[0070]2)、解析监控服务器命令，并根据监控服务器命令向视频数据采集模块发送视频数据采集命令，接收采集各视频数据采集模块的视频数据，
[0071]3)、解析监控服务器命令，并根据监控服务器命令采集各温度流速测量仪的流速与水温数据，采集各温度传感器的温度数据，采集GPS测量仪的位置数据和时间数据，采集气象参数测量仪的气温、气压、散射辐射、直接辐射、风速、风向、湿度、雨量等各种数据，
[0072]4)、将采集的数据传输给监控服务器。
[0073]视频数据采集模块的现场可编程门阵列控制:
[0074]I)、接收微处理器命令，
[0075]2)、根据微处理器命令构造场同步信号、行同步信号、时钟信号、驱动时序信号、曝光控制信号，将上述信号送给图像传感器，
[0076]3)、接收图像传感器的像素亮度信号，并根据场同步信号和行同步信号构造视频输出信号送给视频压缩处理芯片，
[0077]4)、接收视频压缩处理芯片传来的视频压缩信号，
[0078]5)、将视频压缩信号送给微处理器。
[0079]本装置对冰厚进行监控，冰厚的数据处理由监控服务器实现，或者由视频数据采集模块的微处理器或现场可编程门阵列实现。
[0080]本水域冰情监测研宄装置不仅可以实时、分区域监测水域冰情的发生发展，分析各区域冰情发生发展的差异，同时通过监测温度，风速，流速，为研宄水域冰情与环境因素的关系提供科学数据。
【主权项】
1.一种水域冰情监测研宄装置，其特征在于:监测研宄装置由监测服务器与若干个监测站组成，监测站数量和分布根据需要选择，监测服务器为带有无线通信能力的计算机，监测服务器与监测站间采用无线通信方式进行通信； 监测站包括固定线(4)、固定锚(3)、浮箱(6)，安装有测量设备和仪器后的浮箱需要有1/5以上浮在水面，且水下的深度大于可能的最大结冰厚度；固定锚(3)沉入水底，重量远大于水对浮箱产生的浮力，浮箱固定在监测位置上；浮箱(6)和固定锚(3)通过固定线(4)连接，固定线(4)的一端通过浮箱底面上的固定线安装孔(13)连接在浮箱上，另一端连接固定锚⑶； 浮箱(6)外形为正多边立柱体，顶面和底面为相同形状、相同大小的正多边形，正多边形边数用m表示，浮箱侧面为透明材料做成的矩形，宽度等于顶面或底面正多边形的边长，顶面和底面水平安装，浮箱内部为空心密封结构；浮箱(6)安装有测量设备和仪器包括:在浮箱内部安装监测与控制器(7)，监测与控制器(7)安装在监测与控制器安装支架(14)上，并处于浮箱中轴线上，监测与控制器安装支架(14)固定在浮箱的底面(12)上；在浮箱顶面安装气象参数测量仪(8)、太阳能风能电源(9)、GPS测量仪(10)、无线天线(11);在浮箱矩形侧面每条边的外侧竖向等距安装k个温度传感器(17-1-1?k、17-2-1?k、17-3-1?k、17-4-1 ?k、17-5-1 ?k、17-6-1 ?k)，共计安装 mk 个； 在固定线(4)上等距安装η个温度流速测量仪(5-1?5-η)，η大于等于I。2.如权利要求1所述的水域冰情监测研宄装置，其特征在于:所述监测与控制器(7)的控制芯片是微处理器(18)，微处理器(18)连接视频数据采集模块(21-1?21-m)和无线通信系统(23)，并设置温度流速测量仪接口(19-1?19-n)、温度传感器接口(20_1?20-mk)、GPS测量仪接口(24)、气象参数测量仪接口(25)，微处理器通过无线通信系统接收监控服务器命令，采集与其连接的温度流速测量仪、温度传感器、视频数据采集装置、GPS测量仪、气象参数测量仪的数据，并通过无线通信装置向监控服务器发送所采集的数据。3.如权利要求2所述的水域冰情监测研宄装置，其特征在于:所述视频数据采集模块是在可编程门阵列以及外围电路上连接图像传感器以及外围电路(26)、视频压缩处理芯片以及外围电路(27)、闪光控制电路(37)并通过通信接口(29)与微处理器连接，通信接口传输微处理器命令给现场可编程门阵列，向微处理器发送视频压缩信号； 视频压缩处理芯片及其外围电路接收可编程门阵列的视频输出信号，将视频输出信号进行视频压缩，将压缩后的视频压缩信号送给可编程门阵列； 可编程门阵列及其外围电路通过场同步信号，行同步信号，时钟信号，驱动时序信号，曝光控制信号控制图像传感器的图像采集时间，进行曝光控制，控制闪光控制电路的闪光时刻，并接收图像传感器传来的亮度像素信号，将像素亮度信号按行同步和场同步组合成视频输出信号；将视频输出信号传输给视频压缩处理芯片，并接收视频压缩处理芯片的视频压缩信号，将视频压缩信号通过通信接口传输给微处理器。4.如权利要求1所述的水域冰情监测研宄装置，其特征在于:太阳能风能电源(9)包括风力发电机(30)、太阳能光伏板(32-1、32-2)、风光控制器(34)、蓄电池(35)，风力发电机(30)通过风力发电机支架(31)固定在立杆(33)上，太阳能光伏板(32-1、32-2)固定在立杆上，立杆(33)将风力发电机(30)和太阳能光伏板(32-1、32-2)固定在基座上，立杆通过基座(36)将太阳能风能电源(9)固定在浮箱(6)上，立杆为空心圆柱，中间安装风光控制器(34)和蓄电池(35)，风光控制器控制风力发电机(30)和太阳能光伏板(32-1、32-2)对蓄电池充电，蓄电池对装置供电。5.如权利要求3所述的水域冰情监测研宄装置，其特征在于:视频数据采集模块共安装m个，浮箱的每个侧面对应安装一个，视频数据采集模块图像传感器与对应侧面平行，各视频数据采集模块图像传感器与对应侧面的距离相等，且采用相同的镜头，镜头焦距的选择要保证所拍浮箱侧面图像的上下两边在拍摄图像中，摄像机水平安装使得浮箱侧面图像的上下两边在拍摄图像中呈水平位置。
【专利摘要】一种水域冰情监测研究装置。装置由监测服务器与若干监测站组成，监测站数量和分布根据需要选择，监测服务器为带有无线通信能力的计算机，两者间采用无线通信方式通信。监测站的固定锚和浮箱通过固定线连接，固定锚沉入水底将浮箱固定在监测位置上。浮箱内设置监测与控制器，顶面安装气象参数测量仪、太阳能风能电源、GPS测量仪、无线天线，外周竖向安装温度传感器，固定线上安装温度流速测量仪。监测与控制器中的微处理器上设置视频数据采集模块和各种接口，微处理器通过无线通信系统向监控服务器发送所采集的数据。本实用新型在监测冰情的同时监测气温、水温、风速、流速，为研究水域冰情与环境因素的关系提供科学数据。
【IPC分类】G08C17/02, H04N7/18
【公开号】CN204695545
【申请号】CN201520433892
【发明人】莫思特, 邓云, 脱友才, 李碧雄
【申请人】四川大学
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年6月23日
【专利说明】
(一)
技术领域
[0001]本实用新型属水域监测范畴，特别涉及水域冰情监测。
(二)
【背景技术】
[0002]位于我国高寒地区的水电大坝冬季库区结冰及春季上游河道冰凌的冲击都会给水电大坝安全运行和河边人们的生活带来很大影响。密切监测结冰期冰体和春季上游河道冰凌流动，是确保水电站和人民生命财产安全的重要环节。海边的冰情状况也是海域航行的关键因素。因而，每年国家需要消耗大量的人力监测冰情，防范安全事故。
[0003]由龙欣，程琦，秦建敏撰写的《黃河万家寨水利枢纽水库冰情定点连续自动监测系统的设计与应用》[J].发表在《数学的实践与认识》，第2014，44(2)期，第71-78页。文中介绍了采用分布式电极测电阻的方法测量冰厚。这种方法只是测量冰厚，而且由于测量精度与电极的分布相关，不是十分准确。
[0004]在由徐超，张永利撰写的《基于OpenCV图像处理技术在冰情监测中的应用[J]》发表在《信息技术》2014年第5期第175-177页。本文介绍了一种采样拍摄照片，并通过采用数字图像处理技术分析照片，得到结冰的宽度的方法。
[0005]上述这些方法只能观察冰情的某一个参数，即冰的厚度或宽度，不能观察多个参数，也没法得到冰情与其他因素的相互关系，对分析判断冰情有较大局限性，不能适应现有水域冰情监测的实际需要。
(三)【实用新型内容】
[0006]本实用新型的目的是提供一种能够实时监测水域各区域冰情的发生，发展的水域冰情监测装置，能够监测水域冰情发生发展与温度、风速、流速的关系。为研宄水域冰情的发生发展与环境变量的关系提供科学数据。
[0007]本实用新型的目的是这样达到的:监测研宄装置由监测服务器与若干监测站组成，监测站数量和分布根据需要选择，监测服务器为带有无线通信能力的计算机，监测服务器与监测站间采用无线通信方式进行通信。
[0008]监测站包括固定线、固定锚、浮箱，安装有测量设备和仪器后的浮箱需要有1/5以上浮在水面，且水下的深度大于可能的最大结冰厚度。固定锚沉入水底，重量远大于水对浮箱产生的浮力，浮箱固定在监测位置上。浮箱和固定锚通过固定线连接，固定线的一端通过浮箱底面上的固定线安装孔连接在浮箱上，另一端连接固定锚。
[0009]浮箱为正多边立柱体，顶面和底面为相同形状、相同大小的正多边形，正多边形边数用m表示。浮箱侧面为透明材料做成的矩形，宽度等于顶面或底面正多边形的边长，顶面和底面水平安装，浮箱内部为空心密封结构。在浮箱内部安装监测与控制器，监测与控制器安装在监测与控制器安装支架上，并处于浮箱中轴线上，监测与控制器安装支架固定在浮箱的底面上。在浮箱顶面安装气象参数测量仪、太阳能风能电源、GPS测量仪、无线天线，在浮箱矩形侧面每条边的外侧竖向等距安装k个温度传感器，共计安装mk个。在固定线上等距安装η个温度流速测量仪，η大于等于I。
[0010]监测与控制器的控制芯片是微处理器，微处理器连接视频数据采集模块和无线通信系统，并设置温度流速测量仪接口、温度传感器接口、GPS测量仪接口、气象参数测量仪接口，微处理器通过无线通信系统接收监控服务器命令，采集与其连接的温度流速测量仪、温度传感器、视频数据采集模块、GPS测量仪、气象参数测量仪的数据，并通过无线通信系统向监控服务器发送所采集的数据。
[0011]视频数据采集模块是在可编程门阵列以及外围电路上连接图像传感器以及外围电路、视频压缩处理芯片以及外围电路、闪光控制电路；通过通信接口与微处理器连接，通信接口传输微处理器命令给现场可编程门阵列，向微处理器发送视频压缩信号。
[0012]视频压缩处理芯片及其外围电路接收可编程门阵列的视频输出信号，将视频输出信号进行视频压缩，将压缩后的视频压缩信号送给可编程门阵列。
[0013]可编程门阵列及其外围电路通过场同步信号，行同步信号，时钟信号，驱动时序信号，曝光控制信号控制图像传感器的图像采集时间，进行曝光控制，控制闪光控制电路的闪光时刻，并接收图像传感器传来的亮度像素信号，将像素亮度信号按行同步和场同步组合成视频输出信号；将视频输出信号传输给视频压缩处理芯片，并接收视频压缩处理芯片的视频压缩信号，将视频压缩信号通过通信接口传输给微处理器。
[0014]太阳能风能电源包括风力发电机、太阳能光伏板、风光控制器、蓄电池，风力发电机通过风力发电机支架固定在立杆上，太阳能光伏板固定在立杆上，立杆将风力发电机和太阳能光伏板固定在基座上，立杆通过基座将太阳能风能电源固定在浮箱上，立杆为空心圆柱，中间安装风光控制器和蓄电池，风光控制器控制风力发电机和太阳能光伏板对蓄电池充电，蓄电池对装置供电。
[0015]视频数据采集模块共安装m个，浮箱的每个侧面对应安装一个，视频数据采集模块图像传感器与对应侧面平行，各视频数据采集模块图像传感器与对应侧面的距离相等，且采用相同的镜头，镜头焦距的选择要保证所拍浮箱侧面图像的上下两边在拍摄图像中，摄像机水平安装使得浮箱侧面图像的上下两边在拍摄图像中呈水平位置。
[0016]监测研宄装置对冰厚进行监测，冰厚监测数据处理由监控服务器实现，或者由视频数据采集模块的微处理器或现场可编程门阵列实现。
[0017]本实用新型的积极效果是:
[0018]1、实时监测水域冰情的发生发展，对结冰厚度进行监控、跟踪，确保将事故处理在发生以前。
[0019]2、分区域监测水域冰情，分析各区域冰情发生发展的差异。
[0020]3、监测冰情的同时监测温度，风速，流速，为研宄水域冰情与环境因素的关系提供科学数据。
(四)、
【附图说明】
[0021]图1是装置总体结构示意图。
[0022]图2是监测站总体结构示意图。
[0023]图3是浮箱结构示意图。
[0024]图4是监测控制器结构示意图。
[0025]图5是视频数据采集模块结构示意图。
[0026]图6是太阳能结构示意图。
[0027]图7?图13是微处理器电路图。
[0028]图14是视频数据采集模块中的图像传感器以及外围电路图。
[0029]图15?16是视频数据采集模块中的视频压缩处理电路图。
[0030]图17?图22是视频数据采集模块中的可编程门阵列电路图，其中，图21、图22为内存电路图。
[0031]图23?图27是闪光控制电路。
[0032]图中，I监测站，2监测服务器，3固定锚，4固定线，5-1?5_n，温度流速测量仪，6浮箱，7监测与控制器，8气象参数测量仪，9太阳能风能电源，10GPS测量仪，11无线天线，12浮箱底面，13固定线安装孔，14监测与控制器安装支架，15浮箱顶面，16-1、16-2、16-3、
16-4、16-5、16-6浮箱侧面，17-1-1 ?k、17-2-1 ?k、17-3-1 ?k、17-4-1 ?k、17-5-1 ?k、
17-6-1?k温度传感器，18微处理器，19-1?19-n温度流速测量仪接口，20-1?20_mk温度传感器接口，21-1?21-m视频数据采集模块，22无线天线接口，23无线通信系统，24GPS测量仪接口，25气象参数测量仪接口，26图像传感器以及外围电路，27视频压缩芯片及其外围电路，28可编程门阵列及其外围电路，29与微处理器的通信接口，30风力发电机，31风力发电机支架，32太阳能光伏板，33立杆，34风光控制器，35蓄电池，36基座，37闪光控制电路。
(五)、
【具体实施方式】
[0033]参见图1。本实用新型根据监测需要，可以设置η个监测站，η为大于等于I的整数。监测站的分布和个数根据监测现场需求决定。监测服务器用于接收所有监测站的数据，并向各监测站发出命令。监测服务器与监测站间的通信采用无线通信方式。
[0034]参见图2、图3。
[0035]监测站包括固定线4、固定锚3、浮箱6，安装有测量设备和仪器后的浮箱需要有1/5以上浮在水面，且水下的深度大于可能的最大结冰厚度。固定锚3为密度很大的物质构成，沉入水底，重量远大于水对浮箱产生的浮力，用于将浮箱固定在监测位置上。浮箱6和固定锚3通过固定线4连接，固定线4的一端通过浮箱底面上的固定线安装孔13连接在浮箱上，另一端连接固定锚3。
[0036]温度流速测量仪测量温度和流速，根据测量需要，在固定线上等距安装η个，η大于等于I。本实施例采用的温度流速测量仪为厦门博意达科技有限公司生产的LSH10-1型超声多普勒流速仪。
[0037]浮箱为正多边立柱体，顶面和底面为正多边形，本例采用的正六边形。浮箱的侧面16-1、16-2、16-3、16-4、16-5、16-6为透明材料做成的矩形，浮箱顶面和浮箱底面水平安装，浮箱内部为空心密封结构。本实施例的透明材料采用有机玻璃。
[0038]浮箱6安装有测量设备和仪器包括:在浮箱内部安装监测与控制器7，监测与控制器7安装在监测与控制器安装支架14上，监测与控制器安装支架14固定在浮箱的底面12上。在浮箱顶面安装气象参数测量仪8、太阳能风能电源9、GPS测量仪10、无线天线11，在浮箱矩形侧面每条边的外侧竖向等距安装k个温度传感器17-1-1?k、17-2-1?k、17-3-1?k、17-4-1 ?k、17-5-1 ?k、17-6-1 ?k，共计安装 mk 个。
[0039]GPS测量仪为装置提供时间和位置信息。GPS测量仪采用龙泰国脉(北京)科技发展有限公司生产的，型号为GS-216M卫星定位接收器。
[0040]参见图6。太阳能风能电源9包括风力发电机30、太阳能光伏板32-1、32-2、风光控制器34、蓄电池35，风力发电机30通过风力发电机支架31固定在立杆33上，太阳能光伏板32-1、32-2固定在立杆上，立杆33将风力发电机30和太阳能光伏板32_1、32_2固定在基座上，立杆通过基座36将太阳能风能电源9固定在浮箱6上，立杆为空心圆柱，中间安装风光控制器和蓄电池，风光控制器控制风力发电机和太阳能光伏板对蓄电池充电，蓄电池对装置供电。
[0041]太阳能光伏板、风力发电机、风力发电机支架、蓄电池、风光控制器为装置的太阳能风能电源，为整个装置提供能源。本例采用的太阳能风能电源由成都振中电气有限公司提供成套设备。
[0042]图4给出了监测与控制器结构图。
[0043]在微处理器18上连接视频数据采集模块21-1?m、无线通信系统23 ;设置温度流速测量仪接口 19、温度传感器接口 20、无线天线接口 21、GPS测量仪接口 24、气象参数测量仪接口 25 ;微处理器通过无线通信系统接收监控服务器命令，采集与其连接的温度流速测量仪、温度传感器、视频数据采集模块、GPS测量仪、气象参数测量仪的数据，并通过无线通信系统向监控服务器发送所采集的数据。
[0044]温度流程 测量仪接口用于连接温度流速测量仪。
[0045]温度流速测量仪采用厦门博意达科技有限公司生产的LSH10-1型超声多普勒流速仪
[0046]温度传感器接口用于连接温度传感器。温度传感器采用中环天仪(天津)气象仪器有限公司生产的WZPl型温度传感器。
[0047]视频数据采集模块采集视频数据。
[0048]无线天线接口用于连接无线天线。无线天线用于系统的无线通信。
[0049]无线通信系统用于与接收监控服务器进行通信。
[0050]气象参数测量仪接口用于连接气象参数测量仪。气象参数测量仪用于测量气压，温度等气象参数。气象参数测量仪采用中环天仪(天津)气象仪器有限公司生产的Apollo230太阳能资源监测站。
[0051]监测与控制器的微处理器用于通过无线通信系统接收监控服务器命令，采集与其连接的温度流速测量仪、温度传感器、视频数据采集模块、GPS测量仪、气象参数测量仪的数据，并通过无线通信系统向监控服务器发送所采集的数据。
[0052]微处理器的具体电路图如图7?图13所示。微处理器选择Atmel公司产品，芯片型号:AR91RM9200，其中，UlO:AtmeI公司生产的AR91RM9200 ；U11:三星公司生产的48LC4M32B2。
[0053]图5为监测与控制器中的视频数据采集模块结构图。
[0054]视频压缩芯片及其外围电路接收可编程门阵列的视频输出信号，将视频输出信号进行视频压缩，将压缩后的视频压缩信号送给可编程门阵列。
[0055]视频数据采集模块中的图像传感器以及外围电路图如图14所示。图像传感器电路中UCl为SONY公司生产的ICX205芯片。
[0056]视频压缩芯片及其外围电路中，视频数据采集模块中的视频压缩处理电路图如图15?16所示。图中，视频压缩芯片U12为TOKYO公司生产的TE3310 ;U13为三星公司生产的 48LC4M32B2。
[0057]可编程门阵列及其外围电路通过场同步信号，行同步信号，时钟信号，驱动时序信号，曝光控制信号控制图像传感器的图像采集时间，进行曝光控制。并接收图像传感器传来的亮度像素信号，并将像素亮度信号按行同步和场同步组合成视频输出信号。将视频输出信号传输给视频压缩处理芯片，并接收视频压缩处理芯片的视频压缩信号，将视频压缩信号通过通信接口传输给微处理器。
[0058]图17?图22是视频数据采集模块中的可编程门阵列电路图，其中，图21、图22为内存电路图。可编程门阵列图中，Ul为Xilnx公司的X3S1200芯片，U3，U4为三星公司的48LC4M32B2 芯片。
[0059]图23?图27是视频数据采集模块中的闪光控制电路，其中闪光灯的发光二极管选择 LD1-LD90。
[0060]与微处理器的通信接口传输微处理器命令给现场可编程门阵列，向微处理器发送视频压缩信号。
[0061]视频数据采集模块共安装6个，浮箱的每个侧面对应安装一个，视频数据采集模块图像传感器与对应侧面平行，各视频数据采集模块图像传感器与对应侧面的距离相等，且采用相同的镜头，镜头焦距的选择要保证所拍浮箱侧面图像的上下两边在拍摄图像中，摄像机水平安装使得浮箱侧面图像的上下两边在拍摄图像中呈水平位置。
[0062]本实用新型监测服务器是带有无线通信能力的计算机。监测服务器与监测站间采用无线通信方式进行通信。无线通信系统采用郑州一领电子科技有限公司M905R-433无线透明传输模块，监测服务器和微处理器各接一个，构成无线通信系统。
[0063]本装置的控制包括监控服务器控制、微处理器控制、视频数据采集模块的现场可编程门阵列控制。
[0064]监控服务器控制:
[0065]I)、向各监测站发送监控命令，监控命令内容包括:是否启动或停止工作、数据采集间隔时间、数据采集类型，
[0066]2)、接收各监测站发来的数据，
[0067]3)、存储接收站数据并进行数据运算和处理。
[0068]微处理器控制:
[0069]I)、接收监控服务器命令，
[0070]2)、解析监控服务器命令，并根据监控服务器命令向视频数据采集模块发送视频数据采集命令，接收采集各视频数据采集模块的视频数据，
[0071]3)、解析监控服务器命令，并根据监控服务器命令采集各温度流速测量仪的流速与水温数据，采集各温度传感器的温度数据，采集GPS测量仪的位置数据和时间数据，采集气象参数测量仪的气温、气压、散射辐射、直接辐射、风速、风向、湿度、雨量等各种数据，
[0072]4)、将采集的数据传输给监控服务器。
[0073]视频数据采集模块的现场可编程门阵列控制:
[0074]I)、接收微处理器命令，
[0075]2)、根据微处理器命令构造场同步信号、行同步信号、时钟信号、驱动时序信号、曝光控制信号，将上述信号送给图像传感器，
[0076]3)、接收图像传感器的像素亮度信号，并根据场同步信号和行同步信号构造视频输出信号送给视频压缩处理芯片，
[0077]4)、接收视频压缩处理芯片传来的视频压缩信号，
[0078]5)、将视频压缩信号送给微处理器。
[0079]本装置对冰厚进行监控，冰厚的数据处理由监控服务器实现，或者由视频数据采集模块的微处理器或现场可编程门阵列实现。
[0080]本水域冰情监测研宄装置不仅可以实时、分区域监测水域冰情的发生发展，分析各区域冰情发生发展的差异，同时通过监测温度，风速，流速，为研宄水域冰情与环境因素的关系提供科学数据。
【主权项】
1.一种水域冰情监测研宄装置，其特征在于:监测研宄装置由监测服务器与若干个监测站组成，监测站数量和分布根据需要选择，监测服务器为带有无线通信能力的计算机，监测服务器与监测站间采用无线通信方式进行通信； 监测站包括固定线(4)、固定锚(3)、浮箱(6)，安装有测量设备和仪器后的浮箱需要有1/5以上浮在水面，且水下的深度大于可能的最大结冰厚度；固定锚(3)沉入水底，重量远大于水对浮箱产生的浮力，浮箱固定在监测位置上；浮箱(6)和固定锚(3)通过固定线(4)连接，固定线(4)的一端通过浮箱底面上的固定线安装孔(13)连接在浮箱上，另一端连接固定锚⑶； 浮箱(6)外形为正多边立柱体，顶面和底面为相同形状、相同大小的正多边形，正多边形边数用m表示，浮箱侧面为透明材料做成的矩形，宽度等于顶面或底面正多边形的边长，顶面和底面水平安装，浮箱内部为空心密封结构；浮箱(6)安装有测量设备和仪器包括:在浮箱内部安装监测与控制器(7)，监测与控制器(7)安装在监测与控制器安装支架(14)上，并处于浮箱中轴线上，监测与控制器安装支架(14)固定在浮箱的底面(12)上；在浮箱顶面安装气象参数测量仪(8)、太阳能风能电源(9)、GPS测量仪(10)、无线天线(11);在浮箱矩形侧面每条边的外侧竖向等距安装k个温度传感器(17-1-1?k、17-2-1?k、17-3-1?k、17-4-1 ?k、17-5-1 ?k、17-6-1 ?k)，共计安装 mk 个； 在固定线(4)上等距安装η个温度流速测量仪(5-1?5-η)，η大于等于I。2.如权利要求1所述的水域冰情监测研宄装置，其特征在于:所述监测与控制器(7)的控制芯片是微处理器(18)，微处理器(18)连接视频数据采集模块(21-1?21-m)和无线通信系统(23)，并设置温度流速测量仪接口(19-1?19-n)、温度传感器接口(20_1?20-mk)、GPS测量仪接口(24)、气象参数测量仪接口(25)，微处理器通过无线通信系统接收监控服务器命令，采集与其连接的温度流速测量仪、温度传感器、视频数据采集装置、GPS测量仪、气象参数测量仪的数据，并通过无线通信装置向监控服务器发送所采集的数据。3.如权利要求2所述的水域冰情监测研宄装置，其特征在于:所述视频数据采集模块是在可编程门阵列以及外围电路上连接图像传感器以及外围电路(26)、视频压缩处理芯片以及外围电路(27)、闪光控制电路(37)并通过通信接口(29)与微处理器连接，通信接口传输微处理器命令给现场可编程门阵列，向微处理器发送视频压缩信号； 视频压缩处理芯片及其外围电路接收可编程门阵列的视频输出信号，将视频输出信号进行视频压缩，将压缩后的视频压缩信号送给可编程门阵列； 可编程门阵列及其外围电路通过场同步信号，行同步信号，时钟信号，驱动时序信号，曝光控制信号控制图像传感器的图像采集时间，进行曝光控制，控制闪光控制电路的闪光时刻，并接收图像传感器传来的亮度像素信号，将像素亮度信号按行同步和场同步组合成视频输出信号；将视频输出信号传输给视频压缩处理芯片，并接收视频压缩处理芯片的视频压缩信号，将视频压缩信号通过通信接口传输给微处理器。4.如权利要求1所述的水域冰情监测研宄装置，其特征在于:太阳能风能电源(9)包括风力发电机(30)、太阳能光伏板(32-1、32-2)、风光控制器(34)、蓄电池(35)，风力发电机(30)通过风力发电机支架(31)固定在立杆(33)上，太阳能光伏板(32-1、32-2)固定在立杆上，立杆(33)将风力发电机(30)和太阳能光伏板(32-1、32-2)固定在基座上，立杆通过基座(36)将太阳能风能电源(9)固定在浮箱(6)上，立杆为空心圆柱，中间安装风光控制器(34)和蓄电池(35)，风光控制器控制风力发电机(30)和太阳能光伏板(32-1、32-2)对蓄电池充电，蓄电池对装置供电。5.如权利要求3所述的水域冰情监测研宄装置，其特征在于:视频数据采集模块共安装m个，浮箱的每个侧面对应安装一个，视频数据采集模块图像传感器与对应侧面平行，各视频数据采集模块图像传感器与对应侧面的距离相等，且采用相同的镜头，镜头焦距的选择要保证所拍浮箱侧面图像的上下两边在拍摄图像中，摄像机水平安装使得浮箱侧面图像的上下两边在拍摄图像中呈水平位置。
【专利摘要】一种水域冰情监测研究装置。装置由监测服务器与若干监测站组成，监测站数量和分布根据需要选择，监测服务器为带有无线通信能力的计算机，两者间采用无线通信方式通信。监测站的固定锚和浮箱通过固定线连接，固定锚沉入水底将浮箱固定在监测位置上。浮箱内设置监测与控制器，顶面安装气象参数测量仪、太阳能风能电源、GPS测量仪、无线天线，外周竖向安装温度传感器，固定线上安装温度流速测量仪。监测与控制器中的微处理器上设置视频数据采集模块和各种接口，微处理器通过无线通信系统向监控服务器发送所采集的数据。本实用新型在监测冰情的同时监测气温、水温、风速、流速，为研究水域冰情与环境因素的关系提供科学数据。
【IPC分类】G08C17/02, H04N7/18
【公开号】CN204695545
【申请号】CN201520433892
【发明人】莫思特, 邓云, 脱友才, 李碧雄
【申请人】四川大学
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年6月23日
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