水域冰情監(jiān)測研究系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
(一)
技術領域
[0001]本發(fā)明屬水域監(jiān)測范疇，特別涉及水域冰情監(jiān)測。
(二)
【背景技術】
[0002]位于我國高寒地區(qū)的水電大壩冬季庫區(qū)結冰及春季上游河道冰凌的沖擊都會給水電大壩安全運行和河邊人們的生活帶來很大影響。密切監(jiān)測結冰期冰體和春季上游河道冰凌流動，是確保水電站和人民生命財產(chǎn)安全的重要環(huán)節(jié)。海邊的冰情狀況也是海域航行的關鍵因素。因而，每年國家需要消耗大量的人力監(jiān)測冰情，防范安全事故。
[0003]由龍欣，程琦，秦建敏撰寫的《黃河萬家寨水利樞紐水庫冰情定點連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)的設計與應用》[J].發(fā)表在《數(shù)學的實踐與認識》，第2014，44(2)期，第71-78頁。文中介紹了采用分布式電極測電阻的方法測量冰厚。這種方法只是測量冰厚，而且由于測量精度與電極的分布相關，不是十分準確。
[0004]在由徐超，張永利撰寫的《基于OpenCV圖像處理技術在冰情監(jiān)測中的應用[J]》發(fā)表在《信息技術》2014年第5期第175-177頁。本文介紹了一種采樣拍攝照片，并通過采用數(shù)字圖像處理技術分析照片，得到結冰的寬度的方法。
[0005]上述這些方法只能觀察冰情的某一個參數(shù)，即冰的厚度或?qū)挾?，不能觀察多個參數(shù)，也沒法得到冰情與其他因素的相互關系，對分析判斷冰情有較大局限性，不能適應現(xiàn)有水域冰情監(jiān)測的實際需要。
(三)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)崟r監(jiān)測水域各區(qū)域冰情的發(fā)生，發(fā)展的水域冰情監(jiān)測系統(tǒng)，能夠監(jiān)測水域冰情發(fā)生發(fā)展與溫度、風速、流速的關系。為研宄水域冰情的發(fā)生發(fā)展與環(huán)境變量的關系提供科學數(shù)據(jù)。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣達到的:監(jiān)測研宄系統(tǒng)由監(jiān)測服務器與若干監(jiān)測站組成，監(jiān)測站數(shù)量和分布根據(jù)需要選擇，監(jiān)測服務器為帶有無線通信能力的計算機，監(jiān)測服務器與監(jiān)測站間采用無線通信方式進行通信。
[0008]監(jiān)測站包括固定線、固定錨、浮箱，安裝有測量設備和儀器后的浮箱需要有1/5以上浮在水面，且水下的深度大于可能的最大結冰厚度。固定錨沉入水底，重量遠大于水對浮箱產(chǎn)生的浮力，浮箱固定在監(jiān)測位置上。浮箱和固定錨通過固定線連接，固定線的一端通過浮箱底面上的固定線安裝孔連接在浮箱上，另一端連接固定錨。
[0009]浮箱為正多邊立柱體，頂面和底面為相同形狀、相同大小的正多邊型，正多邊形邊數(shù)用m表示。浮箱側(cè)面為透明材料做成的矩形，寬度等于頂面或底面正多邊形的邊長，頂面和底面水平安裝，浮箱內(nèi)部為空心密封結構。在浮箱內(nèi)部安裝監(jiān)測與控制器，監(jiān)測與控制器安裝在監(jiān)測與控制器安裝支架上，并處于浮箱中軸線上，監(jiān)測與控制器安裝支架固定在浮箱的底面上。在浮箱頂面安裝氣象參數(shù)測量儀、太陽能風能電源、GPS測量儀、無線天線，在浮箱矩形側(cè)面每條邊的外側(cè)豎向等距安裝k個溫度傳感器，共計安裝mk個。在固定線上等距安裝η個溫度流速測量儀，η大于等于I。
[0010]監(jiān)測與控制器的控制芯片是微處理器，微處理器連接視頻數(shù)據(jù)采集模塊和無線通信系統(tǒng)，并設置溫度流速測量儀接口、溫度傳感器接口、GPS測量儀接口、氣象參數(shù)測量儀接口，微處理器通過無線通信系統(tǒng)接收監(jiān)控服務器命令，采集與其連接的溫度流速測量儀、溫度傳感器、視頻數(shù)據(jù)采集模塊、GPS測量儀、氣象參數(shù)測量儀的數(shù)據(jù)，并通過無線通信系統(tǒng)向監(jiān)控服務器發(fā)送所采集的數(shù)據(jù)。
[0011]視頻數(shù)據(jù)采集模塊是在可編程門陣列以及外圍電路上連接圖像傳感器以及外圍電路、視頻壓縮處理芯片以及外圍電路、閃光控制電路；通過通信接口與微處理器連接，通信接口傳輸微處理器命令給現(xiàn)場可編程門陣列，向微處理器發(fā)送視頻壓縮信號。
[0012]視頻壓縮處理芯片及其外圍電路接收可編程門陣列的視頻輸出信號，將視頻輸出信號進行視頻壓縮，將壓縮后的視頻壓縮信號送給可編程門陣列。
[0013]可編程門陣列及其外圍電路通過場同步信號，行同步信號，時鐘信號，驅(qū)動時序信號，曝光控制信號控制圖像傳感器的圖像采集時間，進行曝光控制，控制閃光控制電路的閃光時刻，并接收圖像傳感器傳來的亮度像素信號，將像素亮度信號按行同步和場同步組合成視頻輸出信號；將視頻輸出信號傳輸給視頻壓縮處理芯片，并接收視頻壓縮處理芯片的視頻壓縮信號，將視頻壓縮信號通過通信接口傳輸給微處理器。
[0014]系統(tǒng)的控制包括監(jiān)控服務器控制、微處理器控制、視頻數(shù)據(jù)采集模塊的現(xiàn)場可編程門陣列控制:
[0015]監(jiān)控服務器控制:
[0016]I)、向各監(jiān)測站發(fā)送監(jiān)控命令，監(jiān)控命令內(nèi)容包括:是否啟動或停止工作、數(shù)據(jù)采集間隔時間、數(shù)據(jù)采集類型，
[0017]2)、接收各監(jiān)測站發(fā)來的數(shù)據(jù)，
[0018]3)、存儲接收到的各監(jiān)測站數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)運算和處理。
[0019]微處理器控制:
[0020]I)、接收監(jiān)控服務器命令，
[0021]2)、解析監(jiān)控服務器命令，并根據(jù)監(jiān)控服務器命令向視頻數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送視頻數(shù)據(jù)采集命令，接收采集各視頻數(shù)據(jù)采集模塊系統(tǒng)的視頻數(shù)據(jù)，
[0022]3)、解析監(jiān)控服務器命令，并根據(jù)監(jiān)控服務器命令采集各溫度流速測量儀的流速與水溫數(shù)據(jù)，采集各溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)，采集GPS測量儀的位置數(shù)據(jù)和時間數(shù)據(jù)，采集氣象參數(shù)測量儀的氣溫、氣壓、散射輻射、直接輻射、風速、風向、濕度、雨量等各種數(shù)據(jù)，
[0023]4)、將采集的數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控服務器。
[0024]視頻數(shù)據(jù)采集模塊的現(xiàn)場可編程門陣列控制:
[0025]I)、接收微處理器命令，
[0026]2)、根據(jù)微處理器命令構造場同步信號、行同步信號、時鐘信號、驅(qū)動時序信號、曝光控制信號，將上述信號送給圖像傳感器，產(chǎn)生閃光同步信號控制閃光控制電路閃光，
[0027]3)、接收圖像傳感器的像素亮度信號，并根據(jù)場同步信號和行同步信號構造視頻輸出信號送給視頻壓縮處理芯片，
[0028]4)、接收視頻壓縮處理芯片傳來的視頻壓縮信號，
[0029]5)、將視頻壓縮信號送給微處理器。
[0030]太陽能風能電源包括風力發(fā)電機、太陽能光伏板、風光控制器、蓄電池，風力發(fā)電機通過風力發(fā)電機支架固定在立桿上，太陽能光伏板固定在立桿上，立桿將風力發(fā)電機和天陽能光伏版固定在基座上，立桿通過基座將太陽能風能電源固定在浮箱上，立桿為空心圓柱，中間安裝風光控制器和蓄電池，風光控制器控制風力發(fā)電機和太陽能光伏板對蓄電池充電，蓄電池對系統(tǒng)供電。
[0031]視頻數(shù)據(jù)采集模塊共安裝m個，浮箱的每個側(cè)面對應安裝一個，視頻數(shù)據(jù)采集模塊圖像傳感器與對應側(cè)面平行，各視頻數(shù)據(jù)采集模塊圖像傳感器與對應側(cè)面的距離相等，且采用相同的鏡頭，鏡頭焦距的選擇要保證所拍浮箱側(cè)面圖像的上下兩邊在拍攝圖像中，攝像機水平安裝使得浮箱側(cè)面圖像的上下兩邊在拍攝圖像中呈水平位置。
[0032]監(jiān)測研宄系統(tǒng)對冰厚進行監(jiān)測，冰厚監(jiān)測數(shù)據(jù)處理由監(jiān)控服務器實現(xiàn)，或者由監(jiān)測與控制器的微處理器或視頻數(shù)據(jù)采集模塊的現(xiàn)場可編程門陣列實現(xiàn)。
[0033]冰厚監(jiān)測數(shù)據(jù)處理過程如下:
[0034]I)根據(jù)所拍浮箱側(cè)面圖像在拍攝圖像的位置，選擇圖像計算區(qū)域。計算區(qū)域的最上邊的行稍微低于浮箱側(cè)面的上邊并高于水面，設其為It，計算區(qū)域的最下邊行稍微高于浮箱側(cè)面的下邊并低于可能的最深冰底面，設其為lb。如果拍攝圖像不能包含浮箱側(cè)面的左右兩邊，則計算區(qū)域最左可以為拍攝圖像的左邊一列，最右可以為拍攝圖像的右邊一列。如果拍攝圖像包含浮箱側(cè)面的左右兩邊，則計算區(qū)域最左可以為浮箱側(cè)面的左邊，最右可以為浮箱側(cè)面的右邊。設計算區(qū)域最左的列為J1，最右邊的列為Jr.
[0035]2)設視頻數(shù)據(jù)采集模塊所拍圖像為A，在圖像A中，取出It到Ib行與Jl到Jr列之間的圖像，設其為圖像B.設Ic = Ib-1t, Jc = Jr-Jl ;則圖像B的像素有Ic行Jc列
[0036]3)計算圖像B的灰度，設圖像B的灰度為圖