一种基于gnss和移动通信的洞穴地下水走向示踪计及方法
阅读说明：本技术 一种基于gnss和移动通信的洞穴地下水走向示踪计及方法 (Cave underground water trend tracer and method based on GNSS and mobile communication ) 是由 洪增林 杨建华 罗乾周 蔡明岸 张俊良 李益朝 唐力 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种基于GNSS和移动通信的洞穴地下水走向示踪计及方法,通过GNSS模块获取示踪计位置信息,由处理器转换并存储有用数据,最后通过移动通信模块将数据传输至远程服务器,实现示踪计轨迹的远程实时监测,从而完成洞穴地下水走向的测量。光控电源模块由电源和光控开关模块组成,有光时电源对示踪计供电,黑暗时停止对示踪计供电,提高示踪计的续航时长。示踪计采用球形外壳提高其在地下水流中的通过性能,采用无线充电提高其防水性能。本发明体积小,成本低,续航时间长,易操作,具有非常广阔的应用前景。(The invention provides a GNSS and mobile communication based cave underground water trend tracer and method. The light-operated power supply module comprises a power supply and a light-operated switch module, the power supply supplies power to the tracer meter when light exists, the power supply to the tracer meter is stopped when the light exists, and the duration of the tracer meter is prolonged. The tracer adopts spherical shell to improve its trafficability characteristic in the groundwater flow, adopts wireless charging to improve its waterproof performance. The invention has the advantages of small volume, low cost, long endurance time, easy operation and very wide application prospect.)
技术领域
本发明涉及洞穴探测技术领域，具体为一种基于GNSS和移动通信的洞穴地下水走向示踪计及方法，将传感器技术、卫星定位、物联网技术、计算机技术应用于洞穴探测中。
背景技术
目前，水文地质中探测洞穴地下水走向主要采用示踪剂法，即使用人工示踪剂投放在水流上游，示踪剂会随着水流方向的不同发生弥散，而后在投放点下游监测示踪剂，通过示踪剂的颜色变化和浓度变化来判断地下水的方向和来源。经常使用的示踪剂有荧光素、漂浮物以及盐类。
就当前研究现状来看，传统的示踪剂法通过盲布放监测点，对投放点下游进行检测，布放点的位置是估计的，示踪计到达时间和浓度未知。这种采用盲位置检测的示踪方法存在试验成本高、劳动强度大、取样时间长、样品搁置时间久和取样时易污染等问题，而且难以实时跟踪示踪剂位置，甚至有时检测不到示踪剂的去向。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种基于GNSS和移动通信的洞穴地下水走向示踪计及方法，具有操作简单、方便回收、经济环保、体积小、续航时间长等特点。
本发明的技术方案为：
所述一种基于GNSS和移动通信的洞穴地下水走向示踪计，其特征在于：包括微处理器、光控电源模块、GNSS模块和移动通信模块；
所述微处理器控制整个系统协调运行，进行串口通讯、处理存储数据；
所述光控电源模块包括电源和光控开关模块；光控开关模块检测环境光亮度，当环境光亮度大于设定阈值时，电源对整个系统供电，否则停止对整个系统供电；
当电源对整个系统供电时，GNSS模块能够接收卫星定位信号，获取示踪计的定位信息；微处理器存储定位信息和系统状态信息；移动通信模块能够将定位信息实时发送出去，并接收外部监测平台的控制指令。
进一步的优选方案，所述一种基于GNSS和移动通信的洞穴地下水走向示踪计，其特征在于：光控开关模块的设定阈值采用公式
进一步的优选方案，所述一种基于GNSS和移动通信的洞穴地下水走向示踪计，其特征在于：所述示踪计采用球形外壳，GNSS模块天线、移动通信模块天线和光控开关模块中的光敏电阻固定在外壳内侧上部，部署有微处理器以及其余功能模块中的电路部分的电路板和电源固定在球形外壳内侧下部，使示踪计重心处于示踪计的下部，形成不倒翁结构；布置有光敏电阻位置的球形外壳部分为透明外壳。
进一步的优选方案，所述一种基于GNSS和移动通信的洞穴地下水走向示踪计，其特征在于：所述电源采用无线充电方式，避免在示踪计外壳上设置充电接口。
利用所述示踪计进行洞穴地下水走向探测的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：在当前设定地域范围内，利用示踪计在n个洞穴露天位置进行环境亮度采集，并根据公式确定光控开关模块的设定阈值，其中Li为在第i处洞穴露天位置采集的环境亮度值；
步骤2：将示踪计投入洞穴地下水的上游位置，并利用GNSS模块获取初始位置信息；
步骤3：测量过程中示踪计漂浮于水面之上，随水流一起运动，当光控开关模块检测到环境光亮度大于设定阈值时，电源对整个系统供电，GNSS模块搜索卫星定位信号，移动通信模块搜索移动通信信号；当搜索到移动通信信号后，将示踪计状态信息和卫星定位信息发送到监测平台；
步骤4：当通过监测平台发现示踪计持续发送定位信息且位置基本不变时，根据最终位置信息对示踪计进行回收。
有益效果
本发明给出的一种基于GNSS/移动通信的洞穴地下水走向示踪计，与现有监测技术相比，具有以下优点：
1.借助自动化设备实时完成示踪过程，示踪信息直接上传到云服务器端，方便快捷；
2.相比现有技术需要耗费大量的人工参与检测，上述示踪设备采用自主定位、实时传输的远程监测方式，自主性强，定位精度高，实时性强，实验设备可重复使用，实验成本低；
3.远程监测平台可实时在地图上显示示踪轨迹，与传统方法相比，直观可视化地反映了洞穴地下水的走向。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例的剖面示意图。图中序号说明：
1为集成电路板，包含微处理器和其它电子元件；2为电源；3为配重仓；4为无线充电线圈；5为GNSS天线；6为光敏电阻；7为移动通信天线；8为外壳；
图2是本发明实施例的算法流程图；
图3是示踪计的系统架构。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本实施例中的基于GNSS和移动通信的洞穴地下水走向示踪计，包括微处理器、光控电源模块、GNSS模块和移动通信模块。
所述微处理器控制整个系统协调运行，进行串口通讯、处理存储数据。
所述光控电源模块包括电源和光控开关模块；光控开关模块检测环境光亮度，并通过设置环境亮度激发阈值控制对整个系统的供电。当环境光亮度大于设定阈值时，电源对整个系统供电，否则停止对整个系统供电。
光控开关模块的设定阈值采用公式确定；其中n为当前设定地域范围内，采集洞穴露天位置亮度的地点个数；Li为在第i处洞穴露天位置采集的环境亮度值。
所述GNSS模块用于接收卫星定位信号，获取示踪计的定位信息；
所述移动通信模块用于示踪计与监测平台之间的通讯，示踪计可发送定位信息和状态信息至监测平台，监测平台可发送控制指令配置示踪计的各项参数。
当电源对整个系统供电时，GNSS模块能够接收卫星定位信号，获取示踪计的定位信息；微处理器存储定位信息和系统状态信息；移动通信模块能够将定位信息实时发送出去，并接收外部监测平台的控制指令。
示踪计采用球形外壳，微处理器、光控电源模块、GNSS模块和移动通信模块均安装在球形密封外壳内，采用球形外壳以提高示踪计在地下水流中的通过性能。所述电源采用无线充电方式，避免在示踪计外壳上设置充电接口，提高示踪计在地下水流中的防水性能。
GNSS模块天线、移动通信模块天线和光控开关模块中的光敏电阻固定在外壳内侧上部，部署有微处理器以及其余功能模块中的电路部分的电路板和电源固定在球形外壳内侧下部，还可附加配重使示踪计重心处于示踪计的下部，形成不倒翁结构，防止示踪计翻转影响信号强度。同时通过调整配重还可以控制示踪计的漂浮状态。由于光敏电阻要采集环境光，所以至少布置有光敏电阻位置的球形外壳部分为透明外壳。
如图2所示，利用所述示踪计进行洞穴地下水走向探测的方法，包括以下步骤：
步骤1：在当前设定地域范围内，利用示踪计在n个洞穴露天位置进行环境亮度采集，并根据公式确定光控开关模块的设定阈值，其中Li为在第i处洞穴露天位置采集的环境亮度值；
步骤2：将示踪计投入洞穴地下水的上游位置，并利用GNSS模块获取初始位置信息；
步骤3：测量过程中示踪计漂浮于水面之上，随水流一起运动，当示踪计处于露天位置时，环境亮度超过光敏电阻的激发阈值，电源对整个系统供电，GNSS模块搜索卫星定位信号，移动通信模块搜索移动通信信号；当搜索到移动通信信号后，将示踪计状态信息和卫星定位信息发送到监测平台；如果卫星定位信号不佳，则只发送示踪计状态信息。当示踪计处于黑暗环境时，环境亮度低于光敏电阻的阈值，电源停止对示踪计供电，以此提高示踪计的续航时长。
步骤4：监测平台接收并记录定位信息，实时绘制示踪计的运动轨迹；当通过监测平台发现示踪计持续发送定位信息且位置基本不变时，根据最终位置信息对示踪计进行回收。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。