基于环境保护意识的固定水域垃圾自动清理机器人推广应用策略研究

基于环境保护意识的固定水域垃圾自动清理机器人推广应用策略研究

宋家明、刘坤强、史兴炜

郑州科技学院

摘要：在现代智慧城市建设的进程中，水域环境在线监测与治理是非常重要的一环。针对传统监测与清理方法的局限性，基于NB-IoT的应用优势，提出了基于NB-IoT的城市水域环境在线监测与治理方案。该方案将传感器节点与NB-IoT网络连接，实现了对关键参数如水质和溶解氧等的实时监测；运用配备感知技术和自主导航系统的水面垃圾清理机器人，实现对城市水域环境的自动监测和水体表面垃圾的清理；此外，利用云计算和大数据分析技术，对监测数据进行处理和分析，使决策者和管理人员能够实时获取和分析水环境信息。通过结合基于NB-IoT的在线监测系统，可以实现数据共享和协同工作，提高治理效率和水环境保护能力。

关键词：NB-IoT；机器人；水域垃圾清理；自动识别；传感器

一、引言

城市水域是城市生态系统的组成部分，能够储存和调节水资源，通过修复湖泊、溪流和湿地等水域，可保护和促进水生态系统的完整性，维护水生生物多样性的繁荣。随着社会的发展和工业化进程加快,环境污染问题日益严峻,特别是水域环境的污染,水面会有许多的漂浮垃圾,传统清理水面漂浮物采用人工或者是大型机械清理的方式;人工清理的方式存在效率低下,人员安全得不到保障等问题;大型机械清理的方式不适用漂浮物较分散,不集中的区域,且机械清理的成本较高;所以本文提出一种可以在水域环境下自主导航作业的水面清污机器人智能导航作业系统,解决传统清污方式的人工和高成本等问题,实现高效率和智能化。

二、NB-IoT技术优势

NB-IoT是一种低功耗广域网（LPWAN）技术，专门用于物联网设备的连接，它是3GPP组织在LTE（LongTermEvolution）标准下定义的一种窄带物联网技术。NB-IoT技术具有低功耗、高覆盖范围、大连接密度、低成本、安全的通信机制等主要特点。与其他技术相比，NB-IoT技术在水环境监测方面存在五大技术优势。

（一）网络覆盖范围广

NB-IoT技术被广泛应用于各种物联网场景，包括智能城市、智能家居、智能农业、智能能源管理等。它提供了一种低成本、低功耗、广域覆盖的物联网连接解决方案，推动了物联网的发展和普及。多连接实现超强覆盖，NB-IoT在覆盖范围方面的设计目标是在GPRS的基础上覆盖增强20dB。NB-IoT只消耗大约180KHz的频段，相较于2G/3G/4G有50—100倍的上行容量提升，可实现超大连接。

（二）终端设备功耗低

NB-IoT采用了PSM（省电模式）和eDRX（拓展非连续接收）技术的惰性通信机制，大部分时间下，设备处于休眠状态，因此其通信模组耗电极低。

（三）成本低

NB-IoT免布设信号线，施工方便，后期管理工作简便、维护成本低。在部署方式上，NB-IoT可以直接部署在运营商已有的网络中，在芯片的设计上通过对一部分功能进行简化来使芯片复杂度降低；使用单天线，采用半双工方式，就可以满足物联网通信需求，可大大降低射频模块成本。

（四）数据安全

NB-IoT提供了更高的安全性和隐私保护。NB-IoT通过加密通信、身份认证、安全认证、安全升级、数据隐私保护和安全监控等措施，确保数据在传输和存储过程中的安全性，提高了NB-IoT系统的安全性和可靠性。

三、固定水域垃圾自动清理机器人系统分析

（一）监测系统设计

城市水域环境在线监测平台是指用于实时监测和管理城市公园水环境的专用平台，其主要功能主要包括以下内容：

水质监测：平台可通过集成传感器、数据采集系统和数据存储与处理系统，实现对水质参数的在线监测和分析。它提供实时数据展示、报警功能、数据回放和数据导出等功能，方便管理人员对水质变化进行监管和决策。

环境遥感监测：服务器可调用卫星、无人机或其他遥感技术，以高空观测的方式获取城市水域的影像数据。借助图像处理和遥感算法，可以分析水体的光学特性、悬浮物浓度、水生态状况等，并提供多尺度的监测结果。

实时气象监测：服务器可调用本地气象仪器和传感器的气象数据，用于监测温度、湿度、风速、降雨量等气象参数。通过与水质监测数据的结合，可以更好地了解气候因素对水环境的影响，帮助预测洪涝风险和污染扩散情况。

数据管理与分析：云服务器可用于集中存储和处理监测数据，并提供数据可视化、统计分析和报告生成的功能。通过该平台，可以方便地管理和查询历史监测数据，及时发现异常事件和趋势，进行环境评估和决策支持。

公众参与：平台可将公众也纳入到城市水域环境在线监测中来。通过手机应用程序或Web界面，公众可以查看实时的水质数据、气象信息和污染源的警报状态，还可以提交问题或举报水环境问题，与管理部门和其他用户共同参与水环境的保护与治理。

城市水域环境在线监测平台可以提供实时的数据收集、展示和分析功能，为决策者、管理人员和公众提供了更好的资源和工具，推动城市水域环境的保护和管理工作。

（二）水环境数据采集终端

1、感知层设计

应用NB-IoT对城市水环境管理进行升级改造，可对水质数据、水污染状态数据、水环境状态数据进行采集，基于NB-IoT的水环境在线监测感知层架构。水质数据采集可采集水温、pH、电导率、溶解氧含量、浊度等；水污染状态数据采集可采集水面垃圾情况、藻类生长情况、细菌繁殖情况等；水环境物理状态数据采集可采集水位、流速等。

2、数据传输和分析

将监测设备收集到的数据通过NB-IoT或有线网络传输至数据中心，进行数据存储、处理和分析。利用数据分析技术可以对长期趋势、异常事件和其他重要信息进行识别和预测。

3、水环境治理设备

城市水域以人工湖为主，由于人流量大，容易造成大量垃圾漂浮在水面，影响美观也影响水体质量。水面垃圾处理是其环境监测与治理的重要方面，为节省人力成本，实现全天候自动作业，以减少水体受污染物影响的风险，本方案选用水面垃圾清理机器人作为水环境清洁监测与治理设备。水面垃圾清理机器人包括传感器模块、太阳电池模块、电机模块、通信模块等组件。该机器人具备远程遥控和自动巡航清理两种工作模式。针对自动巡航清理模式，基于传感技术和自主导航技术，系统设计了垃圾目标识别算法，能够准确识别常见的水面漂浮垃圾，并将其与水面景观、漂浮植物、水岸等进行有效分离，以进行水面垃圾自动清理。

水面垃圾清理机器人可将清理过程中所获取的数据上传至云端进行分析和统计，数据收集与分析功能为决策者和管理人员提供决策支持。经过测试，该水面垃圾清理机器人在人工湖等静态水域中能够有效清理水面漂浮垃圾。

（三）数据管理

对于采集到的数据更重要的是后续的管理及应用。利用水质数据、水污染状态数据、水环境物理状态数据等,建立大数据模型，进行深度挖掘，分析相关影响因素，通过联合评价和时空分析等措施来制定水环境管理决策。对监测结果进行实时分析和比对，设定一些阈值和标准，当接近或超过该阈值时，发出告警信号并及时通知相关人员。可实现早期预警和及时应对，减少环境和健康的潜在风险。

四、结束语

本文针对城市水域环境保护的现实需求，基于NB-IoT技术优势，设计了一套城市水环境在线监测与治理方案，并提出采用水面垃圾清理机器人实施自动清理，经测试，能实现有效清理。

参考文献

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本文为河南省教育厅2021年大学生创新创业训练计划项目“基于机器视觉的固定水域垃圾自动清理机器人研究与实现”（编号：202112746008）、郑州科技学院2021年大学生创新创业训练计划项目“基于机器视觉的固定水域垃圾自动清理机器人研究与实现”（编号：DC202108）阶段性成果