基于无线传感网络监测钉螺及钉螺生存环境的智能系统

摘要

本发明公开了基于无线传感网络监测钉螺及钉螺生存环境的智能系统，每一个前端子系统对所负责的监测水域内的钉螺覆盖物进行搅拌清理后进行图像采集，并采集水域的环境信息，通过无线方式发送给中部通信转换子系统的簇首节点；再通过无线方式发送给同一个二次汇聚节点，二次汇聚节点通过连接的路由器将数据转发给终端处理统计预警发布子系统的服务器；终端处理统计预警发布子系统的服务器进行图像处理、图像识别及图像理解，并通过与危险警报阀值进行比较给出相关预警播报，同时进行数据发布给相连的客户机，供客户机端工作人员查看并发布相关命令进行处理。本发明的有益效果是提供一种可以远程地、实时地监测重点水域的钉螺分布情况的系统。

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及基于无线传感网络监测钉螺及钉螺生存环境的智能系统。

背景技术

根据查阅相关文献,血吸虫病是一种严重危害人类健康,影响社会卫生事业发展的寄生虫病。现在全球有曼氏血吸虫、湄公血吸虫、间插血吸虫、埃及血吸虫和日本血吸虫共5种主要寄生在人体的血吸虫。血吸虫病流行于76个国家和地区。估计目前有6.52亿人口受到威胁，1.93亿感染者，有症状病例1.2亿，其中0.2亿为严重病例。我国只有日本血吸虫病流行，钉螺是其唯一的中间寄主。

钉螺隶属于腹足纲、盖螺科、钉螺属，又被称为钉螺蛳，或简称钉螺。它跟田螺、蜗牛一样，也是有一个右旋贝壳的腹足类。它是日本血吸虫唯一的中间宿主。栖息于淡水水域但水陆两栖。个体小、壳高约10毫米、宽3-4毫米。外形成尖圆锥形。壳面光滑或有粗、细纵肋。壳口呈卵圆形，外唇背侧有隆起唇嵴或无。肉可食。而且有钉螺孳生的地区，基本上都有血吸虫病流行，所以来自外地感染的患者，不可能在无钉螺地区传染。

钉螺是一种贝类，它跟田螺、蜗牛一样，也是有一个右旋贝壳的腹足类。因为它很小，很像小螺丝钉，所以又被称为钉螺蛳，或简称钉螺。近年来钉螺在我国南方部分地区还有蔓延加剧趋势。血吸虫以钉螺为中间宿主，当它进入人体后寄生在人体的门静脉系统的小血管里，其代谢物有毒，能破坏人体组织，使人失去某些正常的生理功能。为了减少血吸虫的传播，现在有以下几种措施：对血洗虫存在的水域直接消灭疫；直接消灭血吸虫的宿主钉螺；进行有效预防措施。其中预防措施有：不在有钉螺分布的湖水、河塘、水渠里游泳和戏水；因生产生活不可避免接触疫水者，可在接触水前涂抹防护油膏，预防血吸虫感染；接触疫水后，要及时到当地血防部门进行必要的检查和早期治疗。

由以上知识可知，监测和消灭钉螺是防治血吸虫病的的有效措施之一。进一步查阅发现，虽然我国相关科技工作者，取得了较多的成果，比如发明了磁定位灭钉螺等有害生物的方法及设施，一种血吸虫感染性钉螺检测试剂盒及其检测方法，血根碱作为杀灭钉螺药物的应用，一种卡槽浮式拦螺装置，全自动真空装置吸螺船，一种生态水力综合除螺装置，一种用富贵草制备灭杀钉螺的制剂、工艺及剂型,钉螺压碎器等等。通过认真比较分析，我们从以上等发明中发现以下两点：第一，钉螺及生存环境监测的发明很少；第二，还没有一种远距离可视化智能监测钉螺及其生存环境的系统。为了解决以上两点问题，我们发明了一种基于无线传感网络技术为载体，以图像处理识别理解为重要技术的监测钉螺及其生存环境的智能系统。

发明内容

本发明的目的在于提供基于无线传感网络监测钉螺及钉螺生存环境的智能系统，解决了目前还没有对钉螺及生存环境实现远程监测的系统。

本发明所采用的技术方案是包括若干个前端子系统、中部通信转换子系统和终端处理统计预警发布子系统；

每一个前端子系统对所负责的监测水域内的钉螺覆盖物进行搅拌清理后进行图像采集，并采集水域的环境信息，然后将图像采集数据和环境信息数据通过无线方式发送给中部通信转换子系统的簇首节点；

中部通信转换子系统在每一个前端子系统负责的水域内设置一个簇首节点，簇首节点通过无线方式接受同一水域内的图像数据和环境信息数据，所有水域的簇首节点将信息再通过无线方式发送给同一个二次汇聚节点，二次汇聚节点通过连接的路由器将数据转发给终端处理统计预警发布子系统的服务器；

终端处理统计预警发布子系统的服务器进行图像处理、图像识别及图像理解，并通过与危险警报阀值进行比较给出相关预警播报，同时进行数据发布给相连的客户机，供客户机端工作人员查看并发布相关命令进行处理。

进一步，所述前端子系统主要包括：采样预处理子系统，图像采集和计数子系统，无线信号传输子系统，外部环境监测子系统和电源；采样预处理子系统、图像采集和计数子系统分别通过LXI总线与无线信号传输子系统相连，外部环境监测子系统通过电路连接无线信号传输子系统，电源分别给采样预处理子系统、图像采集和计数子系统、无线信号传输子系统和外部环境监测子系统供电。

进一步，所述中部通信转换子系统由簇首节点、二次汇聚节点、路由器、路由连接装置构成；

簇首节点通过无线连接二次汇聚节点，二次汇聚节点通过路由连接装置连接路由器。

进一步，所述终端处理统计预警发布子系统包括：服务器、客户机、预警报警装置；

服务器连接客户机于预警报警装置。

进一步，系统之间基于B/S的网络化结构模式设计，通过TCP/IP协议进行通信。

本发明的有益效果是提供一种可以远程地、实时地监测重点水域的钉螺分布情况的系统。

附图说明

图1是本发明系统硬件布置示意图；

图2是本发明软件结构示意图；

图3是本发明系统结构原理图；

图4是本发明ZigBee无线通信射频部分CC2530电路图；

图5是本发明外部环境监测子系统内部原理图；

图6是本发明钉螺图像采集识别处理工作流程图。

图中，1.前端子系统，2.中部通信转换子系统，3.终端处理统计预警发布子系统，101.采样预处理子系统，102.图像采集和计数子系统，103.无线信号传输子系统，104.外部环境监测子系统，105.电源，201.簇首节点，202.二次汇聚节点，203.路由器，204.路由连接装置，301.服务器，302.客户机，303.预警报警装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明是基于无线传感网络技术监测钉螺及钉螺生存环境的智能系统。钉螺是血吸虫的中间宿主，当血吸虫寄生在人体的门静脉系统的小血管里，其代谢物能破坏人体的组织，使人失去生理上的正常功能。钉螺存在多的水域，患血吸虫病的可能性会增大，因此为了降低罹患血吸虫病的机率，我们发明了一种基于无线传感网络技术监测钉螺及其生存环境的智能系统。

本发明由三大子系统构成：前端子系统1，中部通信转换子系统2，终端处理统计预警发布子系统3。

其中前端子系统1主要包括：采样预处理子系统101，图像采集和计数子系统102，无线信号传输子系统103，外部环境监测子系统104和电源105四部分构成。

中部通信转换子系统2，它是由簇首节点201、二次汇聚节点202、路由器203、路由连接装置204构成。

终端处理统计预警发布子系统3包括：服务器301、客户机302、预警报警装置303构成。

将本系统的10个前端子系统1，分别放置在10个需要监测水域的，打开前端子系统1，进行相关监测，整个系统的工作示意图如图1所示。通过采样预处理子系统101进行前期采样预处理，再利用图像采集和计数子系统102进行拍照采样计数,将拍照后的数据进行加密压缩后，通过无线信号传输子系统103(基于ZigBee的通信模块)将数据传输给中部通信转换子系统2的无线传感网络的簇首节点201，前端子系统1的外部环境监测子系统104也将采集到的相关信息数据通过无线信号传输子系统103传输给中部通信转换子系统2的无线传感网络的簇首节点201；

中部通信转换子系统2的各簇首节点201将自己的数据加上本簇首位置信息，再进行信息的二次汇聚，无线传感网络的簇首将数据传送给二次汇聚节点202，簇首节点201和二次汇聚节点202都是ZigBee模块构成，通过无线方式传送数据，二次汇聚节点202将数据通过路由器203发送给终端处理统计预警发布子系统3的服务器301，二次汇聚节点202与路由器203之间通过路由连接装置204连接。

终端处理统计预警发布子系统3的服务器301进行图像处理、图像识别及图像理解。将处理结果通过自动统计分析，通过LabVIEW软件将统计结果显示在服务器301的计算机界面上，同时通过统计结果的分析给出钉螺的危害程度和并通过与危险警报阀值进行比较给出相关预警播报，并将这些数据送往钉螺监测数据库记录保存，同时通过LabVIEW的发布软件进行数据发布给相连的客户机302，客户机302提供远程访问服务(如图2)，可存储数据，供一般客户和管理人员查看。当系统监测到有钉螺时，将给各个前段子系统发出相关指令，进行放药消灭节点周围钉螺。

本发明具体硬件设备构成：

一、前端子系统1通过LXI总线技术进行设计，将各子系统进行紧密连接。前端子系统1的电源105选用KINGCHEVALIER的型号为PH-7AH的蓄电池，工作电压为12V,容量7AH。该蓄电池与其他设备通过中间调压电路相联。通过7mm厚钢化玻璃和费德斯水下密封胶FIX15进行前端子系统的密封。

采样预处理子系统101包括搅拌装置和LED照明装置。它的作用就是进行采集图像前的简单预处理：

(1)搅拌装置通过直流电动机，对钉螺上面的覆盖物进行搅拌清理；直流电机选用深圳恒驱直流无刷电机B3657M-S01型,具有双转向，锁定保护，无级调速，低噪音，低电磁干扰，超长寿命10000-30000小时，工作电压8V。

(2)LED照明装置为采样照相提供照明。LED照明灯选用鸿利光电的HL-A-5050F41W-S1-HR1型的白光LED，正向电压2.8V～3.6V,功耗1000mW,工作温度-40℃～80℃。

图像采集和计数子系统102包括图像采集装置，它的作用是对预处理后的节点外部方向进行拍照采集，图像采集装置包括一个高压防水高清CCD摄像头、一个高压防水LED灯和一个闪光灯。该部分的高清CCD摄像头选用ISH500图像传感器型号为Micron MT9P031，有效像素500万，扫描方式逐行扫描，工作温度0-60℃。LED灯选型同上。闪光灯选用银燕牌日光型高压触发工作电压为6V闪光指数为24W的BY-24ZP型闪光灯。

无线信号传输子系统103包括：GPS定位模块和ZigBee通信模块。此子系统主要完成所监测水域的定位，对采集的数据进行数据压缩和数据融合，以及数据的无线发送。GPS定位模块选用支持32个跟踪通道高灵敏度BDS/GPS双模的单系统定位和双系统联合定位的BDGS-338型模块。ZigBee通信模块选用CC2530F256芯片作为核心的通信系统(如图4),并通过嵌入式系统开发工具IAR软件对ZigBee协议栈(Z-Stack^TM)进行各个传感器的应用开发，实现传感器数据采集和通信。在传输数据时，数据的安全性由ZigBee协议栈算法进行加密传输。

外部环境监测子系统104(如图5)包括：以步进电机构成传感器节点底座装置，以普通电机构成简单搅拌装置，带有LED高亮度灯的CCD微型摄像头和温度传感器，光感传感器，水流速度传感器，含氧量传感器，酸碱度传感器，水压传感器，它们分别用来监测所监测地区水体的温度、光照、水流速度、含氧量、PH值、水位等，具体说明如下：

(1)以步进电机构成的传感器节点底座装置包括：节点固定装置，转向步进电机，放药灭钉螺装置。节点固定装置主要用于无线传感器节点的固定，转向步进电机用于调整CCD摄像头的，放药灭钉螺装置主要用于处理节点周围监测完后的钉螺消灭；节点固定装置是由焊接有锁帽可固定在水下锚杆的钢块结构。步进电机选用慈溪市富达电器的35BYJ46型步进电机,驱动方式为四相8拍,工作电压5V,嵌入转矩≥79.4mN·m，逆时钟转向。选用的灭钉螺的药是硫酸烟酰苯胺粉,将水和硝酸烟酰苯胺均匀混合后装入放药灭钉螺装置中,使灭钉螺装置在控制系统的控制下放药灭钉螺。放药灭钉螺装置采用重庆环茂型号为ZCO的直动式不锈钢电磁阀的橡胶袋构成，其工作原理是将液体灭钉螺药装在充有较高气压的橡胶袋内，当需要灭钉螺时，ZCO直动式不锈钢电磁阀由常闭状态打开，此时由于橡胶袋内的高气压的将灭钉螺药从橡胶袋的电磁阀出口喷洒出到需要灭钉螺的地方。

(2)以普通电机为主要构成的简单搅拌装置：搅拌清理堵住CCD高清摄像口的杂物；同样选用直流无刷电机B3657M-S01型,具有双转向，锁定保护，无级调速，低噪音，低电磁干扰，超长寿命10000-30000小时，工作电压8V。

(3)带有LED高亮度灯的CCD微型摄像头，主要是采集节点周围水域环境图像信息，以便远程端能看到所监测水域情况。CCD微型摄像头同上。

(4)各个传感器的选择：

a.温度传感器选用数字式温度传感器DS18B20+,其测温范围:-55℃～+125℃,元件精度±0.5℃；供电电压3～5.5V。

b.光照传感器选用武汉中科能慧科技的光照度传感器NH203T，其工作电压为3.3V～24V,最大测量范围20000lx光照强度，工作环境温度为-40～85℃。

c.水流速传感器选用佛山赛盛尔电子科技公司的型号为SEN-HZ21WI,测量范围1-30L/min,工作压力为1.75MPa,工作温度80℃以下。

d.含氧量传感器：选用数字式溶解氧传感器Oxymax WCOS71，测量含氧量范围：0.05-20mg/L。

e.酸碱度传感器选用BETTER品牌的S-400型号沉入式智能PH计，其测量范围0-14PH，精度为0.01PH,工作环境温度范围0～100℃。

f.水压力传感器选用北京诺天科技的TCT-1102超小型压力传感器，测量范围-0.1MPa～0MPa～150MPa，工作电压范围5～12V,综合误差±0.1％。

h.控制直流电机的继电器选用S13A-12AL(JZC-32F)4脚常开型机电器，线圈电压为3-24VDC，线圈功率为0.20W,工作温度-40℃～+105℃。

二、中部通信转换子系统2(如图3)：它的主要任务是实现各个监测水域节点采集到的信息汇聚和无线向有线传输的转化传输。

1.簇首节点201和二次汇聚节点202同样使用ZigBee模块CC2530F256芯片作为核心的通信系统；

2.ZigBee模块和路由连接装置204主要选用深圳海凌科电子公司的HLK-RM04模块，该模块是基于通用串行接口的符合网络标准的嵌入式模块，内置TCP/IP协议栈，能够实现用户串口、以太网、无线网(WIFI)3个接口之间的转换，达到通信方式的转换功能。

3.路由器203的作用是将转换后的数据信号增强后继续进行传输。该部分所选的路由型号是华为型号为WSR20的路由器，无线传输速度300Mbps，有线传输速度10/100Mbps，支持802.11b、802.11g、802.11a、802.11n四种网络标准，无线网络频率2.4G。

三、终端处理统计预警发布子系统(如图3)包括：服务器301和客户机302，预警报警装置303。

1.服务器301包括：数据处理部分，数据存储部分(数据库)，数据发布部分：

(1)数据处理部分由图像处理识别算法为基础的专用软件构成。此部分包含图像处理识别算法和软件。对采集传输过来的图像进行识别处理(如图6)的算法，给出判别是钉螺，是田螺，还是贝壳，还是其他物体；

(2)数据存储部分主要由数据库存储设备构成；

(3)数据发布部分由两种方式发布信息。第一种，以LabVIEW软件中的DataSocket技术支持，实现给普通客户共享和发布实时数据；第二种，以LabVIEWWeb Server功能发布远程面板(Remote Panels)给钉螺监测控制系统管理部门；后一种发布形式，可在本地打开并操作远程的VI，并通过VI操作命令操作钉螺监测系统前端相关动作。这两种所发布的Web界面包含各个前端子系统的地理位置，光照度情况、水温度、含氧量数值、水的PH值、水速、钉螺的数量统计情况(钉螺所占采集样的百分比，近五年的钉螺的历史对比表等)。

(4)服务器301选用联想万全R350(E5520×2)型塔式服务器，其处理器类型为XEON5506，二级缓存4MB容量ECC的16G内存，硬盘容量为146GB，接口类型为SAS。

2.客户机302：由装有浏览器的普通计算机构成。通过DataSocket技术或LabVIEW Web Server技术进行相应的查看控制。

3.预警报警装置303。它有以下报警情况：

(1)当终端处理预警发布子系统监测到前段子系统发生位置变化时报警；

(2)当监测到水位变化大时进行报警；

(3)当钉螺所占比重达到危险线时报警；

(4)当其他系统故障时报警。

通过以上说明可知，本发明涉及无线传感网络技术、图像识别技术、定位技术、网络化测控技术、虚拟仪器技术和信号处理技术等，并将它们融合在监测系统中，达到了监测钉螺及其生存环境的目的。

本发明优点有：通过该系统一方面可以远程智能地对相关水域进行钉螺存在监测，对钉螺分布情况和钉螺的发展趋势做出预警措施；另一方面，前端子系统1的外部环境监测子系统104也将采集到的相关信息，以同样的方式进行传输处理，存储发布，分别供普通客户和系统管理人员查看，这些数据供相关科学工作者进行研究。此外，以钉螺及其生存环境监测为目标，较充分地利用现有技术，融合了无线传感网技术、网络化测控技术、图像识别技术、信号处理技术，提出了一个完整的智能钉螺监测系统设计方案及比较详细的设计思路和方法，探索了钉螺监测方面的远程化、信息化、智能化。

基于B/S的网络化结构模式设计本子系统并通过TCP/IP协议进行通信。以上构成水体中钉螺及其钉螺生存环境的智能监测系统。本监测系统的实现具有以下意义：一、可以远程地、实时地监测重点水域的钉螺分布情况；二、对钉螺生存繁殖的水体环境进行监测，所得数据为相关科学工作者研究钉螺的繁殖条件提供了实验数据和理论依据；三是通过该系统发布的钉螺位置、数量，为人们的生活生产提供了一种安全提示。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。