本發(fā)明屬于河道監(jiān)測領域，具體是一種河道采砂智能監(jiān)管方法及系統(tǒng)。

背景技術：

河道砂石是基礎設施建設的重要資源，屬于國家自然礦產資源，隨著經濟的飛速發(fā)展和基礎建設規(guī)模的不斷擴大，市場對砂石的需求量越來越大，在暴利的驅使下，非法采砂現(xiàn)象屢禁不止，造成國家資源流失，并給河道安全、防洪帶來巨大的隱患，采砂監(jiān)管勢在必行。

目前采砂作業(yè)監(jiān)測取證系統(tǒng)大多采用人工稽查，需要投入大量的人力、物力，人為因素影響較大，且效率低下，管理水平和監(jiān)管能力低下，不能有效的對采砂作業(yè)進行監(jiān)管、不能有效的打擊采砂船舶非法采砂行為，因此設計一種能夠智能化的進行監(jiān)管、效率高且準確的河道采砂智能監(jiān)管方法及系統(tǒng)就顯得比較迫切和重要了。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服以上現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種監(jiān)管智能、效率高且準確的河道采砂智能監(jiān)管方法及系統(tǒng)。本發(fā)明的技術方案是這樣的：

一種河道采砂智能監(jiān)管方法及系統(tǒng)，包括硬件設備部分及軟件設備部分，硬件設備包括若干采砂檢測傳感器、采砂作業(yè)工況檢測器、中繼器、集中器和主站服務器，軟件設備包括采砂作業(yè)監(jiān)控軟件系統(tǒng)；其中，所述采砂檢測傳感器隱蔽部署在采砂監(jiān)管區(qū)域，用于對包括河道采砂聲音在內的信息數據進行檢測，并將采砂檢測數據通過中繼器、集中器傳輸給主站服務器；所述采砂作業(yè)工況檢測器部署在合法持證采砂船上，對采砂作業(yè)情況進行實時監(jiān)測，并通過無線方式把實時監(jiān)測信息傳送到主站服務器；所述中繼器負責轉發(fā)離集中器較遠的采砂傳感器上傳的信息，采砂傳感器離集中器較遠，超過無線通信模塊（如SX1278無線模塊）的通信距離時，采砂傳感器不能與集中器直接通信，此時在采砂傳感器與集中器之間布置中繼器；所述集中器，通過無線模塊與附近范圍內的采砂檢測傳感器通信，收集采砂檢測傳感器上傳的聲音特征頻點，還用于為采砂檢測傳感器提供注冊服務，以及根據主站服務器發(fā)送的命令向采砂檢測傳感器反饋上傳數據時間以及工作間隔時間；所述主站服務器，用于對采砂檢測傳感器傳來的檢測信息及數據智能分析采砂作業(yè)情況，對合法采砂行為的采砂總量、作業(yè)區(qū)域、作業(yè)時間情況進行實時跟蹤，發(fā)現(xiàn)非法船舶盜采行為以及合法船舶的亂采、亂挖、超采行為及時預警；并對采砂作業(yè)工況檢測器工作情況進行實時監(jiān)測；

所述采砂作業(yè)監(jiān)控軟件系統(tǒng)主要包含數據信息處理模塊和圖形界面顯示模塊兩大部分，其中數據信息處理模塊從主站服務器上獲取當前設備的數據信息，根據相應的通信協(xié)議進行數據解析并對數據進行處理，在完成信息處理后將每個設備的工作狀態(tài)及設備的電壓值傳輸給圖像界面顯示模塊。

進一步的，還配置有對發(fā)現(xiàn)非法船舶盜采行為以及合法船舶的亂采、亂挖、超采行為預警時，通過精確的位置引導，對盜采現(xiàn)場進行視頻取證的無人機。

進一步的，所述采砂檢測傳感器、集中器及中繼器之間通過無線傳輸芯片進行通信，兩兩間直接通信范圍為500m至2000m，采砂傳感器能進行自組網通信。

進一步的，所述每個采砂檢測傳感器均有一個獨立ID、采用淺埋的方式隱秘安裝在河道兩側，防止他人破壞，安裝好以后將ID、經緯度信息錄入采砂作業(yè)監(jiān)控軟件系統(tǒng)，每個采砂傳感器可在電池供電情況下工作3年。

進一步的，所述采砂作業(yè)工況檢測器安裝在合法采砂船舶上，每年船舶例檢時進行維護。中途工作異常時，采砂作業(yè)監(jiān)控軟件系統(tǒng)會主動向船主發(fā)送短信通知進行維修，并通知相關執(zhí)法人員督促，若不及時維修，該船在下次采砂作業(yè)時，將會被判斷為非法采砂行為。

進一步的，所述集中器未接收數據時，處于休眠狀態(tài)，當集中器要接收數據時，集中器比采砂傳感器采集聲音時間早1秒喚醒，然后開放持續(xù)30秒的注冊窗口,新布置的傳感器和由于異常未能與集中器正常通信的采砂檢測傳感器會在此時間窗口向集中器發(fā)送注冊信息，集中器收到注冊信息后，會智能的為采砂檢測傳感器分配上傳采砂數據的時間、校準時間以及采砂傳感器工作的時間間隔；注冊窗口關閉后，集中器空閑30秒，此時采砂傳感器開始采集聲音信息，集中器在等待178秒采砂傳感器采集處理聲音信息的時間，然后集中器開始接收已注冊傳感器采集的數據。

進一步的，集中器每次正確接收到采砂檢測傳感器數據后，均會應答時間信息進行時間校準，以及根據服務器發(fā)送的命令向采砂檢測傳感器反饋上傳數據時間以及工作間隔時間；當采砂檢測傳感器向集中器發(fā)送數據后，未收到應答信息則判斷此采砂檢測傳感器通信異常，此采砂檢測傳感器會在下一個集中器注冊窗口向集中器發(fā)送注冊信息。

進一步的，所述采砂傳感器端特征頻點檢測算法，包括：每次采砂檢測傳感器檢測時，在10秒鐘信號采集時間里重復采樣10次，每次信號采集時間為1秒，采樣頻率為4096Hz。采集完成后，將采集的聲音信息經快速傅里葉變化、功率譜計算，分析其頻域線譜特征，選取功率大于閾值的50個極值點對應的頻率作為本次聲音信號的特征頻點，然后統(tǒng)計10次采集計算的聲音信號特征頻點出現(xiàn)的次數，將10次采集中出現(xiàn)次數大于6次的20個頻率頻點作為本次采砂傳感器工作采集語音信號的特征頻點。

進一步的，所述主站服務器還采用決策判斷算法，主要包含遍歷傳感器頻點、提取基波與區(qū)域劃分、歷史數據對比三大流程，決策判斷前通過對監(jiān)控區(qū)域多個傳感器的采樣頻點共同分析判斷其是否為有效頻點，采用基波和諧波共同對比劃分區(qū)域，決策是使用當前有點頻點值與劃分區(qū)域的歷史數據進行對比，得出判斷結果，并更新區(qū)域數據。

進一步的，所述遍歷傳感器頻點，通過搜索當前傳感器與其附近的其他傳感器的頻點，統(tǒng)計具有相同頻點的傳感器個數，來判斷當前傳感器的頻點是否有效，判斷時，頻點的誤差為1Hz，若包含此頻點值的傳感器個數大于設置的閾值，則認為該頻率值有效，否則認為此頻率值無效；

進一步的，提取基波與區(qū)域劃分，首先將具有相同有效頻點的傳感器歸為一個集合，用來代表一個傳感器區(qū)域，并用該有效頻點值來表示此區(qū)域；然后將存在基波和諧波關系的區(qū)域合并，合并后，用基波頻點來表示此區(qū)域；

進一步的，歷史數據對比，將當前傳感器的頻點值與歷史數據進行對比得出決策，每次決策時，首先從服務器提取當前傳感器上傳的數據，然后將本次所有非0有效頻點值一一與前幾次歷史區(qū)域頻率點值對比，統(tǒng)計當前有效頻率與前幾次歷史區(qū)域頻率相同的次數，當存在某一有效頻率，再與前幾次歷史區(qū)域頻率比較時，相同次數大于設置閾值時，則判斷為當前傳感器區(qū)域有采砂船舶采砂作業(yè)，否則判斷為此傳感器區(qū)域無采砂船舶采砂作業(yè)。

本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果如下：

本發(fā)明通過提供一種河道采砂智能監(jiān)管方法及系統(tǒng)，通過在河道兩側隱蔽布置若干采砂檢測傳感器、采砂作業(yè)工況檢測器、中繼器、集中器和主站服務器，且通過采砂傳感器端特征頻點檢測算法和采砂監(jiān)控軟件的決策判斷算法，能全面高效的檢測采砂船舶，本發(fā)明具有低功耗的特性、能長久工作，具有隱蔽性，防止被破壞，具有可靠的無線通信方式、能有效的進行身份識別，對于非法采砂作業(yè)能即時的發(fā)出預警信號并進行現(xiàn)場取證。本發(fā)明利用物聯(lián)網技術、智能檢測技術的優(yōu)勢，克服了目前采砂作業(yè)人工稽查效率低下，管理水平和監(jiān)管能力低下的問題。

附圖說明

圖1 是本發(fā)明提供優(yōu)選實施例傳感器1次檢測過程；

圖2是 通信時間劃分示意圖；

圖3是采砂作業(yè)判斷流程圖；

圖4是河道采砂智能監(jiān)管方法及系統(tǒng)圖；

圖5是采砂傳感器結構示意圖；

圖6是采砂傳感器頻率特征頻點提取流程圖；

圖7是工況傳感器結構示意圖；

圖8是集中器結構示意圖；

圖9 是中繼器結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖，對本發(fā)明作進一步說明：

參照圖1-圖9所述， 本專利是這樣實現(xiàn)的：一種河道采砂智能監(jiān)管方法及系統(tǒng)，包括采砂檢測傳感器、采砂作業(yè)工況檢測器、中繼器、集中器、無人機和主站服務器硬件設備，無線通信組網、采砂檢測算法以及采砂作業(yè)監(jiān)控軟件系統(tǒng)。

本發(fā)明利用物聯(lián)網技術、智能檢測技術的優(yōu)勢，在采砂監(jiān)管區(qū)域隱蔽部署采砂檢測傳感器，在合法持證采砂船上部署采砂作業(yè)工況檢測器，對采砂作業(yè)情況進行實時監(jiān)測，并通過無線方式把檢測信息傳送到監(jiān)管中心，智能分析采砂作業(yè)情況，對合法采砂行為對其采砂總量、作業(yè)區(qū)域、作業(yè)時間情況進行實時跟蹤，發(fā)現(xiàn)非法船舶盜采行為以及合法船舶的亂采、亂挖、超采行為及時預警，通過精確的位置引導，出動無人機對盜采現(xiàn)場進行視頻取證。

本發(fā)明采用無線傳輸方式進行通信，采砂檢測傳感器、集中器、中繼器通過無線傳輸芯片進行通信，兩兩間直接通信范圍為500m至2000m，根據本發(fā)明的通信協(xié)議，采砂傳感器能進行自組網通信，具有組網規(guī)模大、傳輸距離遠的特性。采砂傳感器收集的數據通過無線傳輸芯片發(fā)送到達集中器以后，通過集中器的GPRS模塊上傳到服務器。采砂作業(yè)工況檢測器數據直接通過GPRS模塊上傳到服務器。傳感器采用電池供電，功耗低。采砂檢測傳感器初始為15分鐘檢測一次河道聲音信息，其余時間處于休眠狀態(tài)，采砂作業(yè)監(jiān)控軟件系統(tǒng)根據采集的數據判斷采砂檢測傳感器所在的河道區(qū)域采砂是否頻繁，可智能的計算采砂檢測傳感器工作時間間隔，也可自行設定，并通過無線網絡發(fā)送工作時間間隔指令。本發(fā)明組網靈活，可方便的增加、減少河道兩側布置的傳感器。為降低功耗，集中器未接收數據時，處于休眠狀態(tài)，當集中器要接收數據時，集中器比采砂傳感器采集聲音時間早1秒喚醒，然后開放持續(xù)30秒的注冊窗口,新布置的傳感器和由于異常未能與集中器正常通信的采砂檢測傳感器會在此時間窗口向集中器發(fā)送注冊信息，集中器收到注冊信息后，會智能的為采砂檢測傳感器分配上傳采砂數據的時間、校準時間以及采砂傳感器工作的時間間隔。注冊窗口關閉后，集中器空閑30秒，此時采砂傳感器開始采集聲音信息，集中器在等待178秒采砂傳感器采集處理聲音信息的時間，然后集中器開始接收已注冊傳感器采集的數據。集中器每次正確接收到采砂檢測傳感器數據后，均會應答時間信息進行時間校準，以及根據服務器發(fā)送的命令向采砂檢測傳感器反饋上傳數據時間以及工作間隔時間；當采砂檢測傳感器向集中器發(fā)送數據后，未收到應答信息則判斷此采砂檢測傳感器通信異常，此采砂檢測傳感器會在下一個集中器注冊窗口向集中器發(fā)送注冊信息。

本發(fā)明每個采砂檢測傳感器均有一個獨立ID、采用淺埋的方式隱秘安裝在河道兩側，防止非法采砂人員破壞，安裝好以后將ID、經緯度信息錄入采砂檢測軟件系統(tǒng)。每個采砂傳感器可在電池供電情況下工作3年。集中器、中繼器可布置在離河道較遠的房屋等不易損壞的建筑設置中，防止破壞。

采砂作業(yè)工況檢測器安裝在合法采砂船舶上，每年船舶例檢時進行維護，中途工作異常時，采砂作業(yè)監(jiān)控軟件系統(tǒng)會主動向船主發(fā)送短信通知進行維修，并通知相關執(zhí)法人員督促，若不及時維修，該船在下次采砂作業(yè)時，將會被判斷為非法采砂行為。

本發(fā)明包括智能采砂檢測算法，主要包含采砂傳感器端特征頻點檢測和采砂監(jiān)控軟件的決策判斷。

采砂船分為吸沙船和挖沙船，采砂作業(yè)時，吸沙船一直工作，傳感器能有效采集其工作的聲音信息。挖沙船采砂作業(yè)時，每次作業(yè)分為挖沙和卸沙兩個過程，每次作業(yè)需要2~3分鐘完成。要保證能有效采集到吸沙船作業(yè)時聲音以及采砂船挖沙過程的聲音，每次傳感器需要收集3分鐘的聲音信息。持續(xù)工作3分鐘聲音信息數據量大，功耗高。為保證有效采集聲音信息又滿足低功耗的需求，本發(fā)明采砂傳感器每次檢測分為采集和休眠兩個步驟，每次檢測完成需要約178秒，其具體過程為，開始檢測后，采集10秒鐘聲音信息，休眠32秒，再采集10秒，然后再休眠32秒，直至采集完5次數據。

每次采砂檢測傳感器檢測時，10秒鐘信號采集時間里重復采樣10次，每次信號采集時間為1秒，采樣頻率為4096Hz。每次采集完成后，將采集的聲音信息經FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅里葉變化)、功率譜計算，分析其頻域線譜特征，選取功率大于閾值的50個極值點對應的頻率作為本次聲音信號的特征頻點（頻點數不足50個時，用0填充），然后統(tǒng)計10次采集計算的聲音信號特征頻點出現(xiàn)的次數，將10次采集中出現(xiàn)次數大于6次的20個頻率頻點作為本次采砂傳感器工作采集語音信號的特征頻點（統(tǒng)計頻率出現(xiàn)次數時，允許頻率偏移1HZ，特征點不足20個時，用0填充），然后經集中器上傳到服務器。功率閾值經監(jiān)控軟件系統(tǒng)智能判斷，在一定范圍內修正，下發(fā)到采砂檢測傳感器（選取極值點個數大于50個時，將閾值少量提高，小于50個時，將閾值少量調低）。

從服務器提取所有采砂檢測傳感器的特征頻點信息，進行決策判斷。為彌補單個采砂傳感器的誤采集，決策判斷前通過對監(jiān)控區(qū)域多個傳感器的采樣頻點共同分析判斷其是否為有效頻點。自然界的聲音信號具有隨機性，而采砂船工作時發(fā)出的聲音具有周期性，其線譜包含基波和諧波，為保證判斷的準確性，彌補采砂檢測傳感器漏采集的不足，本發(fā)明決策判斷時采用基波和諧波共同對比劃分區(qū)域。決策是使用當前有點頻點值與劃分區(qū)域的歷史數據進行對比，得出判斷結果，并更新區(qū)域數據。本發(fā)明決策判斷主要包含遍歷傳感器頻點、提取基波與區(qū)域劃分、歷史數據對比三大流程。

遍歷傳感器頻點通過搜索當前傳感器與其附近的其他傳感器的頻點，統(tǒng)計具有相同頻點的傳感器個數，來判斷當前傳感器的頻點是否有效，判斷時，頻點的誤差為1Hz，若包含此頻點值的傳感器個數大于設置的閾值，則認為該頻率值有效，否則認為此頻率值無效。提取基波與區(qū)域劃分是對當前有效頻點值的進一步處理，正確決策判斷的重要步驟。首先將具有相同有效頻點的傳感器歸為一個集合（頻率波動的范圍為1Hz），用來代表一個傳感器區(qū)域，并用該有效頻點值來表示此區(qū)域。然后將存在基波和諧波關系的區(qū)域合并，合并后，用基波頻點來表示此區(qū)域，合并判斷時，允許2次諧波頻率波動范圍為1Hz，3次諧波波動范圍為2Hz，4次諧波波動范圍為3Hz，以此類推。每次傳感器檢測上傳的5次采集數據，采用同樣的方法進行區(qū)域劃分，最后比較各個區(qū)域頻率點的差距，將波動范圍小于3Hz的區(qū)域合并為一個區(qū)域。

決策時，將當前傳感器的頻點值與歷史數據進行對比得出決策，每次決策時，首先從服務器提取當前傳感器上傳的數據，然后將本次所有非0有效頻點值一一與前幾次歷史區(qū)域頻率點值對比，統(tǒng)計當前有效頻率與前幾次歷史區(qū)域頻率相同的次數，當存在某一有效頻率與前幾次歷史區(qū)域頻率相同次數大于設置閾值時，則判斷為當前傳感器區(qū)域有采砂船舶采砂作業(yè)，否則判斷為此傳感器區(qū)域無采砂船舶采砂作業(yè)。在比較當前有效頻率與前幾次歷史數據區(qū)域頻率相同次數時，如果當前有效頻點與該區(qū)域歷史數據的基波頻率（頻率波動范圍5Hz）相等，或者與歷史數據的諧波頻率（頻率波動范圍為5Hz）相等、或者與歷史數據的基波頻率存在諧波關系（頻率波動范圍為5Hz），則視為相同頻率。

采砂檢測傳感器包含有微處理器、以及連接于微處理器的語音采集模塊、語音放大模塊、SX1278無線通信模塊、實時時鐘模塊、鐵電儲存器模塊、電源輸入模塊、電路穩(wěn)壓及電壓監(jiān)測電路、電源輸入與電壓穩(wěn)壓模塊又與電壓檢測電路相連。

采砂檢測傳感器主要用于檢測河道內是否有船舶采砂，采砂檢測傳感器通過語音采集模塊實時監(jiān)測河道內采砂作業(yè)產生的微弱聲波及振動信號，形成隨聲波變化的微電流，經語音放大模塊放大后進入微處理器，微處理器通過模數轉換將模擬的語音信號轉換為數字信號，然后微處理器通過FFT將時域的數字語音信號轉換為頻域信息，再計算根據頻率信息計算出功率譜， 最后微處理器根據線譜特征得到特征頻點。

采砂作業(yè)工況檢測器包含有微處理器、以及連接于微處理器的GPS定位模塊、GPRS無線傳輸模塊、加速度檢測傳感器、預警電路、儲存器、電源輸入模塊、電路穩(wěn)壓及電壓檢測電路、電源輸入與電壓穩(wěn)壓模塊又與電壓檢測電路相連。

采砂作業(yè)工況檢測器主要用于采砂作業(yè)過程的檢測以及采砂作業(yè)合法身份驗證。GPS定位模塊用于確定采砂船的位置以及當前時間、加速度傳感器用于檢測船體振動情況、GPRS模塊用于工況傳感器與服務器的通信。微處理器通過加速度傳感器檢測的船體振動情況判斷當前船舶是否在采砂作業(yè)，配合GPS模塊獲得的時間、預設的采砂設備參數預測采砂量，根據GPS獲取的采砂地點、采砂作業(yè)時間判斷當前位置、時間采砂是否合法，若不合法則發(fā)出提示預警信息。將采砂船作業(yè)的時間、地點、預估采砂量信息通過GPRS無線模塊上傳到服務器。

集中器包含有微處理器、以及連接于微處理器的SX1278無線通信模塊、電源輸入模塊、電壓穩(wěn)壓及電壓監(jiān)測電路、工作狀態(tài)顯示模塊，實時時鐘模塊、儲存模塊、GPRS模塊且電源輸入模塊與電壓穩(wěn)壓模塊相連、電源輸入與電壓穩(wěn)壓模塊又與電壓檢測電路相連。

集中器通過SX1278無線模塊 與附近范圍內的采砂檢測傳感器通信，收集采砂檢測傳感器上傳的聲音特征頻點，然后通過集中器的GPRS模塊將采砂傳感器信息及聲音的特征頻率點上傳到服務器。

中繼器包含有微處理器、以及連接于微處理器的SX1278無線通信模塊、電源輸入模塊、電壓穩(wěn)壓及電壓監(jiān)測電路、工作狀態(tài)顯示模塊，且電源輸入模塊與電壓穩(wěn)壓模塊相連、電源輸入與電壓穩(wěn)壓模塊又與電壓檢測電路相連。

中繼器負責轉發(fā)離集中器較遠的采砂傳感器上傳的信息。采砂傳感器離集中器較遠，超過SX1278無線通信模塊的通信距離時，采砂傳感器不能與集中器直接通信，此時在采砂傳感器與集中器之間布置中繼器，采砂傳感器與中繼器先通過SX1278無線通信模塊進行通信，中繼器再通過SX1278無線通信模塊與集中器通信，達到數據中轉的目的。根據采砂傳感器與集中器間的距離，可以布置1個或多個中繼器，達到擴大組網規(guī)模的目的。

無人機具有地面位置航線規(guī)劃功能，可自動設置航線飛行，配備FLIR夜視及熱成像系統(tǒng)，支持720P實時圖像傳輸以及錄像和本地高清視頻儲存功能。當發(fā)現(xiàn)非法采砂時，無人機達到現(xiàn)場進行取證作業(yè)。

采砂作業(yè)監(jiān)控軟件系統(tǒng)，主要包含數據信息處理模塊和圖形界面顯示模塊兩大部分。其中數據信息處理模塊從指定服務器上獲取當前設備的數據信息，根據相應的通信協(xié)議進行數據解析并對數據進行出現(xiàn)，在完成信息處理后將每個設備的工作狀態(tài)級設備的電壓值傳輸給圖像界面顯示模塊?？刂栖浖到y(tǒng)根據收集的信息判斷監(jiān)控區(qū)域是否有采砂船舶在進行采砂作業(yè)工作，當判斷有合法采砂作業(yè)船舶工作時，將相關傳感器用綠色標示出，當判斷采砂作業(yè)船舶不合法時，將相關傳感器用紅色標示出，并發(fā)出報警信號，通知相關機構及執(zhí)法人員，出動無人機進行執(zhí)法取證。當控制軟件判斷出設備工作異常或者設備電壓不足時，將相關傳感器用黃色標示出，并通知相關機構及維修人員。

以上這些實施例應理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護范圍。在閱讀了本發(fā)明的記載的內容之后，技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權利要求所限定的范圍。