CN102944659B - 用于检测工业污水水质的无线传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于检测工业污水水质的无线传感器，包括供电模块、水质检测模块、无线传输模块、控制模块以及用于实时检测污水的PH值的PH探头和电源切换模块，无线传输模块实时将水质检测模块获得到的水质检测数据发送给外部控制中心，供电模块包括充电电池、充电管理模块和原电池组，控制模块根据所述PH值是否满足PH设定值相应地发出第一或第二控制信号，电源切换模块根据述第一控制信号将传感器的工作电源切换为原电池组，根据第二控制信号将传感器的工作电源切换为充电电池，充电管理模块根据第一控制信号接通充电电池的充电电路。本发明，采用原电池和充电电池组合作为传感器的工作电源，并可自动切换，达到了节能环保的目的。

Description

用于检测工业污水水质的无线传感器

技术领域

本发明涉及传感器，具体涉及用于检测工业污水水质的无线传感器。

背景技术

长年以来，工业水污染的问题一直困扰着人们。要减轻工业水污染带来的恶果、进行污水处理，首先就需要对工业污水的水质进行检测，以判定污染等级。因此，解决工业水污染问题的基础是采用一种低成本、低能耗、自动化的工业污水水质检测传感器。

水质检测传感器通常采用无线射频传输装置传输水质检测信号。目前，常规的水质检测无线传感器均采用外接锂电池作为系统的供电方式。但由于无线射频传输装置的功耗较大，而传感器外接锂电池的电量及体积会由于水域检测环境的要求而受到严格限制，从而导致一般的水质检测无线传感器的锂电池使用寿命较低，一般只能持续使用6个月左右。尤其是在湿度非常大的湖泊、河流、水库等水域中，锂电池的寿命会更短，除非添加非常复杂的除湿装置，但是这样会增加传感器的成本，不利于水质检测无线传感器的推广和大规模使用。

同时，由于水质检测无线传感器一般都会部署在湖泊、河流、水库等覆盖范围较广的水域上，直接导致了更换传感器电池的难度及成本都很大。尤其对于工业污水的水质检测传感器，一般只能做一次性使用。

为了解决水质检测传感器电池使用寿命低的问题，将生物能源、太阳能、风能等清洁型能源应用于水质检测传感器领域，成为时下业界关注的研发重点。

为此，中国实用新型专利CN201307111（申请号为200820225062.2）公开了一种基于太阳能的智能水质检测装置。该技术方案将太阳能电池板通过导线与锂蓄电池相连，并将MCU控制模块和无线通讯模块分别连接至电池上。在阳光照射充足时，通过太阳能电池板为锂蓄电池充电。这种方案存在的一个主要不利因素在于太阳能电池会过多的依赖于天气、光照等自然条件，在恶劣天气或夜间均无法使用。此外，由于太阳能电池板的造价及安装成本都较高，也会直接导致传感器的成本提升，并没能达到节能环保的目的。

中国发明专利CN102288739A（申请号为201110161848.9）公开了一种风力发电系统向水质传感器供电的水质监控系统。该技术方案利用自然风力吹动风力发电机的叶片旋转，带动风力发电机产生电流，以供给传感器使用。这种方案的一个首要缺陷就在于每个传感器都需要安装风页、风力发电机等设备，不仅会导致传感器系统的体积增大，而且整个系统的成本也会直线升高。此外，依靠风力发电所转换得到的电能不稳定且可持续使用性较差，这也导致该方案的实用性稍显不足。

由此可见，现有应用太阳能、风能等清洁型能源的工业污水水质检测无线传感器普遍存在制造成本高、实用性较差的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决应用太阳能、风能等清洁型能源的工业污水水质检测传感器制造成本较高、实用性较差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种用于检测工业污水水质的无线传感器，包括供电模块、水质检测模块、无线传输模块和控制模块，在所述控制模块的控制下，所述无线传输模块实时将所述水质检测模块获得到的水质检测数据发送给外部控制中心；还包括用于实时检测污水的PH值的PH探头和电源切换模块，所述供电模块包括充电电池、充电管理模块和原电池组，所述控制模块根据所述PH值是否满足PH设定值相应地发出第一或第二控制信号，所述电源切换模块根据所述第一控制信号将无线传感器的工作电源切换为所述原电池组，所述充电管理模块根据所述第一控制信号接通所述原电池组至所述充电电池的充电电路，所述电源切换模块根据所述第二控制信号将无线传感器的工作电源切换为所述充电电池。

在上述方案中，还包括原电池组输出电压检测模块，实时检测所述原电池组的输出电压，所述控制模块根据所述原电池组的输出电压是否满足无线传感器的工作电压条件再一次输出所述第二控制信号。

在上述方案中，所述无线传感器的工作电压条件为：电压值稳定且达到标定值。

在上述方案中，所述PH设定值为PH＝3～5。

在上述方案中，所述充电管理模块包括Buck快速转换器，所述控制模块通过调整PWM占空比调整所述Buck快速转换器输出至所述充电电池的充电电流。

在上述方案中，所述充电电池具体为锂电池。

在上述方案中，所述原电池组由多个原电池串联而成。

本发明提供的技术方案，采用原电池和充电电池组合作为传感器的工作电源，并通过电源切换模块实现了原电池和充电电池的自动切换，达到了节能环保的目的，对解决工业水污染问题具有非常重大的意义。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明中无线传感器的电源管理原理图；

图3为本发明中原电池组的结构示意图；

图4为本发明中无线传感器的充电管理原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作出详细的说明。

如图1所示，本发明提供的用于检测工业污水水质的无线传感器，包括供电模块10、水质检测模块20、无线传输模块30和控制模块40，其中水质检测模块20、无线传输模块30和控制模块40构成所述无线传感器的主系统。供电模块10用于给所述主系统供电。

水质检测模块20的敏感膜置于待检测的工业污水中，在控制模块40的控制下，水质检测模块20通过其敏感膜对工业污水的水质进行实时检测而获得水质检测数据，包括工业污水中氨氮含量、温度、重金属含量等参数，上述水质检测数据经过处理和校正后，由无线传输模块30实时发送给外部控制中心，通过外部控制中心进行分析、处理，为有关部门采取措施进行污水治理提供依据。

本发明的创新之处在于供电模块10由充电电池11和原电池组13组合而成，并且设置了充电管理模块12以及用于实时检测污水的PH值的PH探头50和电源切换模块60，控制模块40根据工业污水的PH值控制电源切换模块60将传感器的工作电源自动切换为充电电池11或原电池组13。具体地说，控制模块40根据PH探头50检测到的工业污水PH值是否超过设定值发出第一或第二控制信号，电源切换模块60根据第一控制信号将无线传感器的工作电源切换至原电池组13，同时，充电管理模块12根据第一控制信号接通原电池组13至充电电池11的充电电路，使原电池组13对充电电池11进行充电。电源切换模块60根据第二控制信号将无线传感器的工作电源切换至充电电池11。

以下为本发明的一个具体实施例，本具体实施例中所采用的具体部件型号仅为一种常用选择，本领域技术人员完全可以根据实际情况进行相应的替换，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

请参见图2，图2为所述无线传感器的电源管理的一种具体实施例示意图，控制模块40的核心为一片单片机，型号为C8051F902，充电电池13选用的是锂电池。置于待测的工业污水中的PH探头50实时检测工业污水的PH值（模拟参量），并通过滤波放大电路41传送至单片机C8051F902的ADC-1（12bit）引脚，单片机C8051F902依据待测工业污水的PH值是否满足PH设定条件相应地发出第一或第二控制信号，PH设定条件一般取PH＝3～5。第一或第二控制信号由单片机C8051F902的GPIO引脚发送给电源切换模块60以实现充电电池11和原电池组13之间的自动切换。

当切换至原电池组13为传感器供电时，单片机C8051F902的ADC-2(12bit)引脚将对原电池组13的输出电压进行监测，若原电池组13的输出电压不稳定或不能满足标定值，则单片机C8051F902将再一次通过GPIO引脚传送第二控制信号至电源切换模块60，切换充电电池11做为无线传感器的供电电源，从而保证无线传感器的正常工作。原电池组13的输出电压需经过LDO线性稳压器稳压。

原电池组13是由一组、两组或两组以上的原电池串联构成，根据无线传感器的实际工作电压需要来决定原电池的数量，每组原电池由一个活性比较高的金属电极和一个活性相对较低的金属电极构成。原电池的具体结构为现有技术，图3为两个原电池串联的原电池组的原理图，如图3所示，金属电极21、23为活性较强的金属电极，金属电极20、22为活性相对较低的金属电极，当待测溶液24的PH值较低时，金属导线17中会产生电流，电极18为原电池组的负极，电极19为原电池组的正极，通过正极19和负极18为无线传感器供电。

图4为无线传感器的充电管理原理图，如图4所示，充电管理模块中设有Buck快速转换器25，Buck快速转换器25用电感作为能量存储单元。Buck快速转换器25的控制端连接至单片机C8051F902的PWM接口，从而可由单片机C8051F902通过软件控制PWM的占空比，以调节锂电池的充电电流。在充电过程中，单片机C8051F902通过两路ADC来检测充电电池11的充电电压及电流，如果充电电压低于下限电压时，则通过PWM接口调节Buck快速转换器将充电电流减小，使充电电池处于预充电状态；如果充电电压超过下限电压时，单片机C8051F902通过PWM调节Buck快速转换器将充电电流调高，使充电电池处于恒流充电状态；如果充电电压达到上限电压时，单片机C8051F902通过PWM调节Buck快速转换器使得充电电池处于恒压充电状态；当检测到充电电池电流超过上限电流时，则单片机C8051F902通过PWM调节Buck快速转换器停止对充电电池充电。

本发明的工作原理如下：

在默认情况下，无线传感器采用充电电池11作为工作电源，PH探头50放置于待测的工业污水中，检测到的模拟信号传输至单片机C8051F902的ADC-1引脚，通过AD转换得到待测污水的PH值，如果所得到的PH值显示待测污水为酸性溶液，则通过单片机C8051F902的GPIO引脚向电源切换模块60发出第一控制信号进行切换，断开充电电池11，同时选择原电池组13做为传感器的工作电源。

如果原电池组13的输出电压不稳定或不能满足标定值，则单片机C8051F902再通过GPIO引脚传送第二控制信号至电源切换模块60进行切换，将无线传感器的工作电源切换为充电电池11，保证无线传感器正常工作。

在使用原电池组13供电时，充电管理模块12开始工作，为锂电池进行持续充电。并且单片机C8051F902实时检测充电电压和电流的大小，并通过脉宽调制PWM进行调节。

工业污水一般都具有其独特的一些参量指标，这包括了：弱酸性（PH值在3至5的范围内）、较高的重金属含量、较高的电导率等。本发明提供的方案可以很好的克服常规水质检测无线传感器中所存在的电池能耗问题。首先，它不仅可以采用清洁的新能源做为无线传感器的工作电源，同时由于充份利用到了工业污水的电化学特性，使得无线传感器受自然环境的约束也很小，可以作为一种可持续使用的能源。其次，由于化学原电池的制造成本和原材料成本都极低，使得无线传感器更容易投付到实际的生产应用中去。并且，克服了废弃电池污染的问题。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.用于检测工业污水水质的无线传感器，包括供电模块、水质检测模块、无线传输模块和控制模块，在所述控制模块的控制下，所述无线传输模块实时将所述水质检测模块获得到的水质检测数据发送给外部控制中心，其特征在于，还包括用于实时检测污水的PH值的PH探头和电源切换模块，所述供电模块包括充电电池和充电管理模块以及原电池组，所述控制模块根据所述PH值是否满足PH设定值相应地发出第一或第二控制信号，所述电源切换模块根据所述第一控制信号将无线传感器的工作电源切换为所述原电池组，所述充电管理模块根据所述第一控制信号接通所述原电池组至所述充电电池的充电电路，所述电源切换模块根据所述第二控制信号将无线传感器的工作电源切换为所述充电电池；

所述充电管理模块包括Buck快速转换器，所述Buck快速转换器用电感作为能量存储单元，所述Buck快速转换器的控制端连接至所述控制模块的PWM接口，并通过限流电阻与所述充电电池的输入端连接，所述控制模块通过两路ADC来检测所述充电电池的充电电压及电流。

2.如权利要求1所述的用于检测工业污水水质的无线传感器，其特征在于，还包括原电池组输出电压检测模块，实时检测所述原电池组的输出电压，所述控制模块根据所述原电池组的输出电压是否满足无线传感器的工作电压条件再一次输出所述第二控制信号。

3.如权利要求2所述的用于检测工业污水水质的无线传感器，其特征在于，所述无线传感器的工作电压条件为：电压值稳定且达到标定值。

4.如权利要求1所述的用于检测工业污水水质的无线传感器，其特征在于，所述PH设定值为PH＝3～5。

5.如权利要求1所述的用于检测工业污水水质的无线传感器，其特征在于，所述充电电池具体为锂电池。

6.如权利要求1所述的用于检测工业污水水质的无线传感器，其特征在于，所述原电池组由多个原电池串联而成。