CN103245766A - 用于防污水偷排的ph值监测wsn节点装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于防污水偷排的PH值监测WSN节点装置及监测方法，包括一个密封漂浮在水中的浮球和与浮球底部固定连接在一起并浸没在水下的方形壳体，上半球盖内固定设有天线支架台和通信天线，在天线支架台上设置充电接口及电源开关；在下半球盖内部底部固定有电路板，方形壳体内的底部有蓄水仓，蓄水仓上部一侧有进水仓，进水仓与蓄水仓之间设置磁铁阀门，PH值传感器下端伸入并悬空在进水仓内；方形壳体内的上部有固定在方形壳体内壁上的电磁铁支架，电磁铁支架上支撑有电磁铁，弹簧上端固定连接电磁铁支架，弹簧下端连接位于电磁铁正下方的磁铁阀门；当目标水域的PH值达到异常报警阈值能自动打开阀门收集问题水质的样品。

Description

用于防污水偷排的PH值监测WSN节点装置及监测方法

技术领域

本发明涉及无线传感网络监测技术，具体是用于防污水偷排的PH值监测的WSN（无线传感网络）节点装置。

背景技术

目前，有污水排放企业为减少投资成本，对所产生的工业污水并不严格按照国家的排放标准先进行有效治理再排放，而是选择了在深夜或者凌晨时段悄悄地排放不达标的污水，排放的时间可能是间断性的，或排放持续时间不很长，使监测水质的管理人员不能及时监测到，为此，监管人员也只能相应地在夜间进行抽查和巡逻，但这样做不仅需要耗费大量的人力、物力而且还经常会漏查，其工作效率很低。

在水环境监测中，一般采用人工采样、实验室分析的方法进行监测，但这些监测方法无法有效地针对偷排现象，而采用由远程监测中心和若干个监测子站组成的水环境自动监测系统，需要预先铺设电缆和建立多个子站，系统成本高、监测水域范围有限、易对监测区域造成破坏，因此，如何有效地监测水质，并能够获取污水排放企业偷排污水的证据，成为目前水污染监测领域急待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有污水偷排企业不定期的瞬时排放污水，导致监管人员无法有针对性地监测的现象，提供一种用于防污水偷排的PH值监测的WSN节点装置及监测方法，能对企业排污口的目标水域进行随机实时监测，使得监管人员完全可以在不在现场的情况下获取实时的问题水质样品，并且可以很方便地带回去对水样做进一步详细的检测，提高监测效率，有效防止污水偷排。

为达到上述目的，本发明用于防污水偷排的PH值监测的WSN节点装置采用的技术方案是：包括一个密封漂浮在水中的浮球和与浮球底部固定连接在一起并浸没在水下的方形壳体，所述浮球具有相互扣合在一起的上半球盖和下半球盖，上半球盖内固定设有天线支架台和通信天线，通信天线连接在天线支架台上部并靠近上半球盖的顶部，在天线支架台上设置充电接口及电源开关；在下半球盖内部的底部固定有电路板，所述方形壳体内部设置PH值传感器，在天线支架台和电路板之间、电路板和PH值传感器之间均连接走线槽；所述方形壳体内的底部有蓄水仓，蓄水仓上部一侧有进水仓，进水仓与蓄水仓之间设置磁铁阀门，进水仓一侧是敞开的进水窗口；PH值传感器上端密封在走线槽内部，PH值传感器下端伸入并悬空在进水仓内；蓄水仓的底部设有排水口；所述方形壳体内的上部有固定在方形壳体内壁上的电磁铁支架，电磁铁支架上支撑有电磁铁，弹簧上端固定连接电磁铁支架，弹簧下端连接位于电磁铁正下方的磁铁阀门；所述充电接口及电源开关、通信天线、电磁铁线圈、PH值传感器均通过电路线电连接电路板，电路线均排在走线槽内；电路板上集成有蓄电池和各个模块，电源模块分别连接蓄电池、无线通信模块、MCU处理模块和控制开关，蓄电池连接充电电路，MCU处理模块分别连接控制开关、前置处理模块、无线通信模块和充电接口及电源开关，无线通信模块连接所述通信天线，控制开关连接所述电磁铁，前置处理模块连接所述PH值传感器，充电电路连接所述充电接口及电源开关。

本发明用于防污水偷排的PH值监测的WSN节点装置的PH值监测方法采用的技术方案是：打开充电接口及电源开关，PH值传感器通过电路板将进水仓内的待测水样的PH值转换送给MCU处理模块，MCU处理模块自动运算得出当前水质的实际PH值，并将该实际PH值送给无线通信模块再通过通信天线发射，同时MCU将该实际PH值与报警阈值作比较，如果实际PH值达到报警的阈值，MCU处理模块通过控制开关电路给电磁铁8通电，电磁铁吸引磁铁阀门向上移动，使进水仓里的水流入蓄水仓，完成PH值异常时水质的取样；取样完毕后关闭控制开关，电磁铁失去磁力，弹簧使磁铁阀门向下返回，完成PH值监测。

本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点：

1、本发明安装了一个简易有效的电磁阀门，当目标水域的PH值一旦达到异常的报警阈值，能自动打开阀门收集问题水质的样品，可以自动获取异常时的水样。由于一些无良企业往往是在人们熟睡的时候不定期的排出污水，且排污的持续时间未必很长，给监管人员的工作制造了非常大的麻烦，正是针对该问题的解决，提供了自动收集依据的措施，给监督人员执法提供了有效的依据，大大提高了监管人员的工作效率。 

2、本发明采用WSN技术，网络化、智能化强，减少了人力的成本，又减少了布线等的麻烦，且具有很强的实时性。监管人员可以实时记录目标水域的PH瞬时值以及当出现异常时的时间记录等有用信息。

3、本发明采用蓄电仓供电，并且提供了友好的充电接口，当不使用设备的时候，只需要打开上盖并插上电源，就可以方便的给蓄电仓充电，有效保证了装置的工作时间，具备更强的续航能力。

4、本发明装置的整体重心调整在中心的底部，并利用浮球的原理，使得装置被抛入水后能轻松的在水面漂浮且天线的位置始终处于水平面的上方，以此保证无线通信的良好。

5、本发明具有很强的流动性，使用的时候只要在装置上挂个锚，往目标水域一抛即可开始实施监测，在使用完毕后只需用引线收回，非常方便。

6、本发明结构小巧、便携、防水，且易于伪装，使用时只需简单加点掩饰，就不容易被他人发现。

附图说明

图1是本发明用于防污水偷排的PH值监测的WSN节点装置的使用状态示意图；

图2是图1中主体装置A的放大的结构图；

图3是本发明用于防污水偷排的PH值监测的WSN节点装置的电路连接结构图；

附图中各部件的序号和名称：A：主体装置；B：弹簧连接扣；C：可伸缩引线；D：铁锚；E：伪装物品；F：固定杆子；1：上半球盖；2：通信天线；3：充电接口及电源开关；4：走线槽；5：主体电路板；6：PH值传感器；7：连接挂钩；8：带线圈的电磁铁；9：弹簧；10：磁铁阀门；11：蓄水仓；12：排水口；13：进水仓；14：防渗液橡胶；15下半球盖；16：天线支架台；17：电路连接线；18：电磁铁支架；19：下半球顶面；20：进水窗口。

具体实施方式

参见图1所示，本发明包括主体装置A，主体装置A是一个以密封的浮球和方形的壳体结合的结构，利用了不倒翁的原理，使主体装置A的重心处于底部位置，整个主体装置A的单位体积重量远小于水，因此能轻松地漂浮在水中。将方形壳体一端与浮球底部固定连接在一起，并且方形壳体浸没在水下，方形壳体的底部设有连接挂钩7，弹簧连接扣B搭扣在连接挂钩7上，并且弹簧连接扣B固定连接可伸缩引线C的一端，可伸缩引线C的另一端连接固定在水底部的铁锚D或者连接固定在岸上的固定杆子F。弹簧连接扣B是一个中间连接装置，类似于登山扣，方便拆卸且牢固可靠，可伸缩引线C是可改变长度的连接线，使用人员可以根据目标水域的水深，或者是排水口到岸边的距离来调节线的长度。这样，主体装置A可以固定在目标水域的一个适当的区域内活动，不会被水流冲走，而且在不使用的时候可以很方便地通过可伸缩引线C回收。在使用时，可以在浮在水面上的主体装置A处覆盖一一层伪装物品E，可以伪装主体装置A，达到防止他人特别是偷排企业发现的效果，伪装物品E可以就近取材，比如水草、不起眼的垃圾袋等等，均可以覆盖在主体装置A上。

参见图2所示，主体装置A的浮球部分是一个密封的球体，球体外部是相互扣合在一起的上半球盖1和下半球盖15，上半球盖1和下半球盖15通过螺纹旋转结合在一起，上半球盖1是个半圆形的罩子，是可拆卸的，下半球盖15则是装置的内部主要结构的载体，在上半球盖1和下半球盖15之间安装防渗液橡胶14，起密封防水的效果。在上半球盖1内设置天线支架台16和通信天线2，通信天线2连接在天线支架台16上并且处于天线支架台16的上部，尽量让通信天线2靠近上半球盖1的顶部，由于上半球盖1露出水面上，通信天线2的位置始终是朝上的，能保证无线通信的良好。可将天线支架台16固定连接于上半球盖1内壁，并且使天线支架台16的底部位于下半球盖15的下半球顶面19位置处，使天线支架台1与下半球盖15紧密结合成一个整体。在天线支架台16上设置充电接口及电源开关3，需要充电的时候只需打开上半球盖1，然后在充电接口及电源开关3处通过电源线连接外接电源，即可给主体装置A充电。在下半球盖15内部的底部固定电路板5，可以增加底部重量，降低重心。

在主体装置A的方形壳体内部设置PH值传感器6，在天线支架台16和电路板5之间、电路板5和PH值传感器6之间均连接走线槽4，走线槽4位于浮球的中心轴的位置，PH值传感器6的上端密封在走线槽4的内部，PH值传感器6的下端伸入并悬空在进水仓13内，浸没在待测水中。

在方形壳体内的底部有蓄水仓11，蓄水仓11上部一侧有进水仓13，在进水仓13与蓄水仓11之间设置磁铁阀门10。进水仓13一侧是敞开的进水窗口20，进水窗口20在方形壳体一侧面上，进水窗口20实质是在方形壳体侧面开的一个方孔，装置抛入水中后，水自然会通过进水窗口20填满进水仓13。排水口12位于蓄水仓11的底部，即装置的底部，用以排出蓄水仓11内的水，收集异常水样做进一步检测。

在方形壳体内的上部有电磁铁支架18，将电磁铁支架18固定在方形壳体内壁上，电磁铁支架18上支撑并安装电磁铁8，该电磁铁8的线圈则通过走线槽4连接到电路板5上。弹簧9的上端固定在电磁铁支架18上，下端连接磁铁阀门10，磁铁阀门10位于电磁铁8的正下方。

参见图3，整个装置的外部电路连接是以电路板5为核心，电路板5是主体的电路PCB板，电路板5上集成了蓄电池、各个功能模块、电路等，蓄电池分别连接充电电路和电源模块，电源模块又分别连接无线通信模块、MCU处理模块和控制开关，电源模块用以提供整个电路工作的电能，MCU处理模块分别连接控制开关、前置处理模块、无线通信模块和外围的充电接口及电源开关3，无线通信模块与MCU通过SPI接口连接通信，无线通信模块连接外围的通信天线2，用以彼此数据传递。控制开关与外围的电磁铁8连接，通过MCU控制给电磁铁8通电。前置处理模块连接外围的PH值传感器6，用以将PH传感器的输出信号转为0~5V的电压信号，充电电路连接外围的充电接口及电源开关3，通过充电接口及电源开关3给蓄电池充电。

电路板5与外围各个元件或者电路（通信天线2、充电接口和电源开关3、PH值传感器6、带线圈的电磁铁8用电路线17连接，即充电接口及电源开关3、通信天线2、电磁铁线圈、PH值传感器6均通过电路线17电连接电路板5，电路线17均排在走线槽4内，使整个电路布局干净整洁。

参见图1-3，当打开充电接口及电源开关3，装置就处于PH值实时无线监测的工作状态，PH值传感器6通过电路板5，经前置处理模块将进水仓13内的待测水样的PH值转换为0~5V的电信号送给MCU的A/D转换接口，MCU芯片会将该电压信号通过与5V的参考电压的逐次比较转换为数字信号，自动运算得出当前水质的实际PH值，并将该值与当前的时间信息通过SPI接口送给无线通信模块，再通过通信天线2发射，通过无线网络发送给工作人员的接收机并存储起来。此外MCU会将所得的PH值与报警阈值进行比较，如果该值达到了报警的阈值范围时，MCU会立即做出判断，然后通过控制开关电路，将电能持续输送给电磁铁8一段时间，通电后的电磁铁8会克服弹簧9的牵引力，吸引磁铁阀门10向上移动，即打开了阀门，此时进水仓13里的水则会流入蓄水仓11，从而完成了PH值异常时水质的取样，取样完毕后控制开关关闭，电磁铁8失去磁力，弹簧9重新将磁铁阀门10返回到初始位置，停止进水仓内的水流向蓄水仓。整个采集过程都是程序自动控制，无需使用人员的过程介入。使用人员可以在以后回收装置的时候，打开排水孔12，将采集的问题水样取出并带回实验室做进一步详细的水质参数检测，为判断企业是否有偷排行为提供了有利的依据。此外，值得一提的是，由于该无线通信是半双工的通信，不但该主体装置A可以通过无线网络将蓄电池的电量信息、PH值大小、对应的时间记录信息等等重要参数发送给工作人员的接收机，而且工作人员也可以通过接收机将调整后的新的PH值报警阈值，PH值检测频率以及无线通信的频率等重要参数发送给该目标节点主体装置A，也就是说主体装置A的工作过程并不是一成不变的，其中一些工作参数是可以根据工作人员的实际需要做及时地修正。

Claims (4)

1.一种用于防污水偷排的PH值监测WSN节点装置，其特征是：包括一个密封漂浮在水中的浮球和与浮球底部固定连接在一起并浸没在水下的方形壳体，所述浮球具有相互扣合在一起的上半球盖（1）和下半球盖（15），上半球盖（1）内固定设有天线支架台（16）和通信天线（2），通信天线（2）连接在天线支架台（16）上部并靠近上半球盖（1）的顶部，在天线支架台（16）上设置充电接口及电源开关（3）；在下半球盖（15）内部的底部固定有电路板（5），所述方形壳体内部设置PH值传感器（6），在天线支架台（16）和电路板（5）之间、电路板（5）和PH值传感器（6）之间均连接走线槽（4）；所述方形壳体内的底部有蓄水仓（11），蓄水仓（11）上部一侧有进水仓（13），进水仓（13）与蓄水仓（11）之间设置磁铁阀门（10），进水仓（13）一侧是敞开的进水窗口（20）；PH值传感器（6）上端密封在走线槽（4）内部，PH值传感器（6）下端伸入并悬空在进水仓（13）内；蓄水仓（11）的底部设有排水口（12）；所述方形壳体内的上部有固定在方形壳体内壁上的电磁铁支架（18），电磁铁支架（18）上支撑有电磁铁（8），弹簧（9）上端固定连接电磁铁支架（18），弹簧（9）下端连接位于电磁铁（8）正下方的磁铁阀门（10）；所述充电接口及电源开关（3）、通信天线（2）、电磁铁线圈、PH值传感器（6）均通过电路线（17）电连接电路板（5），电路线（17）均排在走线槽（4）内；电路板（5）上集成有蓄电池和各个模块，电源模块分别连接蓄电池、无线通信模块、MCU处理模块和控制开关，蓄电池连接充电电路，MCU处理模块分别连接控制开关、前置处理模块、无线通信模块和充电接口及电源开关（3），无线通信模块连接所述通信天线（2），控制开关连接所述电磁铁（8），前置处理模块连接所述PH值传感器（6），充电电路连接所述充电接口及电源开关（3）。

2.根据权利要求1所述用于防污水偷排的PH值监测WSN节点装置，其特征是：方形壳体上底部通过弹簧连接扣固定连接可伸缩引线一端，可伸缩引线另一端连接固定在水底部的铁锚或连接固定在岸上的固定杆子。

3.根据权利要求1所述用于防污水偷排的PH值监测WSN节点装置，其特征是：所述天线支架台（16）固定连接于上半球盖（1）的内壁，天线支架台（16）的底部位于下半球盖（15）的下半球顶面（19）的位置处。

4.一种如权利要求1所述PH值监测WSN节点装置的PH值监测方法，其特征是：打开充电接口及电源开关（3），PH值传感器（6）通过电路板（5）将进水仓（13）内的待测水样的PH值转换送给MCU处理模块，MCU处理模块自动运算得出当前水质的实际PH值，并将该实际PH值送给无线通信模块再通过通信天线（2）发射，同时MCU将该实际PH值与报警阈值作比较，如果实际PH值达到报警的阈值，MCU处理模块通过控制开关电路给电磁铁（8）通电，电磁铁（8）吸引磁铁阀门（10）向上移动，使进水仓（13）里的水流入蓄水仓（11）完成PH值异常时水质的取样；取样完毕后关闭控制开关，电磁铁（8）失去磁力，弹簧（9）使磁铁阀门（10）向下返回，完成PH值监测。

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