CN103513014A - 一种多传感器水体多污染参数实时监测预警装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多传感器和自供电的悬浮水体多污染参数实时监测预警装置。系统由外壳、太阳能电池供电模块、多传感器信号采集模块、通信模块、微控制器、预警显示模块构成。上部弧形下部V形外壳使系统始终能悬浮在水面上；自适应太阳能电池板嵌在半球形外壳的顶部；重金属传感器阵列、pH传感器、温度传感器分别采集水中的重金属离子、pH值和水体温度；信号处理模块将采集到的信息传到微处理器，将采集到的实时数据和数据库中的污染参数标准阈值和历史检测数据进行比对、分析，判定水污染情况和发展趋势，结果通过现场显示和无线通信模块传到水体污染监测中心。本发明具有实时监测参数多、太阳能供电、功耗低、可靠性高、悬浮等特点，同时还具有结构简单、使用维护方便、测试结果直观等优点。

Description

一种多传感器水体多污染参数实时监测预警装置

技术领域  本发明涉及一种多传感器和自供电的悬浮水体多污染参数实时监测预警。

背景技术

随着经济的不断发展，水污染问题越来越严重，除了因日常污染物排放引起的污染外，因事故引发的突发性水污染也越来越多，现有的水体污染检测设备，都是离线和陆地上使用的，没有能在水中实时监测的设备。无法及时检测水污染的状况和程度，只有在大面积的水体变色变味后，人们才能感知水体污染，而这个时候污染对人体和环境的危害已经非常大。如今迫切需要一种高科技的可靠监测装置，对容易发生突发水域污染的水体进行在线实时监测，彻底改变以往的事后处理模式进而实现污染防治。

发明内容

本发明的目的是克服以往只能靠人工去取样分析，单次检测单参数的缺陷。提供一种自动处理、简易的、高精度、无污染、高抗干扰、低功耗、具有漂浮和无需外接电源特性的水体多参数污染实时监测装置。该装置能实时采集水体参数，经过处理可以将污染级别通过装置上方的LED现场显示，以及通过无线网络发送到远程监测中心，实现双层监控。

一种多传感器和自供电的悬浮水体多污染参数实时监测预警装置，其构成是可以进行更换的传感器安装卡，装置内部有一根总线连接各个模块和信号处理模块。信号处理模块，LED显示模块，无线通信模块三者构成的透明凸起球体通过螺纹拧到V型器件上面，然后将自适应太阳能电池板板安装到该装置上。

所述的装置由双V型框架、圆形太阳能漂浮板、圆形透明凸起球体、温度传感器，pH传感器以及用于检测重金属传感器阵列构成。所述的双V型框为内外皆为V型，其中内V型框架为空心密封的，外V形采用栅格式的总体设计。装置的各类传感器和重金属传感器阵列安装在内V型框架上。所述的圆形透明凸起球体结构内部装有高集成度、高亮度的红绿LED以及通信模块和微控制器。所述的圆形太阳能电池浮漂板为高转换效率的太阳能材料制成。用所述的传感器及其重金属阵列槽安装在内V框架上，然后用栅格结构的外V框架固定在内V上，用所述圆形透明凸起球体安装在V型框架上，再用螺丝将将所述的自适应太阳能电池板安装在透明球体外围和V型框架上。

上述双V型架构均采用防腐蚀的合金金属材料制成。其中重金属传感器阵列槽表面采用保护膜进行保护，重金属检测采用阳极溶出伏安法，传感器电极具有自动清洗功能。配制的溶液安放在内V架构内部。

其中双V型架构底部和透明凸起球体内放置了太阳能蓄电池，用来接收自适应太阳能电池浮漂板转换的能量以及用来提供一个稳定的输出电压电流。采用太阳能蓄电池保证各个模块的正常运行，提高抗干扰能力，确保装置的稳定性。

将该装置放置在水中，其中V型框架位于水面以下，而圆形透明凸起球体则通过太阳能电池浮漂板漂浮于水面。当将该装置放置在水中时，其中装置底部和太阳能电池浮漂板背面的湿度传感器先后检测到信息并维持一段时间后，表明该装置已正确放置于水体中，装置自动开启。

当装置开启后，通过通信模块接收远程控制中心发来的数据命令并将其存放在数据库中作为参比数据。用以初始化装置参数。初始化后，各个传感器驱动模块开始工作，驱动各自的传感器用以检测信号，通过其信号处理单元将信号做简单的处理，然后通过总线传输到装置全局信号处理单元。将信号进行分类处理，处理后的数据分为两路，一路进入数据库作为初始数据存放，另一路进入微处理器中，微处理单元将其数据存入对比模块中，然后调用数据库中的参比数据，经过对比模块处理后的结果数据通过微处理器存入数据库中。然后微处理器输出使能信号用来驱动LED模块，根据对比结果选择性的点亮LED用以实现预警。同时，微处理器驱动通信模块，数据通过无线网络传送到水体污染监测中心。

本发明既有自动悬浮、多传感器检测、太阳能供电功能，又将微处理器技术、数据库技术和无线通信等技术融合一体。因此，本发明具有水体多参数实时检测、无需外接电源、结构接单、安装维护方便等优点。

本发明装置的工作原理

当该装置正确放置在水中时，装置底部和太阳能漂浮板背面的湿感传感器先后检测到信息并维持一段时间后，表明该装置已正确放置于水体中，装置自己开启。

重金属传感器阵列、PH传感器、温度传感器分别采集水中的重金属离子，PH值和温度；通信模块将采集到的信息传到微处理器，微处理器中预先编好污染参数标准阈值和历史检测数据库，通过将采集到的实时数据和数据库中的数据比对、分析，判定水污染情况和发展趋势，结果通过无线通信模块传到水体污染监测中心。

当装置开启后，自动调用数据库中的参数。初始化后，各个传感器电路模块开始工作。通过其驱动电路将信号做简单的处理，然后通过信号总线传输到信号处理单元。将信号进行分类整合处理，处理后的数据进入数据库作为初始数据，通过与参比数据对比，有三种情况；

1、初始数据与参比数据相等，表明有轻度污染，微处理通过驱动LED显示黄色，并保持发送周期，

2、初始数据小于参比数据。表明水质良好。微处理驱动LED显示绿色，并降低发送周期。用以节约装置能耗。

3、初始数据大于参比数据，表明水体污染严重，急需做进一步处理。微处理驱动LED显示红色，并提高发送周期。

环境监测部门或者其他监督机构可以根据具体要求，通过通信端口修改数据库中的参比数据，或者通过通信端口更改装置运行的开启和关闭时间。使装置具有更好的实用性与通用性。

本集成创新装置的重金属检测采用传感器阵列检测机制，并将传感器检测、处理、通信以及LED显示模块集成一体的结构。其中通信部分，水体污染监测中心可以根据具体情况更改装置开启/关闭时间和发送频率以及污染参比数据等参数，从而实现动态的控制装置检测精度，还可以实现定时开启和关闭装置。提高了其实用性和通用性。因此，本集成创新装置既具有水体多污染参数同时检测和漂浮特点，又具有太阳能转化提供能量，结构接单，安装，维护方便之优点。

附图说明

图1是集成式水体多污染参数实时监测预警装置的结构示意图

图2是图1中实框1中模块的细化

图3是图2中实框3-2中电路的细化。

图4是装置程序流程图。

图5是自适应太阳能电池板控制框图。

图中标号说明

1-微控制中心，             2-太阳能蓄电池，

3-衔接接口，               4-重金属(汞，镉等)检测阵列槽。

5-重金属检测驱动电路，     6-温度传感器处理电路，

7-温度传感器，             8-pH传感器处理电路，

9-pH传感器，               10-湿度传感器，

11-透明凸起球体LED套件，   12-太阳能电池板。

13-绝缘扣，                14-外V格栅，

15-电源线，                16-信号线。

图2中110-微处理器、111-信号处理、112-通信模块、113-数据库、114-太阳能驱动模块、115-LED驱动模块

具体实施方案

按图1所示，集成式水体多污染参数实时监测预警装置框图，主要由双V型框架、透明凸起球体LED外罩和自适应太阳能电池浮漂板构成，其中透明凸起球体LED通过螺纹式接口旋转固定在V型框架上并用绝缘扣13扣住。太阳能电池浮漂版潜入到透明凸起球体LED外罩上。

其中双V型框架由空心密封的内V结构和具有栅格的外V结构14构成。内V中从低至上依次安装湿度传感器10、pH传感器9，pH传感器电路8、温度传感器7，温度传感器电路6，重金属检测阵列槽4，重金属检测电路5，并用电源线15和信号线16进行供电和通信。所述的pH传感器9采用内外管件的方式，将电极丝和配好的溶液放置于试管内部，并进行密封处理。并配有自动闭合的进水口。所述的重金属检测阵列槽采用阵列式的布局，采用三电极阳极溶出伏安法进行测量。配制好的溶液放置于内V中。

其中透明凸起球体LED外罩11，内部潜入了R&G高亮LED、太阳能蓄电池2，微控制中心1。太阳能驱动电路分别接微处理器110，太阳能外罩12和太阳能蓄电池2。其工作原理为：微处理器110控制太阳能驱动电路114驱动太阳能外罩12工作，转化后的能量通过太阳能驱动电路114存储在太阳能蓄电池2中。

其中信号处理电路中。电路各部分模块见图2和图3。信号采集单元主要对传感器检测到的数据进行采样、放大、滤波、对比(其中对比模块的两路输入只是相差时间t。而输出时取延时t秒后的数据)。信号处理模块实现将对比后的输出进行进一步滤波，放大，并将其AD转换，以及进行数据整合。保证信号的准确度。

其中太阳能驱动模块中。装置根据太阳的运动规律和直射光角度自适应的改变采光面的采光角度。从而提高太阳能的转换效率。

其中通信和显示模块，其中显示部分采用R&G双色高亮的LED并采用LED专用驱动电路。其中通信采用简单实用的Zigbee无线通信方式。具有收发双向通信功能。水体污染监测中心可以根据具体要求更爱装置中的部分参数。太阳能模块采用改进型简单的光伏发光装置，其中采用单晶硅光伏电池效率将达25％。

Claims (6)

1.一种基于多传感器和自供电的悬浮水体多污染参数实时监测预警装置，其特征在于其构成是外壳、太阳能电池供电模块、多传感器信号采集模块、通信模块、微处理器、信号处理模块、预警显示模块，上部弧形下部V形外壳使装置始终能悬浮在水面上，自适应太阳能电池板嵌在半球形外壳的顶部。

2.根据权利要求1所述的水体多污染参数实时监测预警装置，其特征在于该装置采用双V型设计，其中内V为空心密封，外V采用格栅式设计，装置分为两部分，防水部分与不防水部分，通过螺纹式将两部分合二为一。

3.根据权利要求1所述的水体多污染参数实时监测预警装置，其特征在于自适应太阳能漂浮板采用内外圆设计，其中内圆为空心，其中采光部分与水平面成一定的角度a，并采用波浪式的设计，采光角度a根据太阳的直射方向自适应的在一定角度内跟随变化。

4.根据权利要求1所述的水体多污染参数实时监测预警装置，其特征在于重金属离子检测盒采用阵列式布局，且检测盒内的重金属离子采用纳米传感器阵列进行检测，所述的检测盒能实现自动闭合功能。

5.根据权利要求1所述的水体多污染参数实时检测预警装置，其特征在于pH检测置于自动闭合的类试管器件中。

6.根据权利要求1所述的水体多污染参数实时监测预警装置，其特征在于重金属传感器、PH值传感器、温度传感器采集到的信号，经滤波、放大和A/D转换后传到微处理器，微处理器经过处理后通过现场显示和无线通信模块将数据传到水体监控中心，与数据库中的标准值和历史检测值进行比对和分析，得到水体污染的具体程度和发展趋势。

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