CN105806416A - 一种景区水域水质自供能监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种景区水域水质自供能监测系统，包括指挥中心和监测终端，所述监测终端包括承载浮体，所述承载浮体内部设置振动发电单元、电源管理单元、处理器单元和无线通信单元，所述承载浮体上方设置太阳能发电单元，所述承载浮体下方设置传感器单元，所述承载浮体通过固定绳体与水底连接，所述振动发电单元、太阳能发电单元与所述电源管理单元连接，所述电源管理单元与所述处理器单元、无线通信单元和传感器单元连接。本发明通过将波浪能量和太阳能转换为电能进行自供能，满足水域水质监测用电，为水质的无线监测创造必要条件，可以保障电能的不间断供应。

Description

一种景区水域水质自供能监测系统

技术领域

本发明涉及水域水质无线监测技术领域，具体涉及一种景区水域水质自供能监测系统。

背景技术

近年来，随着工业发展和人们生活水平不断提高，污水排放量不断增加，已经远远超出了自然净化功能所允许的环境容量，自然界的水质情况不断恶化，严重危及到人类健康、破坏生态系统。为了确保水环境和水资源的清洁，必须对造成水质污染的污染源采取必要的措施，环境水质的在线监测显得非常有必要。特别针对一些有山有水的景区来说，青山绿水是吸引游客的根本，若大量的污水充斥景区，将对该地的旅游业会造成巨大的影响，降低景区的吸引力，因此对景区的水质监测也是很有必要的，只有随时掌握水质的变化，才能在水质出现问题时及时发现原因并解决。

传统的水质监测方法主要有两种：(1)人工采样实验室分析或采用手持便携式监测仪现场采样检测；(2)在特定区域建设水质自动监测站。前者采样频率低，劳动强度大，无法实时监控，不能反映水体水质参数的连续动态变化；后者能实现水质自动监测，但存在投资成本高、建设周期长、需铺设电缆和征地建站等局限性，其覆盖水域不可能很广，也无法实施多点监测。

近年来，无线传感网络的技术研究正在蓬勃发展之中，将无线传感器网络技术应用于环境监测和生态研究是热点之一。由于无线传感网络的自组织特性和节点设计的微型化、低成本和低能耗，将无线传感器网络技术与传统的水质监测仪器相结合，可以实现区域水参数多监测节点的快速配置和自组网，无线传输和低能耗的特点能适应户外多变的环境。因此，基于无线传感网络技术的水环境检测系统可以在低成本的条件下实现大范围水域的空间和时间二维实时数据的在线采样，高密度空时分布的水质数据可以满足对水体环境进行高质量分析与管理的要求，实现科学预防和分析水污染的目的，保证景区的绿水，增加对游客的吸引力度，增强其竞争力。

但是无线监测需要解决的问题便是监测终端的供电，目前都是采用可更换的蓄电池，增加巡检人员，对现场的蓄电池检测之后，对电量不足的进行更换，浪费人力资源，存在许多不便。

申请号为201410036734.5的发明公开了一种无线传感水质监测预警系统，包括无线传感器水质参数采集节点、汇聚节点、水质监控中心，无线传感器水质参数采集节点包括水质参数传感器模块、微处理器模块、ZigBee模块及太阳能供电模块，水质参数传感器模块负责水质参数采集并与微处理器模块连接，水质参数采集节点之间通过ZigBee模块以无线方式进行自行组网，形成水质监测无线传感器网络；汇聚节点通过ZigBee模块与无线传感器水质参数采集节点交换数据，并通过GPRS模块和Internet与水质监控中心交换数据，水质监控中心通过自回归模型算法对该数据进行处理并作出预警。该系统布局灵活、实时上报数据可以实现大范围水域水质的无线监测和预警。该发明通过太阳能进行自供能，但是在连绵的阴雨天气会导致设备失效，对环境依赖性较大。

申请号为201020589195.5的实用新型公开了一种大面积水质监测无线传感器网络网关节点装置，包括Zigbee通信模块、微处理器模块、远程数据获取模块和电源模块，Zigbee通信模块、远程数据获取模块分别与微处理器模块双向连接，电源模块向其余三个模块提供电源。本实用新型可广泛应用于大面积水产养殖水质监测无线传感器网络网关节点，自身提供不间断电源。该装置采用了风光互补发电，可以保证电量供应的不间断，但是风力发电机及其附属设备的体积较大，仅适合安装在岸边对水质监测。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种景区水域水质自供能监测系统，通过将波浪能量和太阳能转换为电能进行自供能，满足水域水质监测用电，为水质的无线监测创造必要条件，可以保障电能的不间断供应。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种景区水域水质自供能监测系统，包括指挥中心和监测终端，所述监测终端包括承载浮体，所述承载浮体内部设置振动发电单元、电源管理单元、处理器单元和无线通信单元，所述承载浮体上方设置太阳能发电单元，所述承载浮体下方设置传感器单元，所述承载浮体通过固定绳体与水底连接，所述振动发电单元、太阳能发电单元与所述电源管理单元连接，所述电源管理单元与所述处理器单元、无线通信单元和传感器单元连接。

进一步的，所述振动发电单元包括所述承载浮体内部设置的腔体，所述腔体的侧壁上设置压电陶瓷片，所述压电陶瓷片的另一侧通过万向接头设置拉杆，对应所述拉杆在所述承载浮体下方设置通孔，所述拉杆与所述通孔之间设置密封机构，所述拉杆下端通过所述固定绳体与水底固定连接。

进一步的，所述太阳能发电单元包括小型太阳能发电机。

进一步的，所述电源管理单元包括整流器、蓄电池和DC/DC电源模块。

进一步的，所述处理器单元包括单片机芯片，所述无线通信单元包括GPRS模块，所述指挥中心包括工业控制计算机。

进一步的，所述传感器单元包括所述承载浮体底部设置电导率传感器、温度传感器、溶解氧传感器和pH传感器。

进一步的，所述承载浮体上设置位移报警单元，所述位移报警单元与所述电源管理单元、处理器单元连接，所述位移报警单元包括GPS模块。

进一步的，所述密封机构包括环形密封带，所述环形密封带的内边缘与所述拉杆密封连接，所述环形密封带的外边缘与所述承载浮体下表面密封连接。

进一步的，所述拉杆下端通过旋转接头与所述固定绳体连接，所述旋转接头包括所述拉杆下端设置环形固定槽，所述环形固定槽内设置转动环，所述转动环与所述固定绳体连接。

进一步的，所述承载浮体边缘设置反光条，所述承载浮体一侧通过伸缩杆设置固定钩。

本发明提供了一种景区水域水质自供能监测系统，通过监测终端对现场水域的水质进行监测，并将监测信息发送至监控中心来实现，监测终端依靠承载浮体设置在水面上，可以远离岸边设置，对水质的监测更加真实可靠。监测终端的供电依靠振动能量转换电能来实现，对于大型水域的水面时刻存在着波浪，浮体在水面会上下浮动，从而带动监测终端的振动发电单元产生振动发电，实现自供能。为了避免较长时间没有波浪的情况导致设备没有电能供应，在承载浮体上还设置太阳能发电单元，该太阳能发电单元采用小型化设计，不作为主要供电能源，当长时间水面无风时，振动发电单元无法提供电能，这种时候的太阳能较为充足，太阳能发电单元可以获得足够的太阳能并转换为电能，传感器单元的检测频率可以降低，满足太阳能发电单元的转换效率。采用振动发电作为主要供能单元，结构简单小巧，对波浪的能量的利用效率很高，转换的电能较为充足，可以支撑传感器单元的电能消耗。通过振动发电单元和太阳能发电单元相互配合，可以保证监测终端的持续电能供应，保证监测设备的长久平稳运行。电源管理单元可以将转换来的电能进行整流并存储，然后输出不同的电压等级供其它设备使用。

本发明有益效果如下：

1、通过将波浪能量和太阳能转换为电能进行自供能，满足水域水质监测用电，为水质的无线监测创造必要条件，可以保障电能的不间断供应；

2、主要供能依靠振动发电单元，结构简单、体积较小，对于微小机械能发电效率较高，可以在保证监测终端体积较小的情况下拥有充足的发电量，供监测设备进行使用；

3、监测终端可以设置在水域的任何角落，改变了传统水质监测设置在岸边的现状，能够对大型水域进行覆盖式监测，保障对水质变化进行时刻掌握，效果更好。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步描述：

图1是本发明景区水域水质自供能监测系统的系统结构图；

图2是本发明监测终端的结构示意图；

图3是本发明密封机构和万向接头的结构示意图；

图4是本发明腔体内设置多个压电陶瓷片的结构示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图4对本发明技术方案进一步展示，具体实施方式如下：

实施例一

如图1、图2和图4所示：本实施例提供了一种景区水域水质自供能监测系统，包括指挥中心1和监测终端2，所述监测终端2包括承载浮体3，所述承载浮体3内部设置振动发电单元4、电源管理单元5、处理器单元6和无线通信单元7，所述承载浮体3上方设置太阳能发电单元8，所述承载浮体3下方设置传感器单元9，所述承载浮体3通过固定绳体10与水底连接，所述振动发电单元4、太阳能发电单元8与所述电源管理单元5连接，所述电源管理单元5与所述处理器单元6、无线通信单元7和传感器单元9连接。

本发明通过监测终端对现场水域的水质进行监测，并将监测信息发送至监控中心来实现，监测终端依靠承载浮体设置在水面上，可以远离岸边设置，对水质的监测更加真实可靠。监测终端的供电依靠振动能量转换电能来实现，对于大型水域的水面时刻存在着波浪，浮体在水面会上下浮动，从而带动监测终端的振动发电单元产生振动发电，实现自供能。为了避免较长时间没有波浪的情况导致设备没有电能供应，在承载浮体上还设置太阳能发电单元，该太阳能发电单元采用小型化设计，不作为主要供电能源，当长时间水面无风时，振动发电单元无法提供电能，这种时候的太阳能较为充足，太阳能发电单元可以获得足够的太阳能并转换为电能，传感器单元的检测频率可以降低，满足太阳能发电单元的转换效率。采用振动发电作为主要供能单元，结构简单小巧，对波浪的能量的利用效率很高，转换的电能较为充足，可以支撑传感器单元的电能消耗。通过振动发电单元和太阳能发电单元相互配合，可以保证监测终端的持续电能供应，保证监测设备的长久平稳运行。电源管理单元可以将转换来的电能进行整流并存储，然后输出不同的电压等级供其它设备使用。

所述振动发电单元4包括所述承载浮体3内部设置的腔体11，所述腔体11的侧壁上设置压电陶瓷片12，所述压电陶瓷片12的另一侧通过万向接头13设置拉杆14，对应所述拉杆14在所述承载浮体3下方设置通孔15，所述拉杆14与所述通孔15之间设置密封机构16，所述拉杆14下端通过所述固定绳体10与水底固定连接。

承载浮体的具体结构不做限定，可以保证其稳定性和密封性便可，所有设备都可以设置在承载浮体内部，只需将通信用的天线和太阳能发电单元放置在外部，这样遇到大风大雨天气不会导致电子器件短路。腔体为压电陶瓷片的运动提供空间，压电陶瓷片一侧设置在腔体侧壁上，另一侧通过万向接头与拉杆连接，万向接头起到距离补偿的作用，压电陶瓷片一侧通过拉杆带动上下运动时，其水平与腔体侧壁的距离会改变，若没有万向接头拉杆会受到侧向的拉力，从而影响压电陶瓷片的上下振动情况，也会显著降低设备的使用寿命。通孔可以穿过拉杆，通孔内边缘设置润滑层，保证拉杆上下活动不会受到较大的摩擦力，密封机构对通孔与拉杆之间的间隙进行密封，防止腔体内进水。水底可以设置暗桩，将固定绳体固定在暗桩上，固定绳体的长度大于多雨季节的水深，避免涨水时淹没承载浮体，水深下降时固定绳体仍可对拉杆提供向下的拉力，不影响正常使用。

如图4所示，压电陶瓷片的数量为四个，当需要的电能较多时，可以增加压电陶瓷片的数量，为更多的传感器提供电能，压电陶瓷片还是通过万向接头与拉杆进行连接，相互之间不会受到影响。

所述太阳能发电单元8包括小型太阳能发电机17。太阳能发电机包括了太阳能电池板和太阳能控制器，采用小型化设备，整体大小不会对承载浮体的平稳性造成影响。

实施例二

如图1和图2所示：本实施例还提供了一种景区水域水质自供能监测系统，包括指挥中心1和监测终端2，所述监测终端2包括承载浮体3，所述承载浮体3内部设置振动发电单元4、电源管理单元5、处理器单元6和无线通信单元7，所述承载浮体3上方设置太阳能发电单元8，所述承载浮体3下方设置传感器单元9，所述承载浮体3通过固定绳体10与水底连接，所述振动发电单元4、太阳能发电单元8与所述电源管理单元5连接，所述电源管理单元5与所述处理器单元6、无线通信单元7和传感器单元9连接。

所述电源管理单元5包括整流器18、蓄电池19和DC/DC电源模块20。整流器对压电陶瓷片转换来的电能和太阳能发电机提供的电能进行整流，将电压与电流稳定之后输入蓄电池内进行存储，DC/DC电源模块是一种电池开关电路，具有多个输入和输出，可以对蓄电池的输入输出进行控制，能够满足对多个用电设备的不同电压值进行供电，结构小巧，智能化程度高。

所述处理器单元6包括单片机芯片，所述无线通信单元7包括GPRS模块，所述指挥中心1包括工业控制计算机。单片机采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能，可以对监测到的信息进行处理并通过通信单元发送出去。通信单元采用GPRS模块，通过GPRS网络进行数据传输，可以保证传输的距离、速度以及稳定性。工业控制计算机可以对远端节点发送来的监测数据进行计算、存储与显示，实现对水域水质数据的实时掌握。

所述传感器单元9包括所述承载浮体3底部设置电导率传感器21、温度传感器22、溶解氧传感器23和pH传感器24。电导率传感器用来测量水质的整体离子浓度，该传感器适用于内陆湖水，其正常时离子浓度较低，当大量工业废水排入可导致离子浓度升高，该传感器能够对污水的排入进行监测。温度传感器可以监测水域水温的变化，溶解氧传感器可以对水质的溶解氧进行加监测，当溶解氧较低时鱼类容易死亡，厌氧菌滋生，水质会变质发臭。pH传感器可以对水质的pH值进行监测，适当的pH值可以促进鱼类和藻类的生长，pH值变化加大时说明外界污水对水域造成影响。通过传感器的相互配合实现对水域水质的监测，当外界污水造成污染时可以及时发现，迅速做出处理，避免景区的水质遭到较大的破坏。

所述承载浮体3上设置位移报警单元25，所述位移报警单元25与所述电源管理单元5、处理器单元6连接，所述位移报警单元25包括GPS模块。承载浮体通过绳体固定在某个区域内，为了防止绳体断裂承载浮体漂到其它地方却不被发现，设置了位移报警单元，通过GPS模块实现自身定位，并将位置信息通过通信单元发送至监控中心，当某个承载浮体坐标超过其原来的坐标范围时，监控中心进行报警，提醒工作人员对其进行检修。

实施例三

如图1至图3所示：本实施例还提供了一种景区水域水质自供能监测系统，包括指挥中心1和监测终端2，所述监测终端2包括承载浮体3，所述承载浮体3内部设置振动发电单元4、电源管理单元5、处理器单元6和无线通信单元7，所述承载浮体3上方设置太阳能发电单元8，所述承载浮体3下方设置传感器单元9，所述承载浮体3通过固定绳体10与水底连接，所述振动发电单元4、太阳能发电单元8与所述电源管理单元5连接，所述电源管理单元5与所述处理器单元6、无线通信单元7和传感器单元9连接。

所述密封机构16包括环形密封带26，所述环形密封带26的内边缘与所述拉杆14密封连接，所述环形密封带26的外边缘与所述承载浮体3下表面密封连接。该密封机构类似于汽车档把下方的密封结构，环形密封带采用柔性防水材料制成，该柔性防水材料优选防水橡胶布，价格低廉，抗氧化和老化性能好，使用寿命较长，拉杆仍可在通孔内上下移动。本发明未采用硬密封，因为绳体对拉杆向下的拉力是斜向的，硬密封在这种情况下使用寿命较短，且摩擦力较大，效果一般。

所述拉杆14下端通过旋转接头与所述固定绳体10连接，所述旋转接头包括所述拉杆14下端设置环形固定槽27，所述环形固定槽27内设置转动环28，所述转动环28与所述固定绳体10连接。绳体对承载浮体的运行范围进行限定，承载浮体在移动时可能会造成绳体的旋转，万向接头可将该旋转释放，避免旋转力度对绝缘套环等器件造成损坏，保证设备使用的安全性。

所述承载浮体3边缘设置弹性保护层29，所述弹性保护层29表面设置反光条30，所述承载浮体3一侧通过伸缩杆31设置固定钩32。承载浮体的体积较小，在灯光较暗时容易被误碰，弹性保护层可以在碰撞时起到保护作用，表面设置的反光条可以提醒周围的游客或工作人员，减少误碰撞的情况发生，保证设备运行的安全性。伸缩杆可以将固定钩升起，当工作人员需要对承载浮体进行操作时，可以将固定钩挂在船体的一侧，对承载浮体进行固定，防止其移动，方便了检修工作的进行。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种景区水域水质自供能监测系统，其特征在于：包括指挥中心和监测终端，所述监测终端包括承载浮体，所述承载浮体内部设置振动发电单元、电源管理单元、处理器单元和无线通信单元，所述承载浮体上方设置太阳能发电单元，所述承载浮体下方设置传感器单元，所述承载浮体通过固定绳体与水底连接，所述振动发电单元、太阳能发电单元与所述电源管理单元连接，所述电源管理单元与所述处理器单元、无线通信单元和传感器单元连接。

2.如权利要求1所述的景区水域水质自供能监测系统，其特征在于：所述振动发电单元包括所述承载浮体内部设置的腔体，所述腔体的侧壁上设置压电陶瓷片，所述压电陶瓷片的另一侧通过万向接头设置拉杆，对应所述拉杆在所述承载浮体下方设置通孔，所述拉杆与所述通孔之间设置密封机构，所述拉杆下端通过所述固定绳体与水底固定连接。

3.如权利要求1所述的景区水域水质自供能监测系统，其特征在于：所述太阳能发电单元包括小型太阳能发电机。

4.如权利要求1所述的景区水域水质自供能监测系统，其特征在于：所述电源管理单元包括整流器、蓄电池和DC/DC电源模块。

5.如权利要求1所述的景区水域水质自供能监测系统，其特征在于：所述处理器单元包括单片机芯片，所述无线通信单元包括GPRS模块，所述指挥中心包括工业控制计算机。

6.如权利要求1所述的景区水域水质自供能监测系统，其特征在于：所述传感器单元包括所述承载浮体底部设置电导率传感器、温度传感器、溶解氧传感器和pH传感器。

7.如权利要求1所述的景区水域水质自供能监测系统，其特征在于：所述承载浮体上设置位移报警单元，所述位移报警单元与所述电源管理单元、处理器单元连接，所述位移报警单元包括GPS模块。

8.如权利要求1所述的景区水域水质自供能监测系统，其特征在于：所述密封机构包括环形密封带，所述环形密封带的内边缘与所述拉杆密封连接，所述环形密封带的外边缘与所述承载浮体下表面密封连接。

9.如权利要求1所述的景区水域水质自供能监测系统，其特征在于：所述拉杆下端通过旋转接头与所述固定绳体连接，所述旋转接头包括所述拉杆下端设置环形固定槽，所述环形固定槽内设置转动环，所述转动环与所述固定绳体连接。

10.如权利要求1所述的景区水域水质自供能监测系统，其特征在于：所述承载浮体边缘设置反光条，所述承载浮体一侧通过伸缩杆设置固定钩。