CN105937921A - 一种同步监测水流和水质的浮动式系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步监测水流和水质的浮动式系统，由如下单元构成：至少两个可移动式微型浮标，其采用胶合板和泡沫塑料的堆叠制成，随水流漂浮，水质信号采集单元，其设置在可移动式微型浮标底部，水质信号采集单元沉于水面下，用于采集水质数据、获取定位数据、及发送水质数据和定位数据，中央服务器，其与水质信号采集单元建立无线通信，获取实时水质数据及定位数据，计算得到水体实时的流速数据、流向数据及其水质数据变化数据，智能终端，其与中央服务器建立通信连接，用于接收水质数据、定位数据、流速数据、流向数据及水质数据变化数据，并进行动态展示，提高了监测系统的灵活性，实现了流域沿程的水质同步监测。

Description

一种同步监测水流和水质的浮动式系统

技术领域

本发明涉及水环境监测技术领域，具体是一种同步监测水流和水质的浮动式物联网系统。

背景技术

水质监测是指对水中化学物质，悬浮物，底泥和水生态系统进行统一的定时或不定时的，测定水中污染物的种类，浓度及变化趋势，评价水质状况等工作。其对于整个水环境保护，水污染控制以及维护水环境健康等方面起着至关重要的作用。

经过对水环境现状的调查研究发现，在河流，湖泊，河湾区域，污染源排放污染物对特定区域范围的水体产生影响，其影响程度与水体流动状况，沿程污染物衰减程度有关。现有方法为了判断特定区域是否可能受到污染影响，由于供电需求，系统相关设备结构复杂，往往在水体流动沿程设置监测站位，或采取固定于某一位置的大型浮标的形式，结合二维或三位模型进行分析。

然而，上述方法无法对沿程水质情况进行实时测量，加之浮标和监测站点等设备笨重庞大，操作难度大，无法随水流同步移动，无法对水体水质进行同步测量。本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提出了一种基于物联网技术的同步监测水流和水质的微型化浮动式系统。通过在可随水流同步移动的微型浮标上集成水质传感器，信号放大处理模块，中央控制器，以及多路通信模块和本地存储单元；同时整体系统采取低功耗设计，采取小型锂电池供电，避免了传统太阳能电池板及蓄电池供电形式所导致的系统过于庞大笨重的问题，从而实现了流域沿程实时同步水质监测。

发明内容

本发明提出了一种同步监测水流和水质的浮动式系统，由如下单元构成：

至少两个可移动式微型浮标，其主要由若干块大小不一的胶合板与泡沫塑料堆叠而成，并以螺钉固定，自顶向下胶合板和泡沫塑料的面积逐渐减小，这样的结构保证了浮标有一定的吃水深度，并大大增加浮标在水中的稳定性，同时在浮标顶部并排固定三根规格材木棍，木棍一端加工成弧形，用于保证浮标在水中能够随水流同步移动；

水质信号采集单元，其设置在所述可移动式微型浮标底部；所述水质信号采集单元沉于水面下，用于采集水质数据、获取定位数据、及发送所述水质数据和定位数据；设置有所述水质信号采集单元的可移动式微型浮标构成随水流流动的动态水质数据采集网络；

中央服务器，其与所述水质信号采集单元建立无线通信，获取实时水质数据及定位数据，计算得到水体实时的流速数据、流向数据及其水质数据变化数据；

智能终端，其与所述中央服务器建立通信连接，用于接收所述水质数据、所述定位数据、所述流速数据、所述流向数据及所述水质数据变化数据，并进行动态展示。

本发明提出的所述同步监测水流和水质的浮动式系统中，所述水质信号采集单元至少由以下模块组成：水质传感器、温度传感器、信号放大电路、中央处理单元、本地存储单元、无线自组网模块和定位通信模块；其中，所述水质传感器与所述温度传感器通过同轴接口连接至所述信号放大电路；所述信号放大电路的输出管脚通过插座和插针直接连接到所述中央处理单元进行模数转换与信号预处理，所述本地存储单元与所述中央处理单元通过导线相连，所述中央处理单元通过串口与所述无线自组网模块相连并进行数据交换，所述中央处理单元4通过另一串口与所述定位通信模块相连并进行数据交换。

本发明提出的所述同步监测水流和水质的浮动式系统中，所述水质信号采集单元集成化设置。

本发明提出的所述同步监测水流和水质的浮动式系统中，所述可移动式微型浮标的底部凿设有圆柱形孔，其中安装所述水质信号采集单元。

本发明提出的所述同步监测水流和水质的浮动式系统中，所述智能终端采用网站控制终端或便携式智能控制器。

本发明提出的所述同步监测水流和水质的浮动式系统中，所述水质信号采集单元进一步设有pH传感器、电导率传感器、溶解氧传感器浊度传感器或氨氮传感器。

本发明提出的所述同步监测水流和水质的浮动式系统中，所述无线自组网模块选用ZigBee组网模块，通过实现了ZigBee传输组建局域自组网以进行数据同步及分布式监测。

本发明提出的所述同步监测水流和水质的浮动式系统中，所述ZigBee组网模块利用智能调度机制，通过预设的采样周期和通信模式智能调度系统的休眠与唤醒以降低系统功耗。

本发明提出的所述同步监测水流和水质的浮动式系统中，所述定位通信模块选用GPS通信模块。

本发明提出的所述同步监测水流和水质的浮动式系统中，所述中央服务器进一步根据水体实时的流速数据、流向数据绘制流线图，并发送至所述智能终端显示。

与现有技术相比，本系统所达到的效果有：通过高度集成的低功耗微型水质信号采集单元，大大简化了传统监测设备的组成复杂度，实现了水质监测设备的微型化；通过将低功耗微型水质信号采集单元与微型可移动式微型浮标集成的方案实现了可随水流同步移动的浮动式系统，大大提高了监测系统的灵活性，实现了流域沿程的水质同步监测；通过超低功耗自组网的Zigbee通信协议与GPS卫星信号，GPRS通信协议的协同工作，定义了流域水质监测的物联网络，实现了流域水质的整体化监测；设计了Web终端和手机客户端，实现了用户远程对系统的定义，控制和数据查询。

附图说明

图1是本发明同步监测水流和水质的浮动式系统的结构示意图。

图2是水质信号采集单元组成设计图。

图3是可移动式微型浮标结构设计图。

图1-3中，1-水质传感器，2-温度传感器，3-信号放大电路，4-中央处理单元，5-本地存储单元，6-无线自组网模块，7-定位通信模块，8-水质信号采集单元，9-胶合板，10-胶合板，11-胶合板，12-泡沫塑料，13-胶合板，14-泡沫塑料，15-胶合板，16-板材，17-板材，18-板材。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

如图1所示，本发明提出一种基于物联网技术的同步监测水流和水质的低功耗微型浮动式系统，包括水质信号采集单元，可移动式微型浮标，中央服务器，和智能终端。水质信号采集单元8具有采集水质数据及无线传输的功能。可移动式微型浮标随水流漂浮，低于水面处设有水质信号采集单元8。多个水质信号采集单元8构成一个随水流流动的动态水质数据采集网络。中央服务器与水质信号采集单元8建立无线通信连接，获取实时水质数据。智能终端与中央服务器建立通信连接，用于控制和读取实时水质数据。

如图2所示，水质信号采集单元8至少由以下模块组成：水质传感器1、温度传感器2、信号放大电路3、中央处理单元4、本地存储单元5、无线自组网模块6、定位通信模块7，其中，水质传感器1的水质传感器电极组，包括pH电极，溶解氧电极，电导率电极和氨氮电极，电极搭配由待测环境决定。水质传感器1与温度传感器2通过同轴接口连接至信号放大电路3，信号放大电路3的输出管脚通过插座和插针直接连接到中央处理单元4进行模数转换与信号预处理，中央处理单元4包括一颗AT91SAM9X5控制器，外围电路，以及搭载一颗1GByte存储单元，电路结构如图3所示，中央处理单元4接受来自信号采集单元的电压信号，通过12bit模数转换器转换为数字信号，并在AT91SAM9X5控制器内进行数字信号处理，再经由多路通信模块进行局域网内数据共享并上传到互联网。AT91SAM9X5控制器同时将水质数据压缩处理并存储在节点的本地存储单元内，以每秒一次的取样率计算，本地存储单元5可存储243天的水质数据。本地存储单元5与中央处理单元4通过导线相连，中央处理单元4通过串口与无线自组网模块6相连并进行数据交换，中央处理单元4通过另一串口与定位通信模块7相连并进行数据交换。水质信号采集单元8进一步设有pH传感器、电导率传感器、溶解氧传感器浊度传感器、氨氮传感器等传感器。上述传感器均集成化设置，实现水质信号采集单元的高度集成化电路设计。

无线自组网模块6由一个CC2530Zigbee芯片以及外围电路构成。流域中所有可移动式微型浮标视为一个节点，通过ZigBee协议实现流域内节点自组网以及水质数据共享，组成动态实时水质数据采集网络，在该网络中，选取一个节点作为ZigBee协调器节点，其余节点视为ZigBee终端/路由。节点检测到的水质数据均通过协调器节点的通信模块上传到互联网数据库中，用户可通过智能终端实现远程控制监测系统功能。

本发明实施例中，水质信号采集单元均密封在圆柱形塑料外壳中，外壳高150mm，外壳直径Φ＝60mm，外壳壁厚3mm，信号采集电极组裸露在外，探头直接与待测水样接触，信号放大板长：25mm，宽15mm，高10mm，固定在信号采集电极组正上方，采用屏蔽线与电极组相连，信号放大电路3使用3×4排针与中央控制模块4(长：35mm，宽25mm，高10mm)相扣连接，中央控制模块4的另一端通过串口(VIN，GND，TXD，RXD)与无线自组网模块6及定位通信模块7(长：30mm，宽15mm，高10mm)相连。外壳整体固定在可移动式微型浮标底部，可以随浮标沿程流动。

可移动式微型浮标主要由若干块大小不一的胶合板与泡沫塑料堆叠而成，并以螺钉固定，胶合板易于加工具有一定的机械强度，泡沫塑料用于给浮标提供浮力，自顶向下胶合板和泡沫塑料的面积逐渐减小，这样的结构保证了浮标有一定的吃水深度，并大大增加浮标在水中的稳定性，在浮标底部胶合板中心凿开一个直径60mm，深度10mm的圆柱形孔，用于固定水质信号采集单元，同时在浮标顶部并排固定三根云杉-松木-冷杉规格材木棍，木棍一端加工成弧形，用于保证浮标在水中能够随水流同步移动。

智能终端采用网站控制终端以及便携式智能控制器。网站控制终端是指搭建在服务器上的系统控制终端，用户可通过口令登陆终端，在终端中，用户可以创建新监测网络，向现有的监测网络中添加或删除节点，查询现有监测网络的监测数据并智能生成报表，查看现有监测网络及其节点运行状态，设置现有监测网络的监测周期和监测参数等变量。便携式智能控制器是指在Android/IOS系统上编译的用于控制监测系统的软件。用户可通过智能手机客户端创建新监测网络，通过扫描二维码，向现有的监测网络中添加或删除节点，查询现有监测网络的监测数据并智能生成报表，查看现有监测网络及其节点运行状态，设置现有监测网络的监测周期和监测参数等变量。

本发明的水质信号采集单元8采用了低功耗中央控制器AT91SAM9X5，大大降低监测设备组成复杂度，减少了不必要的能耗，采用超低功耗，较高通讯范围的ZigBee通信协议作为监测网络组网方案。上述主要电路模块的功耗估算：信号采集单元的功耗为20mW，中央控制模块功耗为20mW，无线自组网模块6通信功耗为2mW，采集网络中单个节点的通信功耗为42mW，节点搭载5000mAh容量锂电池，以每秒一次的取样率计算，节点续航时间为33天。

以下结合图3，详细说明本发明中移动式浮标的结构。可移动式微型浮标主要由胶合板,泡沫塑料和云杉-松木-冷杉规格材组成，胶合板分别加工成椭圆状。椭圆的长轴和短轴的具体规格如下：

胶合板9：30cm×20cm；

胶合板10：40cm×30cm；

胶合板11：50cm×40cm；

泡沫塑料12：55cm×45cm；

胶合板13：60cm×50cm；

泡沫塑料14：65cm×55cm；

胶合板15：70cm×60cm；

板材16：71cm×8cm；

板材17：60cm×3cm；

板材18：60cm×3cm。

将胶合板15，泡沫塑料14，胶合板13，泡沫塑料12，胶合板11，胶合板10，胶合板9按顺序叠放，并以螺钉固定，在胶合板9底部凿开一个直径60mm，深度10mm的圆柱形孔，将水质信号采集单元8嵌入其中，将云杉-松木-冷杉规格材平行固定在胶合板15上，将两块胶合板的焦点固定在板材17和板材18上，胶合板长轴与板材的夹角为45°。

本发明中可移动式微型浮标采用胶合板和泡沫塑料的堆叠型设计，在保证了稳定性的基础上可以随水流同步移动，配合水质信号传感器1和定位通信模块7可以同步监测水流流向，流速与水体水质，中央服务器根据接收到的GPS定位数据和相应的时间戳即可计算出水流当前流向和水流平均流速，并可据此绘制出流线图。水质信号采集单元8采用了高度集成的电路设计，在保证监测稳定的基础上，实现了监测节点的微型化，方便在各种形式的浮标和工业设施上安装与使用。

依据本发明设计，在浙江省温州市瓯江支流油竹段(120.339648W,28.119995N)选取一个水流横截面，每隔2米投放一个如图3所示可移动式微型浮标。水质传感器1与温度传感器2将水质参数转化为电信号输出，由信号放大电路3处理并进行模数转换成电信号，该电信号在ARM中央处理单元中进行预处理并存储在本地存储单元5中，与此同时ARM中央处理单元向定位通信模块7定期发送一个采集指令，并根据定位通信模块7返回的位置信息和时间戳信息计算当前实时流向与流速，存储在本地存储单元5中，同时通过串口将水质信息和水流信息发送到定位通信模块7中并上传至中央服务器，并通过无线自组网模块6与沿线其余可移动式微型浮标进行信息同步，并传送给岸边的临时收发站。在网络服务器中，通过对数据库中收集的数据进行解析，归类，处理，可以绘制出河流流线水质分布图与河流截面水质分布图，据此可以在线实时准确地分析目标流域水质情况。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (10)

1.一种同步监测水流和水质的浮动式系统，其特征在于，由如下单元构成：

至少两个可移动式微型浮标，其采用胶合板和泡沫塑料的堆叠制成，随水流漂浮；

水质信号采集单元(8)，其设置在所述可移动式微型浮标底部；所述水质信号采集单元(8)沉于水面下，用于采集水质数据、获取定位数据、及发送所述水质数据和定位数据；设置有所述水质信号采集单元(8)的可移动式微型浮标构成随水流流动的动态水质数据采集网络；

中央服务器，其与所述水质信号采集单元(8)建立无线通信，获取实时水质数据及定位数据，计算得到水体实时的流速数据、流向数据及其水质数据变化数据；

智能终端，其与所述中央服务器建立通信连接，用于接收所述水质数据、所述定位数据、所述流速数据、所述流向数据及所述水质数据变化数据，并进行动态展示。

2.如权利要求1所述的同步监测水流和水质的浮动式系统，其特征在于，所述水质信号采集单元(8)至少由以下模块组成：水质传感器(1)、温度传感器(2)、信号放大电路(3)、中央处理单元(4)、本地存储单元(5)、无线自组网模块(6)和定位通信模块(7)；其中，所述水质传感器(1)与所述温度传感器(2)通过同轴接口连接至所述信号放大电路(3)；所述信号放大电路(3)的输出管脚通过插座和插针直接连接到所述中央处理单元(4)进行模数转换与信号预处理，所述本地存储单元(5)与所述中央处理单元(4)通过导线相连，所述中央处理单元(4)通过串口与所述无线自组网模块(6)相连并进行数据交换，所述中央处理单元4通过另一串口与所述定位通信模块(7)相连并进行数据交换。

3.如权利要求2所述的同步监测水流和水质的浮动式系统，其特征在于，所述水质信号采集单元(8)集成化设置。

4.如权利要求1所述的同步监测水流和水质的浮动式系统，其特征在于，所述可移动式微型浮标的底部凿设有圆柱形孔，其中安装所述水质信号采集单元(8)。

5.如权利要求1所述的同步检测水流和水质的浮动式系统，其特征在于，所述智能终端采用网站控制终端或便携式智能控制器。

6.如权利要求1所述的同步检测水流和水质的浮动式系统，其特征在于，所述水质信号采集单元(8)进一步设有pH传感器、电导率传感器、溶解氧传感器、浊度传感器或氨氮传感器。

7.如权利要求1所述的同步检测水流和水质的浮动式系统，其特征在于，所述无线自组网模块(6)选用ZigBee组网模块，通过实现了ZigBee传输组建局域自组网以进行数据同步及分布式监测。

8.如权利要求7所述的同步检测水流和水质的浮动式系统，其特征在于，所述ZigBee组网模块利用智能调度机制，通过预设的采样周期和通信模式智能调度系统的休眠与唤醒以降低系统功耗。

9.如权利要求1所述的同步检测水流和水质的浮动式系统，其特征在于，所述定位通信模块(7)选用GPS通信模块。

10.如权利要求1所述的同步检测水流和水质的浮动式系统，其特征在于，所述中央服务器进一步根据水体实时的流速数据、流向数据绘制流线图，并发送至所述智能终端显示。