CN106124717A - 一种基于蜂窝状优化组网方式的海洋水质实时监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于蜂窝状优化组网方式的海洋水质实时监测装置，包括监测中心、主传感器节点和次传感器节点，次传感器节点所在区域被划分为一个个正六边形区域，主传感器节点位于每个正六边形区域中心，每个传感器节点，包括主传感器节点和次传感器节点，均包括pH值传感器模块、浊度传感器模块、温度传感器模块、主控芯片和无线通讯模块。pH值传感器模块包括PH计主体(1)和与其相连的电极球泡(3)，在PH计主体(1)连接有电极球泡(3)的一端设置有超声波辐射平板(4)和超声波单元(2)，超声波辐射平板(4)位于电极球泡周围。本发明可节约系统成本，保证传感器装置可以长期稳定工作。

Description

一种基于蜂窝状优化组网方式的海洋水质实时监测装置

技术领域

该发明涉及海洋水质实时监测领域，尤其涉及海洋水质实时监测装置。

背景技术

人类及其日益发展的技术，给海洋环境和海洋资源带来了巨大的冲击，反过来海洋污染又对海洋生物资源、工业用水质量和人类自身的健康造成日益严重的威胁。海洋污染的特点是：污染源广，污染物质种类多，影响范围大，危害深远，控制复杂，治理难度大，赤潮是海水污染造成的典型事例。人类无节制地向海洋排放、倾倒废弃物是目前赤潮时有发生的主要原因。

为了更好的对海洋环境污染进行监测，同时对海洋环境污染事件能够提前预警，众多研究机构与公司致力于海洋水质监测技术的探索。目前，海洋水质监测技术主要利用传感器技术、无线通讯技术和微电子技术等实现对海水水质的快速检测，在单点海水无线实时监测的基础上，为了完成对一定区域范围内海水的全面监测，又发展出了无线自组网实时监测技术。当众多的传感器装置利用其携带的有限电能分布于监测区域内时，如何组网才能最大限度节省传感器装置电池电量也就成为一个重要课题。

另外，在海水的环境下，传感器装置能否长期稳定工作是装置能否广泛应用的重要前提。作为传感器部分的重要组成，pH计前端球泡却极易被海水中的微生物和其他污染物所附着而失效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以节省主传感器节点配置，并能使得各个传感器节点可以长期稳定工作的海洋水质实时监测装置。本发明的技术方案如下：

一种基于蜂窝状优化组网方式的海洋水质实时监测装置，包括监测中心、主传感器节点和次传感器节点，次传感器节点在行列方向上均呈直线排布，间距相等。其特征在于，众多次传感器节点所在区域被划分为一个个正六边形区域，正六边形区域平行对边的距离为传感器节点最大传输距离的两倍，主传感器节点位于每个正六边形区域中心，在主传感器节点辐射范围内的次传感器节点均能够将采集到的信息传送给主传感器节点；

每个传感器节点，包括主传感器节点和次传感器节点，均包括pH值传感器模块、浊度传感器模块、温度传感器模块、主控芯片和无线通讯模块，其中，

浊度传感器利用浸入海水表面的浊度传感器采集海水的浊度信息；温度传感器模块利用温度传感器采集海水表面的温度信息；pH值传感器模块采集海水pH值，各个传感器采集的数据被送入主控芯片；

所述的pH值传感器模块包括PH计主体(1)和与其相连的电极球泡(3)，在PH计主体(1)连接有电极球泡(3)的一端设置有超声波辐射平板(4)和超声波单元(2)，超声波辐射平板(4)位于电极球泡周围，用于使得超声波单元(2)生成的超声波在电极球泡(3)表面附近形成震荡。

本发明的海洋水质实时监测装置，优化组网方案，使众多传感器节点以蜂窝状优化方案组网，利用较少的节点即可实现对相同面积水域的水质进行全面监测，从而节约系统成本，提高经济效益。同时，通过对现有pH计进行改进，使其具有自清洁功能，保证传感器装置可以长期稳定工作。

附图说明

图1是本发明采用的传感器节点的电路原理框图；

图2是pH值传感器的结构示意图；

图3是pH值传感器的局部放大示意图；

图4是传统传感器节点组网方案示意图；

图5是本发明的传感器节点组网方案示意图。

1pH计主体；2超声波单元；3电极球泡；4超声波辐射平板；5常规矩形组网方式中主传感器节点；6常规矩形组网方式中主传感器节点的辐射范围；7常规矩形组网方式中次传感器节点；8蜂窝状组网方式中主传感器节点；9蜂窝状组网方式中主传感器节点的辐射范围；6蜂窝状组网方式中次传感器节点

具体实施方式

图1是一个传感器节点的电路原理框图。包括pH值传感器模块、浊度传感器模块、温度传感器模块、信号放大电路、AD转换电路、存储单元、主控芯片、稳压电路、无线通讯模块、稳压电路和电源；

传感器节点采集水质信息并通过无线信号向外传输；浊度传感器模块通过浊度传感器将浊度数据传回控制主板；温度传感器模块通过温度传感器将环境温度数据传回控制主板；信号放大电路可以采集传感器模块产生的微弱信号并加以放大和滤波，输出至AD转换电路将模拟信号转换为数字信号；主控芯片接收到AD转换电路传输的数字信号后，将数据存储在存储单元中；电源通过稳压电路为主控芯片提供电能；无线通讯模块可以接收其他节点传来的信息和发送本传感器装置采集到的信息。

图2为pH值传感器模块，即pH计，的结构示意图，pH计包括pH计主体1、超声波单元2、电极球泡3和超声波辐射平板4。pH计主体1内部为含饱和AgCl的3mol/L kcl缓冲溶液，pH值为4。正常情况下，待测溶液中的H离子可以通过电极球泡3进入到pH计主体1内部，pH计主体1内部的电极会检测到电位变化，从而得出待测溶液的pH值。当电极球泡3表面被待测溶液污染时，H离子通道会被堵塞，pH计便检测不到电位变化，即无法正确检测pH值。

本发明在pH计主体1靠近电极球泡3的位置固定有超声波单元2。超声波单元2包括超声波发生器和超声波换能器，本发明采用的发射超声波的辐射天线为平板天线，由两个相对的平板构成，称之为辐射平板4。超声波发生器包括振荡器、电源、放大器和匹配器。超声波发生器用来产生超声频电能，在超声波发生器中，振荡器产生一定频率的信号，放大器将其放大到一定功率输出，通过匹配器进行阻抗匹配并通过功放输出，每个传感器节点的信号发射和接收最大距离为150米。

参见图3，超声波单元2产生超声波信号，并通过超声波辐射平板4的发射，对电极球泡3表面附近的溶液进行震荡，使其球泡3表面的污染物脱离，释放H离子通道，使pH计恢复灵敏。

图4所示为常规矩形传感器组网方式，次传感器节点在行列方向上均呈直线排布，间距相等。众多次传感器被划分为一个个正方形区域，正方形区域的边长为传感器节点最大传输距离的两倍。位于每个正方形区域中的主传感器节点的辐射半径为150米，在主传感器节点辐射范围内的次传感器节点都可以将采集到的信息传送给主传感器节点，最终由主传感器节点直接将信息一并传送给监测中心(主机)。根据理论计算可以得知主节点的辐射范围占正方形区域的比例为78％，即约有78％的次传感器节点可以将信息传输给最近的主传感器节点，该种组网方式的有效率为78％。

图5所示为本发明采用的蜂窝状传感器组网方式，次传感器节点在行列方向上均呈直线排布，间距相等。众多次传感器被划分为一个个正六边形区域，正六边形区域平行对边的距离为传感器节点最大传输距离的两倍。位于每个正六边形区域中的主传感器节点的辐射半径为150米，在主传感器节点辐射范围内的次传感器节点都可以将采集到的信息传送给主传感器节点，最终由主传感器节点直接将信息一并传送给监测中心(主机)。根据理论计算可以得知主节点的辐射范围占正方形区域的比例为91％，即约有91％的次传感器节点可以将信息传输给最近的主传感器节点，该种组网方式的有效率为91％。

Claims (1)

1.一种基于蜂窝状优化组网方式的海洋水质实时监测装置，包括监测中心、主传感器节点和次传感器节点，次传感器节点在行列方向上均呈直线排布，间距相等。其特征在于，众多次传感器节点所在区域被划分为一个个正六边形区域，正六边形区域平行对边的距离为传感器节点最大传输距离的两倍，主传感器节点位于每个正六边形区域中心，在主传感器节点辐射范围内的次传感器节点均能够将采集到的信息传送给主传感器节点；

每个传感器节点，包括主传感器节点和次传感器节点，均包括pH值传感器模块、浊度传感器模块、温度传感器模块、主控芯片和无线通讯模块，其中，

浊度传感器利用浸入海水表面的浊度传感器采集海水的浊度信息；温度传感器模块利用温度传感器采集海水表面的温度信息；pH值传感器模块采集海水pH值，各个传感器采集的数据被送入主控芯片；

所述的pH值传感器模块包括PH计主体(1)和与其相连的电极球泡(3)，在PH计主体(1)连接有电极球泡(3)的一端设置有超声波辐射平板(4)和超声波单元(2)，超声波辐射平板(4)位于电极球泡周围，用于使得超声波单元(2)生成的超声波在电极球泡(3)表面附近形成震荡。