CN106404074A - 一种基于gps的无线水质集成监测网络 - Google Patents

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邹强
苏奇
顾天宇
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Abstract

本发明涉及一种基于GPS的无线水质集成监测网络，由若干个水质集成监测装置构成，其中一个作为主传感器节点，其他为次传感器节点；每个水质集成监测装置包括供电模块、中央控制模块、无线通信模块、PH值采集模块、电极保养模块、清水采集模块和传感器模块；传感器模块包括海水浊度传感器22、海水盐度传感器23、海水温度传感器24和海水溶解氧传感器25，传感器模块采集的信息被送入中心控制模块；主传感器节点的无线通信模块包括GPS模块和zigbee模块，次传感器节点的无线通信模块仅包括zigbee模块，各个传感器节点经由Zigbee自组网。本发明可以长期监测大片水域。

Description

一种基于GPS的无线水质集成监测网络
技术领域
该发明涉及海水水质监测领域，尤其涉及对装置中PH复合电极的清洁保养与水质传感器的集成及基于GPS系统的自组网监测方式。
背景技术
21世纪人类正面临着人口、资源、环境、发展等问题的严峻考验，PRED问题越来越备受人类关注，寻找新的发展空间已经成为各国政府和科学家面临的重大课题。鉴于陆地资源的开发利用日趋极限及陆地生存环境的日益恶化，加上传统的海洋资源丰富理念，人类社会逐渐从陆地回归到海洋，目的是将解决人类社会生产生存发展的问题的希望寄托于海洋。海洋因此也将成为人类赖以生存与发展的空间。海洋资源的开发利用的前提是要对海洋环境的全方位认知与监测，海洋水质监测是其中的关键点之一。
海水水质监测需监测海水表层温度、盐度、PH值、溶解氧、浊度等的数据。PH值是海水水质监测过程中是最重要的指标之一，然而，现有PH复合电极如果长时间浸泡在海水中，电极前端玻璃球泡表面容易被海水中的杂质覆盖，堵塞氢离子通道，会影响对海水PH值数据采集的准确性。其他传感器均不需要定期清洗与保养。
现有海洋水质集成监测装置存在以下问题：第一，无法同时集成上述所有传感器装置，造成对海洋水质的监测不够全面；第二，海洋监测数据无法需要通过有线方式传输至作业船只，降低了装置的使用灵活性。
所以一种基于GPS系统的便携型水质集成监测装置显得尤为必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种支远距离准确传输数据的水质集成监测网络，以满足海洋环境水质长期远距离监测的需要。本发明的技术方案如下：
一种基于GPS的无线水质集成监测网络，由若干个水质集成监测装置构成，其中一个作为主传感器节点，其他为次传感器节点；
每个水质集成监测装置包括包括供电模块、中央控制模块、无线通信模块、PH值采集模块、电极保养模块、清水采集模块和传感器模块，其中，
PH值采集模块包括机械臂1、固定于机械臂1前端的PH复合电极22、待测溶液池12、进样水泵11、排样水泵10、冲洗水泵19，其中，进样水泵11用于将海水抽吸入待测溶液池12，排样水泵10用于将海水排出待测液体池12；机械臂1用于将PH复合电极22置于待测液体池12内或将其抬高，PH复合电极22测得PH值传输至中央控制模块，在中央控制模块的控制下，冲洗水泵抽吸抽吸清水并对抬高的PH复合电极22进行清洗，经过清洗的PH复合电极22被移至电极保养模块的KCL标准样液池8中；
电极保养模块，包括带有电磁阀门的KCL补充液容器21、浊度传感器7、KCL标准样液池8、排污水泵9，浊度传感器7用于检测KCL标准样液池8内的标准样液受污染程度，中心控制模块在浊度达到阈值时，控制排污水泵9工作，排出KCL标准样液池8内废液，位于KCL标准样液池8上方的KCL补充液容器21底部的电磁阀门开启，释放KCL补充液。
清水采集模块包括导热硅胶16、蓄海水池17、蓄清水池18、液位计13、进水泵14、调节水泵15和冷凝板20，进水泵14用于抽吸海水进入蓄海水池17；导热硅胶16的主体作为蓄海水池17的侧壁，与其内海水直接接触；导热硅胶16用于吸收热量；蓄海水池17的上部斜向固定有冷凝板20，冷凝板20将蒸发的海水凝结为液体，并将凝结的液体引流入蓄清水池18中；液位计13用于监测蓄清水池18内水量，其采集的信息被送入中心控制模块，中心控制模块在清水量达到最大阈值后，控制调节水泵15开启，释放海水，不再进行蒸发冷凝，；当清水达到最小阈值，控制进水泵14工作；
传感器模块包括海水浊度传感器22、海水盐度传感器23、海水温度传感器24和海水溶解氧传感器25，传感器模块采集的信息被送入中心控制模块；
供电模块包括充电接口2和蓄电池4，通过充电接口2为蓄电池4充电，保证整个系统的供能；
主传感器节点的无线通信模块包括GPS模块和zigbee模块，次传感器节点的无线通信模块仅包括zigbee模块，各个传感器节点经由Zigbee自组网，并通过位于主传感器节点上的GPS模块传输到陆地上的地面接收基站30。
附图说明
图1为作为主传感器节点的传感器装置箱体的剖面图
图2为PH复合电极清洁与保养的细节图
图3为GPS数据传输示意图
图4为PH复合电极装置的原理框图
图5为PH复合电极装置工作全过程的流程图
1、机械臂；2、充电接口；3、ZigBee通信模块；4、中央控制模块；5、蓄电池；6、泡沫；7、浊度传感器；8、KCL标准样液池；9、10、11、14、15、19、均为水泵(未画出水管)；12、待测液体池13、液位计；16、导热硅胶；17、蓄海水池；18、蓄清水池；20、金属制成的冷凝板；21、带有电磁阀门的KCL补充液容器；22、PH复合电极；23、盐度传感器；24、温度传感器；25、浊度传感器；26、溶解氧传感器；27、GPS模块；28、PH复合电极装置网络；29、GPS卫星；30、地面接收基站
具体实施方式
本发明的PH值监测网络，由若干个独立工作的PH复合电极装置组成，包括主传感器节点和次传感器节点，图1是作为主传感器节点的PH复合电极装置的结构示意图，包括供电模块，中央控制模块，PH值采集模块、电极保养模块、集成传感器模块(不含PH值)、清水采集模块和无线通信模块。下面将结合附图对本发明的具体实施方式进一步详细说明。
如图1，供电模块包括充电接口2和蓄电池4。通过充电接口2为蓄电池4充电，保证整个系统的供能。需采集海水PH值数据时，由作业船只携带其到待测海域，将改装置放入海中对海水PH进行监测。监测作业完成后，由作业船只将PH复合电极装置收回，为装置进行再次充电以备下次使用。
如图1所示，PH值采集模块包括机械臂1、PH复合电极22、待测溶液池12、水泵10、水泵11、水泵19。PH复合电极22由机械臂1控制进入待测液体池12，水泵11工作，海水进入待测液体池12，测得PH值传输至中央控制模块5。水泵10工作，排出海水。机械臂1将PH复合电极抬高，水泵19工作，引出清水冲洗复合电极。机械臂1再将PH复合电极22移至KCL标准样液池8中。完成对PH值的采集和PH复合电极的保养。
如图1，集成传感器模块(不含PH值)包括盐度传感器23、温度传感器24、浊度传感器25、溶解氧传感器26。盐度传感器23、温度传感器24、浊度传感器25、溶解氧传感器26安装在装置底部，暴露于海水中，实时采集海水的盐度、温度、浊度、溶解氧数据。
如图1所示，通信模块包括ZigBee通信模块3和数据传输天线27，该模块获取PH值采集模块和集成传感器模块所采集的海水数据后，将收集的数据保存在Zigbee通信模块3中，随后经数据传输天线27发送到监测人员处，实现海水PH值的实时数据传输。
如图2，为电极保养模块细节图，包括带有电磁阀门的KCL补充液容器21、浊度传感器7、KCL标准样液池8、水泵9。海水中含微生物，水藻，工业废液等杂质，浊度传感器7即可检测标准样液受污染程度。浊度达到阈值时，KCL标准液已被污染，须更换。水泵9工作，排出废液。KCL补充液容器21底部的电磁阀门开启，释放KCL补充液。实现了KCL标准液的更新。
如图1，右侧清水采集模块包括导热硅胶16、蓄海水池17、蓄清水池18、液位计13、水泵14、水泵15和冷凝板20。水泵14工作，海水进入蓄海水池17。导热硅胶16收集顶部太阳照射带来的热量并传导至蓄海水池17，海水蒸发，遇冷凝板20凝结为液体，由于冷凝板20倾斜，具有引流作用，凝结的清水流入蓄清水池18中。液位计13监测水量，清水量达到最大阈值后，水泵15开启，释放海水，不再进行蒸发冷凝，确保海水不会在箱体内结晶和污染。当清水达到最小阈值，水泵14工作，重复上述过程。
如图3，在指定监测海域上有若干个独立工作的PH传感器装置，包括主传感器节点和次传感器节点，共同组成PH复合电极装置网络。次传感器节点不具有GPS模块，主传感器节点具有GPS模块。次传感器节点将采集的数据通过zigbee自组网的方式，传输至主节点，再由GPS卫星传递技术将数据直接传输到太空中的卫星中，最终发送到位于陆地上的地面接收基站30，以便研究所人员进行数据分析。
如图4和图5所示，各个PH复合电极装置通过充电接口为供电模块提供电能，中央控制模块控制机械臂运作，利用PH复合电极收集待测海域PH值信息，将信息通过中央控制模块进行处理，并存储于数据存储模块中；利用浊度传感器和液位计收集数据，上传至中央控制模块分析KCL标准样液污染度和清水量是否达到阈值，并控制水泵和电磁阀门及时做出反应，完成了清水的自动采集和KCL溶液的自动更换，实现PH复合电极装置的自动清洗与保养。在待测海域内，若干个上述独立工作的PH复合电极装置经由Zigbee自组网并通过主传感器的GPS模块传输到陆地上的地面接收基站30以供分析。

Claims (1)

1.一种基于GPS的无线水质集成监测网络，由若干个水质集成监测装置构成，其中一个作为主传感器节点，其他为次传感器节点；
每个水质集成监测装置包括包括供电模块、中央控制模块、无线通信模块、PH值采集模块、电极保养模块、清水采集模块和传感器模块，其中，
PH值采集模块包括机械臂(1)、固定于机械臂(1)前端的PH复合电极(22)、待测溶液池(12)、进样水泵(11)、排样水泵(10)、冲洗水泵(19)，其中，进样水泵(11)用于将海水抽吸入待测溶液池(12)，排样水泵(10)用于将海水排出待测液体池(12)；机械臂(1)用于将PH复合电极(22)置于待测液体池(12)内或将其抬高，PH复合电极(22)测得PH值传输至中央控制模块，在中央控制模块的控制下，冲洗水泵抽吸抽吸清水并对抬高的PH复合电极(22)进行清洗，经过清洗的PH复合电极(22)被移至电极保养模块的KCL标准样液池(8)中；
电极保养模块，包括带有电磁阀门的KCL补充液容器(21)、浊度传感器(7)、KCL标准样液池(8)、排污水泵(9)，浊度传感器(7)用于检测KCL标准样液池(8)内的标准样液受污染程度，中心控制模块在浊度达到阈值时，控制排污水泵(9)工作，排出KCL标准样液池(8)内废液，位于KCL标准样液池(8)上方的KCL补充液容器(21)底部的电磁阀门开启，释放KCL补充液。
清水采集模块包括导热硅胶(16)、蓄海水池(17)、蓄清水池(18)、液位计(13)、进水泵(14)、调节水泵(15)和冷凝板(20)，进水泵(14)用于抽吸海水进入蓄海水池(17)；导热硅胶(16)的主体作为蓄海水池(17)的侧壁，与其内海水直接接触；导热硅胶(16)用于吸收热量；蓄海水池(17)的上部斜向固定有冷凝板(20)，冷凝板(20)将蒸发的海水凝结为液体，并将凝结的液体引流入蓄清水池(18)中；液位计(13)用于监测蓄清水池(18)内水量，其采集的信息被送入中心控制模块，中心控制模块在清水量达到最大阈值后，控制调节水泵(15)开启，释放海水，不再进行蒸发冷凝，；当清水达到最小阈值，控制进水泵(14)工作；
传感器模块包括海水浊度传感器(22)、海水盐度传感器(23)、海水温度传感器(24)和海水溶解氧传感器(25)，传感器模块采集的信息被送入中心控制模块；
供电模块包括充电接口(2)和蓄电池(4)，通过充电接口(2)为蓄电池(4)充电，保证整个系统的供能；
主传感器节点的无线通信模块包括GPS模块和zigbee模块，次传感器节点的无线通信模块仅包括zigbee模块，各个传感器节点经由Zigbee自组网，并通过位于主传感器节点上的GPS模块传输到陆地上的地面接收基站(30)。
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