CN107884533A - 一种无线智能水质监测设备及监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水质监测技术领域，且公开了一种无线智能水质监测设备及其系统。该无线智能水质监测设备包括：驱动机构、GPS模块、无线通信模块、电源模块、水质传感器模块和主控模块；所述监测系统包括节点层、网关层以及监控中心。本发明应用了基于NB‑IoT协议的无线通信部分，能够可靠性强、成本低的进行网络接入，网络结构简单，稳定性好。特别是本发明能够进一步前端监测设备的功耗，极大延长待机时间，减少更换电池的次数，特别适用于广域水体环境。本发明的前端设备还具有自身定位和自主位置调整功能，能够保持适当的监测采样点位置分布。本发明具备检测全面且信息传递较快的优点，解决了目前水质监测存在的问题。

Description

一种无线智能水质监测设备及监测系统

技术领域

本发明涉及水质监测技术领域，具体为一种无线智能水质监测设备及监测系统。

背景技术

水是生命之源，人类在生活和生产活动中都离不开水，生活饮用水源的水质优劣与人类健康密切相关。随着社会经济发展、科学进步和人民生活水平的提高，人们对生活饮用水的水质要求不断提高，对水源水质的监测手段也相应地不断发展和完善。另外，从保护自然生态的角度来说，也要加强水体水质监测，防范治理污染物排放。

传统的水质监测一般是在水边定点进行取样监测，存在严重的缺点，第一，无法全面的监测大面积的水域水质，第二，就是水质监测信息的传递、收集、汇总较为缓慢，无法做到较好的信息统一。

自动化水质监测手段基于传感器技术和通信技术建造一个监测中心和若干监测子站，监测中心与监测子站利用有线或者无线网络执行通信，监测子站可实现水质数据的实时有效的自动采集和传输，同时监测中心可以实时查询各监测子站的数据。由于有线网络铺设的制约条件多，因此监测大面积水域的水质一般会选择构建无线网络，实现监测数据的上报。

WSN是目前应用在水质监测当中的一种新兴的无线网络。WSN是将大量有感知能力、无线通信能力和计算能力的微型传感器节点采用规则或随机方式部署在监控区域，通过无线通信方式构成的自组织多跳的分布式网络。WSN的分布式网络通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点三大基本组成部分。部署在监测区域内的传感器节点通过自组织方式构成一个监测网络，将传感器节点获取的水质监测数据通过一定的路由方式集中到汇聚节点，汇聚节点通过互联网或其他网络转发数据到管理节点。除了采集物理量数据之外，传感器节点通常还需承担路由节点的功能，转发别的传感器节点需要发送的数据。WSN依赖短距离无线通信技术实现传感器节点之间的数据传输，包括红外通信(Infrared DataAssociation，IrDA)、蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等，其中ZigBee技术已经成为绝大多数WSN系统的首选。

但是，受到技术本身的制约，WSN系统仍然存在不适应大范围水质监测的缺陷。首先，传感器节点虽然具有低功耗、低成本的优点，但是相应的，信号传输距离有限，导致WSN网络中传感器节点必须较为密集的部署，而水质监测本身所需要的节点数量则是稀疏的，这就造成相对于水质监测的需求来说，WSN网络中不得不过剩配置传感器节点。第二，WSN网络的数据上传环节比较多，需要设置汇聚节点作为中继，在大范围水体的特殊环境下，相当数量的汇聚节点处于水面之上，一旦发生问题维修比较麻烦，若维修不及时又会造成部分水域的监测数据丢失。再者，WSN基于传感器节点之间的自组织而形成网络，而传感器节点难免随着水体波动而位置变化，由此导致网络拓扑结构频繁变化，数据传输路径不稳定，出错率高。另外，由于更新维护不方便，水质监测传感器节点的功耗希望得到进一步降低。

可见，针对自然水体的水质监测，仍然需要提出更为高效、可靠、低功耗、低成本的无线传输解决方案。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种无线智能水质监测设备，用于投放到自然水体中并传感水质状态。本发明还提供了以该无线智能水质监测设备为前端实现的一种无线智能水质监测系统。本发明应用了基于NB-IoT协议的无线通信部分，并具有低功耗设计,能够可靠性强、成本低的进行网络接入，网络结构简单，稳定性好。特别是本发明能够进一步前端监测设备的功耗，极大延长待机时间，减少更换电池的次数，特别适用于广域水体环境。本发明的前端设备还具有自身定位和自主位置调整功能，能够保持适当的监测采样点位置分布。本发明具备检测全面且信息传递较快的优点，解决了目前水质监测存在的问题。

(二)技术方案

为实现上述一种无线智能水质监测设备及监测系统的目的，本发明提供如下技术方案：

一种无线智能水质监测设备，包括：驱动机构、GPS模块、无线通信模块、电源模块、水质传感器模块和主控模块；所述驱动机构的驱动控制信号输入端与主控模块的驱动控制信号输出端电连接；所述主控模块的位置信息输入端与GPS模块的位置信息输出端电连接，所述主控模块的数据收发端与无线通信模块的数据收发端双向电连接；所述主控模块的采样信号输入端与水质传感器模块的采样信号输出端电连接；所述电源模块的第一供电输出端与主控模块的电源输入端电连接；所述电源模块的第二供电输出端与水质传感器模块、GPS模块、驱动机构和无线通信模块的电源输入端电连接；所述主控模块的电源控制端和电源模块的供电控制输入端电连接；其中

所述GPS模块用于定位监测本设备的位置信息，并且将该位置信息传递给主控模块；

所述水质传感器模块用于采样水质信号，并且将采样的水质信号转换为数字采样信号传输给主控模块；

所述主控模块用于根据所述位置信息控制所述驱动机构的动作，以调节本设备的位置；以及用于将所述水质传感器模块提供的数字采样信号封装为水质监测数据，并通过所述无线通信模块将所述水质监测数据上传到网关层；还用于控制所述电源模块对水质传感器模块、GPS模块、驱动机构和无线通信模块的供电的切断和恢复；

所述驱动机构用于在主控模块的控制下动作，调节本设备的位置，使本设备始终保持在预定的水体区域之内；

所述无线通信模块用于基于NB-IoT通信方式，实现本设备与网关层的无线数据上下行通信，将所述水质监测数据、位置信息上传到网关层，并且从网关层接收下行的监测水体区域范围指示；

所述电源模块通过所述第一供电输出端为所述主控模块供电，通过所述第二供电输出端用于为水质传感器模块、GPS模块、驱动机构和无线通信模块供电；并且根据主控模块的电源控制端对所述供电控制输入端输入的电平状态，控制所述第二供电输出端供电的切断和恢复。

优选的是，所述无线智能水质监测设备的外壳具有主机，主机的顶面上固定连接有天线，所述主机的外部固定连接有浮力阀，使本设备漂浮在水面上；所述主机的底部固定连接有连接块，该连接块用于安装所述驱动机构；所述驱动机构包括动力装置、转向机构以及流速传感器；所述连接块的外部套装有所述动力装置，所述动力装置的底部固定连接有所述转向机构，所述连接块贯穿到转向机构底部的一端固定连接传感舱，传感舱内安装有流速传感器；所述流速传感器检测本设备下方水体流速信息并传输给主控模块，所述主控模块根据该水体流速信息控制所述动力装置和转向机构的动作。

优选的，所述动力装置包括电机，所述电机输出轴的外部套装有螺旋桨；所述转向机构为空气阀，并且所述转向机构的侧面开设有通孔；所述转向机构与动力装置通过轴承套装在连接块的外部。

优选的，所述水质传感器模块包括水溶氧度传感器、PH值传感器、激光收发传感器、信号放大电路和A/D转换器，所述水溶氧度传感器、PH值传感器和激光收发传感器的输出端与信号放大电路的输入端电连接，所述信号放大电路的输出端与A/D转换器的输入端电连接；所述水溶氧度传感器、PH值传感器、激光收发传感器安装在所述传感舱内。

优选的是，所述电源模块包括主电池接口以及备用电池电路，所述主电池接口和备用电池电路均通过所述第一供电输出端输出供电；所述电源模块还包括对主电池电压进行采样的电池电压采样电路，且所述主控模块通过电池电压采样输入端获得电池电压采样电路的采样电压，以判断主电池电压状况；主控模块将主电池电压状况通过所述无线通信模块上传给网关层。

本发明提供了一种无线智能水质监测系统，其特征在于，包括：节点层、网关层和监控中心；

所述节点层包括若干个投放在自然水体中并且用于传感获得水质监测数据的无线智能水质监测节点；所述无线智能水质监测节点基于NB-IoT通信方式将所述水质监测数据、位置信息以及节点自身的主电池电压状况上传到网关层，以及获得网关层下行的监测水体区域范围指示；所述无线智能水质监测节点基于所述位置信息自主调节本节点的位置，使本节点始终保持在监测水体区域范围指示的水体区域范围之内；

网关层包括若干个智能网关，每个智能网关负责基于NB-IoT通信方式覆盖预定的水体区域范围；智能网关直接从分布在该水体区域范围内的全部无线智能水质监测节点接收基于NB-IoT通信方式无线上传的水质监测数据，并且将水质监测数据通过网络进一步上传至监控中心；智能网关还根据无线智能水质监测节点上传的主电池电压状况，判断每个节点主电池是否处于电量不足状态；若某个节点处在电量不足状态则将该节点的位置信息及其主电池电压状况上传给监控中心；所述智能网关还基于NB-IoT通信方式向该水体区域范围内的无线智能水质监测节点下行传输监测水体区域范围指示；

所述监控中心负责接收和保存各个智能网关上传的每个无线智能水质监测节点的水质监测数据，并根据全部节点上传的水质监测数据执行对水质环境的数据分析；所述监控中心还用于根据智能网关上传的表示某个节点电量不足状态的节点位置信息及其主电池电压状况，登记并显示节点电量不足提示。

优选的，所述智能网关包括NB-IoT基站和节点管理服务器；NB-IoT基站提供基于NB-IoT通信方式的无线信号覆盖，供无线智能水质监测节点接入本智能网关；所述节点管理服务器登记接入本智能网关的每个无线智能水质监测节点的节点ID和监测水体区域范围，并且实时记录每个节点的位置信息以及主电池电压状况；所述节点管理服务器通过网络连接至所述监控中心。

优选的是，所述节点管理服务器根据某个节点的位置信息，确定该节点偏离其监测水体区域范围时，通过所述NB-IoT基站向给节点下行传输监测水体区域范围指示。

优选的是，所述节点管理服务器根据某个节点的主电池电压状况，判断该节点主电池是否处于电量不足状态，若处在电量不足状态则将该节点的位置信息及其主电池电压状况上传给监控中心。

优选的是，所述智能网关在预定时间长度未收到登记接入本智能网关的某个无线智能水质监测节点上传的信息时，向水体区域范围与本智能网关相邻的其它智能网关广播该节点的节点ID和监测水体区域范围；所述其它智能网关查找本网关的节点管理服务器是否登记了该节点的节点ID，若登记了该节点ID则向该节点下行传输监测水体区域范围指示。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种无线智能水质监测设备及监测系统，具备以下有益效果：(1)该无线智能水质监测设备作为水质监测节点，基于NB-IoT协议实现与网关层的直接无线通信和上下行数据传输，相比WSN不需要复杂的网络自组织和中继，通信路径稳定，数据连接可靠性强，信号覆盖能力强，适用于范围广大的水域。(2)节点具有低功耗设计，各种功能模块在不执行其功能时切断电源，完全不消耗能量，极大延长待机时间，减少更换电池的次数。(3)具有自身定位和自主位置调整功能，当节点因水体波动而偏离预定的监测水域范围之时，能够进行有效的监测位置回复，从而保持适当的监测采样点位置分布。(4)具有多种类型的水质指标监测能力。基于本发明实现的监测系统，通过设置完备的基站蜂窝式网络覆盖、三层网络架构和节点控制机制，能够全方位的将水质信息进行检测、汇总和分析，利用NB-IoT技术达到了监测数据信息的可靠、简捷、实时传递，同时可以有效控制水质监测设备本身的状态，使得整个系统能够始终保持稳定和良好的水质监测能力。

附图说明

图1为本发明提出的一种无线智能水质监测设备机械结构示意图；

图2为本发明提出的一种无线智能水质监测设备动力装置结构示意图；

图3为本发明提出的一种无线智能水质监测设备转向结构示意图；

图4为本发明提出的一种无线智能水质监测设备电路结构示意图；

图5为本发明提出的一种无线智能水质监测设备水质传感模块结构示意图；

图6为本发明提出的一种无线智能水质监测设备电源模块电路结构示意图；

图7为本发明提出的一种无线智能水质监测设备系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供一种无线智能水质监测设备。该设备外壳具有主机2，主机2的顶面上固定连接有天线1。主机2的外部固定连接有浮力阀3，使本设备漂浮在水面上。主机2的底部固定连接有连接块4，该连接块4用于安装驱动机构；驱动机构包括动力装置5、转向机构6以及传感舱7。连接块4的外部套装有动力装置5，动力装置5的底部固定连接有转向机构6，连接块4贯穿到转向机构6底部的一端固定连接有传感舱7。动力装置5包括电机51，电机51输出轴的外部套装有螺旋桨52，通过电极51带动螺旋桨52转动，可以使本设备克服水流的推动而逆流前进。转向机构6为空气阀，转向机构6的侧面开设有通孔8，转向机构6与动力装置5二者固定焊接为一体且通过轴承9套装在连接块4的外部；从而，作为转向机构6的空气阀沿着通孔8对外喷出气体时，通过切向的反作用力带动转向机构6绕着轴承9转动，进而带动动力装置5绕着轴承9转动一定的角度，从而调节本设备的前进方向。传感舱7内部可以安装各种传感器，包括用于检测水流速度的流速传感器，还包括监测水质的各种传感器。

图4为本发明提出的该无线智能水质监测设备的电路结构示意图。该无线智能水质监测设备包括：驱动机构、GPS模块、无线通信模块、电源模块、水质传感器模块和主控模块。

其中，所述主控模块的位置信息输入端与GPS模块的位置信息输出端电连接，所述GPS模块用于定位监测本设备的位置信息，并且将该位置信息传递给主控模块。所述主控模块用于根据所述位置信息，判断本设备当前的实时位置是否处于本设备预定的监测水体区域范围，当本设备偏离监测水体区域范围，则控制所述驱动机构的动作，以调节本设备的位置。具体来说，所述驱动机构的驱动控制信号输入端与主控模块的驱动控制信号输出端电连接；驱动机构传感舱内的流速传感器检测本设备下方水体流速信息并传输给主控模块，所述主控模块根据该水体流速信息，通过输出驱动控制信号控制所述驱动机构的动力装置中电机的转速，以及转向机构的调节角度，以使得本设备受到的驱动力的方向和大小与水体流速相匹配，将本设备调节到符合监测水体区域范围的适当位置。

所述主控模块的采样信号输入端与水质传感器模块的采样信号输出端电连接。所述水质传感器模块用于采样水质信号，并且将采样的水质信号转换为数字采样信号传输给主控模块。如图5所示，水质传感器模块包括水溶氧度传感器、PH值传感器、激光收发传感器、信号放大电路和A/D转换器，所述水溶氧度传感器、PH值传感器和激光收发传感器的输出端与信号放大电路的输入端电连接，所述信号放大电路的输出端与A/D转换器的输入端电连接。所述水溶氧度传感器、PH值传感器、激光收发传感器均安装在所述传感舱内。PH值传感器用于监测水体PH值；水溶氧度传感器用监测水体溶氧度；激光收发传感器用于监测水透明度。A/D转换器将上述传感器的采样信号转换为数字采样信号，经采样信号输出端提供至主控模块。主控模块用于将所述水质传感器模块提供的数字采样信号封装为水质监测数据。

主控模块的数据收发端与无线通信模块的数据收发端双向电连接。主控模块通过所述无线通信模块，将所述水质监测数据和所述位置信息上传到网关层，并且从网关层接收下行的监测水体区域范围指示，该指示以位置坐标的形式表示出本节点负责的监测水体区域范围。所述无线通信模块用于基于NB-IoT通信方式，实现本设备与网关层的无线数据上下行通信。NB-IoT是一种窄带蜂窝通信技术，作为一项应用于低速率业务中的技术，NB-IoT的优势在于以下方面：(1)超强的接入能力：在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数；一个扇区能够支持10万个连接。(2)高覆盖：NB-IoT信号覆盖能力强，比LTE提升20dB增益，相当于提升了100倍覆盖区域能力，对于地下室等对深度覆盖有要求的应用同样适用。(3)低功耗：NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用，因此NB-IoT设备功耗可以做到非常小，设备续航时间可以从过去的几个月大幅提升到几年。(4)低成本：NB-IoT无需重新建网，射频和天线基本上都是复用的，低速率、低功耗、低带宽同样给NB-IoT芯片以及模块带来低成本优势。无线通信模块用于基于NB-IoT通信实现与网关层的数据上下行传输。

所述电源模块的第一供电输出端与主控模块的电源输入端电连接；所述电源模块的第二供电输出端与水质传感器模块、GPS模块、驱动机构和无线通信模块的电源输入端电连接；所述主控模块的电源控制端和电源模块的供电控制输入端电连接。所述电源模块通过所述第一供电输出端为所述主控模块供电，通过所述第二供电输出端用于为水质传感器模块、GPS模块、驱动机构和无线通信模块供电；并且根据主控模块的电源控制端对所述供电控制输入端输入的电平状态，控制所述第二供电输出端供电的切断和恢复。所述电源模块包括主电池接口以及备用电池电路，所述主电池接口和备用电池电路均通过所述第一供电输出端输出供电；所述电源模块还包括对主电池电压进行采样的电池电压采样电路，且所述主控模块通过电池电压采样输入端获得电池电压采样电路的采样电压，以判断主电池电压状况；主控模块将主电池电压状况通过所述无线通信模块上传给网关层。如图6所示，电源模块具体包括主电池接口1501、电池电压采样电路1502、备用电池电路1503、第一稳压电源模块1504以及第二稳压电源模块1505。主电池接口1501作为本智能插座的主电源。三极管Q101、电阻R102、R103构成对主电池电压进行采样的电压采样电路1502，主控模块通过采样控制引脚连接三极管Q101的栅极，控制其导通时执行电压采样；采样电压信号输入至主控模块的电池电压采样输入端，以供主控模块判断主电池是否处于欠压状态。主控模块将主电池电压状况通过所述无线通信模块上传给网关层。主控模块利用采样控制引脚来控制电池电压采样电路1502的工作与否，可以配置电压检测的时间间隔，不必时时检测，不检测时不对电压检测电路供电，从而节约了功耗。第一稳压电源模块1504和第二稳压电源模块1505均采用TPS70933型稳压芯片。其中第一稳压电源模块1504的电源输入端IN连接所述主电池接口1501，获得主电源的供电，输出端OUT连接至第一供电输出端V33，该第一供电输出端V33连接主控模块的电源输入端，为该主控模块提供稳压电源。备用电池电路1503包括备用电池E2和二级管D102，备用电池E2为钮扣电池，正常情况下二极管D102两端为反向电压，该二级管D102断开，从而将备用电池与稳压电源模块隔离；而在主电池不能正常工作时，D102两端导通，E2为本设备提供工作电压；备用电池电路1503的输出端连接至该第一供电输出端V33。第二稳压电源模块1505的电源输入端IN连接所述第一供电输出端V33，获得供电，输出端OUT连接至第二供电输出端V33-2，该第二供电输出端V33-2连接水质传感器模块、GPS模块、驱动机构和无线通信模块的电源输入端。并且，第二稳压电源模块1505的使能端EN作为供电控制输入端，连接主控模块的电源控制端；当电源控制端使使能端EN输入电平为0时，V33-2输出电压也为0；当电源控制端使使能端EN输入电平为1时，V33-2正常输出供电电压；从而，主控模块可以通过其电源控制端来控制第二稳压电源模块1505导通或切断供电。当需要水质传感器模块、GPS模块、驱动机构和无线通信模块这些功能部件工作时，则控制第二稳压电源模块1505执行供电；而当不需要这些功能部件工作时，就控制第二稳压电源模块1505切断供电。例如，当需要上行传输数据时，主控模块通过电源控制端控制第二稳压电源模块1505为无线通信模块导通供电，待无线通信模块启动后执行与网关层的NB-IoT上行通信。在执行完上行数据传输之后，无线通信模块继续进行下行通信，从网关层接收数据，从而完成一个通信周期。通信周期结束之后，在不执行数据传输时，主控模块控制第二稳压电源模块1505断开供电，使无线通信模块处于断电状态，最大程度节约了电能消耗。

以上述无线智能水质监测设备为前端节点，本发明进而提供了一种无线智能水质监测系统。请参阅图7，该系统包括节点层、网关层和监控中心。

所述节点层包括N个投放在自然水体中并且用于传感获得水质监测数据的无线智能水质监测节点，图7中表示为N1-Nn，每个节点均采用一个上述无线智能水质监测设备。所述无线智能水质监测节点基于NB-IoT通信方式将所述水质监测数据、位置信息以及节点自身的主电池电压状况上传到网关层，以及获得网关层下行的监测水体区域范围指示。所述无线智能水质监测节点基于本节点的实时位置信息，自主调节本节点的位置，使本节点始终保持在监测水体区域范围指示的水体区域范围之内。

网关层包括若干个智能网关，每个智能网关负责基于NB-IoT通信方式覆盖预定的水体区域范围。智能网关直接从分布在该水体区域范围内的全部无线智能水质监测节点接收基于NB-IoT通信方式无线上传的水质监测数据，并且将水质监测数据通过网络进一步上传至监控中心。智能网关还根据无线智能水质监测节点上传的主电池电压状况，判断每个节点主电池是否处于电量不足状态；若某个节点处在电量不足状态则将该节点的位置信息及其主电池电压状况上传给监控中心。所述智能网关还基于NB-IoT通信方式向该水体区域范围内的无线智能水质监测节点下行传输监测水体区域范围指示，以便供各个节点克服水体波动而修正自身位置。具体来说，如图7，所述智能网关包括NB-IoT基站和节点管理服务器。NB-IoT基站提供基于NB-IoT通信方式的无线信号覆盖，供无线智能水质监测节点接入本智能网关。所述节点管理服务器登记接入本智能网关的每个无线智能水质监测节点的节点ID和监测水体区域范围，并且实时记录每个节点的位置信息以及主电池电压状况。所述节点管理服务器通过网络连接至所述监控中心。所述节点管理服务器根据某个节点的位置信息，确定该节点偏离其监测水体区域范围时，通过所述NB-IoT基站向给节点下行传输监测水体区域范围指示，指示该节点按照监测水体区域范围来修正自身位置。所述节点管理服务器还根据某个节点的主电池电压状况，判断该节点主电池是否处于电量不足状态，若处在电量不足状态则将该节点的位置信息及其主电池电压状况上传给监控中心。如果所述智能网关在预定时间长度未收到登记接入本智能网关的某个无线智能水质监测节点上传的信息时，向水体区域范围与本智能网关相邻的其它智能网关广播该节点的节点ID和监测水体区域范围；所述其它智能网关查找本网关的节点管理服务器是否登记了该节点的节点ID，若登记了该节点ID则向该节点下行传输监测水体区域范围指示。因为对于处于某个智能网关覆盖的水体区域范围边缘的节点，极有可能随着水体波动而漂流到其他智能网关的覆盖水体范围，因此，可以按照上述方式，使得进入相邻智能网关覆盖区域的节点回归其原本的监测水体区域范围。

所述监控中心负责接收和保存各个智能网关上传的每个无线智能水质监测节点的水质监测数据，并根据全部节点上传的水质监测数据执行对水质环境的数据分析。所述监控中心还用于根据智能网关上传的表示某个节点电量不足状态的节点位置信息及其主电池电压状况，登记并显示节点电量不足提示，以便供管理人员定期赴水域去更新节点电池。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种无线智能水质监测设备，包括：驱动机构、GPS模块、无线通信模块、电源模块、水质传感器模块和主控模块；所述驱动机构的驱动控制信号输入端与主控模块的驱动控制信号输出端电连接；所述主控模块的位置信息输入端与GPS模块的位置信息输出端电连接，所述主控模块的数据收发端与无线通信模块的数据收发端双向电连接；所述主控模块的采样信号输入端与水质传感器模块的采样信号输出端电连接；所述电源模块的第一供电输出端与主控模块的电源输入端电连接；所述电源模块的第二供电输出端与水质传感器模块、GPS模块、驱动机构和无线通信模块的电源输入端电连接；所述主控模块的电源控制端和电源模块的供电控制输入端电连接；其中

所述GPS模块用于定位监测本设备的位置信息，并且将该位置信息传递给主控模块；

所述水质传感器模块用于采样水质信号，并且将采样的水质信号转换为数字采样信号传输给主控模块；

所述主控模块用于根据所述位置信息控制所述驱动机构的动作，以调节本设备的位置；以及用于将所述水质传感器模块提供的数字采样信号封装为水质监测数据，并通过所述无线通信模块将所述水质监测数据上传到网关层；还用于控制所述电源模块对水质传感器模块、GPS模块、驱动机构和无线通信模块的供电的切断和恢复；

所述驱动机构用于在主控模块的控制下动作，调节本设备的位置，使本设备始终保持在预定的水体区域之内；

所述无线通信模块用于基于NB-IoT通信方式，实现本设备与网关层的无线数据上下行通信，将所述水质监测数据、位置信息上传到网关层，并且从网关层接收下行的监测水体区域范围指示；

所述电源模块通过所述第一供电输出端为所述主控模块供电，通过所述第二供电输出端用于为水质传感器模块、GPS模块、驱动机构和无线通信模块供电；并且根据主控模块的电源控制端对所述供电控制输入端输入的电平状态，控制所述第二供电输出端供电的切断和恢复。

2.根据权利要求1所述的一种无线智能水质监测设备，其特征在于：所述无线智能水质监测设备的外壳具有主机，主机的顶面上固定连接有天线，所述主机的外部固定连接有浮力阀，使本设备漂浮在水面上；所述主机的底部固定连接有连接块，该连接块用于安装所述驱动机构；所述驱动机构包括动力装置、转向机构以及流速传感器；所述连接块的外部套装有所述动力装置，所述动力装置的底部固定连接有所述转向机构，所述连接块贯穿到转向机构底部的一端固定连接传感舱，传感舱内安装有流速传感器；所述流速传感器检测本设备下方水体流速信息并传输给主控模块，所述主控模块根据该水体流速信息控制所述动力装置和转向机构的动作。

3.根据权利要求2所述的一种无线智能水质监测设备，其特征在于：所述动力装置包括电机，所述电机输出轴的外部套装有螺旋桨；所述转向机构为空气阀，并且所述转向机构的侧面开设有通孔；所述转向机构与动力装置通过轴承套装在连接块的外部。

4.根据权利要求3所述的一种无线智能水质监测设备，其特征在于：所述水质传感器模块包括水溶氧度传感器、PH值传感器、激光收发传感器、信号放大电路和A/D转换器，所述水溶氧度传感器、PH值传感器和激光收发传感器的输出端与信号放大电路的输入端电连接，所述信号放大电路的输出端与A/D转换器的输入端电连接；所述水溶氧度传感器、PH值传感器、激光收发传感器安装在所述传感舱内。

5.根据权利要求4所述的一种无线智能水质监测设备，其特征在于：所述电源模块包括主电池接口以及备用电池电路，所述主电池接口和备用电池电路均通过所述第一供电输出端输出供电；所述电源模块还包括对主电池电压进行采样的电池电压采样电路，且所述主控模块通过电池电压采样输入端获得电池电压采样电路的采样电压，以判断主电池电压状况；主控模块将主电池电压状况通过所述无线通信模块上传给网关层。

6.一种无线智能水质监测系统，其特征在于：包括节点层、网关层和监控中心；

所述节点层包括若干个投放在自然水体中并且用于传感获得水质监测数据的无线智能水质监测节点；所述无线智能水质监测节点基于NB-IoT通信方式将所述水质监测数据、位置信息以及节点自身的主电池电压状况上传到网关层，以及获得网关层下行的监测水体区域范围指示；所述无线智能水质监测节点基于所述位置信息自主调节本节点的位置，使本节点始终保持在监测水体区域范围指示的水体区域范围之内；

网关层包括若干个智能网关，每个智能网关负责基于NB-IoT通信方式覆盖预定的水体区域范围；智能网关直接从分布在该水体区域范围内的全部无线智能水质监测节点接收基于NB-IoT通信方式无线上传的水质监测数据，并且将水质监测数据通过网络进一步上传至监控中心；智能网关还根据无线智能水质监测节点上传的主电池电压状况，判断每个节点主电池是否处于电量不足状态；若某个节点处在电量不足状态则将该节点的位置信息及其主电池电压状况上传给监控中心；所述智能网关还基于NB-IoT通信方式向该水体区域范围内的无线智能水质监测节点下行传输监测水体区域范围指示；

所述监控中心负责接收和保存各个智能网关上传的每个无线智能水质监测节点的水质监测数据，并根据全部节点上传的水质监测数据执行对水质环境的数据分析；所述监控中心还用于根据智能网关上传的表示某个节点电量不足状态的节点位置信息及其主电池电压状况，登记并显示节点电量不足提示。

7.根据权利要求6所述的一种无线智能水质监测系统，其特征在于：所述智能网关包括NB-IoT基站和节点管理服务器；NB-IoT基站提供基于NB-IoT通信方式的无线信号覆盖，供无线智能水质监测节点接入本智能网关；所述节点管理服务器登记接入本智能网关的每个无线智能水质监测节点的节点ID和监测水体区域范围，并且实时记录每个节点的位置信息以及主电池电压状况；所述节点管理服务器通过网络连接至所述监控中心。

8.根据权利要求7所述的一种无线智能水质监测系统，其特征在于：所述节点管理服务器根据某个节点的位置信息，确定该节点偏离其监测水体区域范围时，通过所述NB-IoT基站向给节点下行传输监测水体区域范围指示。

9.根据权利要求8所述的一种无线智能水质监测系统，其特征在于：所述节点管理服务器根据某个节点的主电池电压状况，判断该节点主电池是否处于电量不足状态，若处在电量不足状态则将该节点的位置信息及其主电池电压状况上传给监控中心。

10.根据权利要求9所述的一种无线智能水质监测系统，其特征在于：所述智能网关在预定时间长度未收到登记接入本智能网关的某个无线智能水质监测节点上传的信息时，向水体区域范围与本智能网关相邻的其它智能网关广播该节点的节点ID和监测水体区域范围；所述其它智能网关查找本网关的节点管理服务器是否登记了该节点的节点ID，若登记了该节点ID则向该节点下行传输监测水体区域范围指示。