CN108033565B - 基于植物技术的全自动水生态改良装置 - Google Patents

Abstract

基于植物技术的全自动水生态改良装置，包括沼气池、蓄电池组及沼气发电机，所述沼气池包括进料口及出气口，该沼气池出气口与沼气发电机供气连接，所述沼气发电机与蓄电池组供电连接，所述基于植物技术的全自动水生态改良装置还包括圈养笼、河道防塞机构及自动采集机构。可以科学有效的控制圈养笼内的植物数量，将过剩的植物周期性的送入沼气池。产生的电力则供给蓄电池组进行电能储存，以备它用，形成了过剩植物的环保利用，沼气池中的残渣可以作为肥料、饲料等用途，本发明的设置不仅处理了污水，而且实现了河道水生态的有益改良，并通过高度自动化的设置，节省了大量人力物力。

Description

基于植物技术的全自动水生态改良装置

技术领域

本发明涉及污水处理装置，具体涉及一种基于植物技术的全自动水生态改良装置。

背景技术

近年来，建设水生态文明，加强湖河管理，绿水青山就是金山银山的理念愈发深入人心，如何科学有效、绿色环保、可持续地治理污水成了一道技术难关。

随着城镇化进展持续发展，城市规模快速扩张，新的小城镇不断涌现，给市政污水处理带来很大难题。

由于我国人口数量大，居住集中，对环境的压力大，使得水生态系统的环境容量小，对以养分原素如N、P等物质的输入比较敏感。

针对市政污水二级处理厂出水的深度处理技术和成本要求高、小城镇的市政污水处理难的问题，国内外已经开展了大量的研究，其中，人工湿地技术被认为是一种低成本、高效的市政污水处理系统，被联合国所推荐。限制该技术普及的一个很大原因在于，该技术主要依靠湿地植物及土壤微生物的作用净化污水中的氮，并通过植物吸收和沉淀作用除磷，这些过程依赖于当地气候条件；另外，对于表面流型人工湿地，易滋生蚊蝇等问题；而对于潜流型人工湿地，则易导致堵塞。我国在人工湿地方面也开展了大量的研究，并建立了一些示范性的人工湿地系统，并曾对浮床技术-一种利用浮材承载植物，使植物漂浮在污水水面，利用植物的吸收和根表微生物净化污水的技术-进行过大量的研究，对以上问题有一定程度的克服，但是，如何克服气候条件的限制，提高湿地系统的净化效率方面，仍报道的较少。基于湿地技术的市政污水净化系统周年运行效果差，效率低。另一方面，湿地植物的生长是污水中营养盐高效去除的重要机制，因此如何处理大量生长收获的湿地植物体，也是限制湿地系统的一大因素。我国研究者试图通过利用经济作物水培模式，引市政污水作为水培营养源，实现污水的净化和资源化相结合，解决如何处理大量生长收获的湿地植物体的问题。其中，被广泛采用的主要是黑麦草，但是，以市政污水为营养源水培的农产品供应市场，即使不存在污染物超标问题，在消费者心理上往往也难以接受，该途径并未真正走通。陆生植物相对于水生植物生长量的不足，也使得陆生植物在处理效率方面不如水生植物。而湿地植物，尤其是如水葫芦、水浮莲这些植物，对营养盐浓度需求低，生长迅速，是一种理想的营养盐吸收去除植物，但是也正由于生长迅速，植物体处理难，更担心流入环境而被人们有意回避。

由此可见，利用植物特性治理污水是一种成本低廉、节约能源、效益较高的简便易行方法，但由于植物生长迅速，泛滥成灾，需要花费大量人力资源成本去打捞、处理过剩的植物，导致矫枉过正。

因此如何有效的控制植物生长，将植物控制在安全数量之内，防止流入环境，对过剩植物进行有益转用，减少成本，取长补短，才能真正实现绿色科学、可持续地污水净化。

发明内容

本发明为了解决上述技术的不足，提供了一种可以有效的控制植物生长，将植物控制在安全数量之内，防止流入环境，对过剩植物进行有益转用。

本发明的技术方案：基于植物技术的全自动水生态改良装置，包括沼气池、蓄电池组及沼气发电机，所述沼气池包括进料口及出气口，该沼气池出气口与沼气发电机供气连接，所述沼气发电机与蓄电池组供电连接，其特征在于：所述基于植物技术的全自动水生态改良装置还包括圈养笼及自动采集机构，所述圈养笼包括主框体及滤网，所述主框体包括竖直朝向水底的底端、竖直朝上的开口端及侧面，所述开口端上设有圈养槽，所述侧面设有联通至圈养槽内的流道，所述滤网形状与流道截面形状相适配，该滤网设置于流道内阻止植物种子随水流扩散出圈养槽；

所述自动采集机构包括第一超声波传感器、第二超声波传感器、轨道及挖掘机器人，所述轨道设于河道岸边与圈养笼呈平行设置，该轨道距离圈养笼的距离为固定值X，所述沼气池平行设置于轨道相对圈养笼的另一侧，该沼气池进料口与轨道的距离为-X，所述第一超声波传感器呈朝向圈养笼状态设置于挖掘机器人上，所述第二超声波传感器呈朝向沼气池状态设置于挖掘机器人上；所述挖掘机器人包括车体、旋转升降机械臂，所述旋转升降机械臂固定设置与车体上做旋转、升降运动，该机械臂臂长为X，所述机械臂远离车体的末端设有铲斗，所述铲斗斗底设有漏水孔；

所述车体上设有轨道轮、驱动模块、电源模块、控制模块，该车体通过轨道轮设于轨道上且初始位置位于沼气池处，所述驱动模块与轨道轮旋转连接，所述电源模块为驱动模块及旋转升降机械臂供电，所述控制模块分别与驱动模块、旋转升降机械臂、第一超声波传感器及第二超声波传感器信号连接，该控制模块根据第二超声波传感器检测到沼气池的信号，控制驱动模块驱使车体沿轨道朝圈养笼做正向移动，所述车体移动至圈养笼位置时，所述控制模块根据第一超声波传感器检测到圈养笼的信号，控制车体停止及控制旋转升降臂带动铲斗进入圈养槽挖掘过剩植物，待旋转升降机械臂运作完毕，所述控制模块控制驱动模块驱使车体沿轨道朝沼气池做反向移动，该车体移动至沼气池位置时，所述控制模块根据第二超声波传感器第二次检测到沼气池的信号，控制车体停止及控制旋转升降臂带动铲斗将过剩植物送入沼气池进料口。

采用上述技术方案，水葫芦(water hyacinth)水葫芦又称凤眼莲(Eichhorniacrassipes)或凤眼兰，水葫芦的繁殖方式分有机性和无机性两种，以无性为主。依靠匍匐枝与母株分离这种方式，在最适合条件下，水葫芦的植株数量在5天内可以增加一倍，可见繁殖速度很快。水葫芦的一株花穗可产生300多粒种子，种子很小，千粒重为0.4克左右，枣核状，黄褐色；种子沉积水下污泥中可存活5～20年。

水葫芦是漂浮型水生植物，叶柄具有气囊结构，可以将空气中吸收的氧气不断通过自身组织向水体中的根系输送而不致死亡，显现出具有较强的耐污能力，从而起到净化污水的作用。水葫芦的生命力旺盛，繁殖力强，是已知植物中生长繁殖最快的物种之一，其长势凶猛，呈几何级数增长。旭以无性生殖方式繁殖，在90天内一株凤眼莲可繁衍出大约25万棵幼株，在200天其种群可达340多万株，每天每平方米可生长干物质1.6～29克。

因此，本发明首先通过设置的圈养笼，使得水葫芦等植物困于圈养腔内生长，河道内的污水通过圈养笼侧面的流道进出圈养腔，圈养腔内的植物可有有效吸收河道的污染物质，一公顷水葫芦能将800人排放的氮、磷元素当天吸收掉，水葫芦还能从污水中除去镉、铅、汞、铊、银、钴、锶等重金属元素，起到了可靠的治水功效。而且因为圈养腔的设置，使得水葫芦等植物的生长被限制在一个相对封闭的空间里，水葫芦的种子、幼株无法脱离圈养笼，扩散到其他地方，防止了泛滥成灾的途经。

设置的自动采集机构能够将在圈养腔内疯狂生长的水葫芦，进行定期自动清理，利用圈养笼和轨道呈平行设置，轨道距离圈养笼的距离为固定值X，沼气池进料口与轨道的距离为-X，这样设置使得挖掘机器人可以通过一个长度为X的机械臂，进行旋转运动，就能将铲斗送到圈养笼或沼气池的位置处，操作简洁。

通过设置的第一超声波传感器、第二超声波传感器，超声波传感器由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。超声波距离传感器可以广泛应用在物位(液位)监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便，防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射夹角较大的探头。使得车体在移动过程中，带动第一超声波传感器、第二超声波传感器移动，只要第一超声波传感器、第二超声波传感器检测到物体，就能得到回馈信号，控制模块得到第一超声波传感器、第二超声波传感器的信号，就能进行预先设置好的运动程序。模块控制模块可以采用单片机，单片机(Microcontrollers)是一种集成电路芯片，是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(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。

驱动模块可以采用伺服电机，通过伺服电机与轨道轮联动配合并与控制模块信号连接，实现控制轨道轮正转反向。

例如车体初始位置位于沼气池处时，控制模块根据第二超声波传感器检测到沼气池的信号，控制驱动模块驱使车体沿轨道朝圈养笼做正向移动，所述车体移动至圈养笼位置时，所述控制模块根据第一超声波传感器检测到圈养笼的信号，控制车体停止及控制旋转升降臂带动铲斗进入圈养槽挖掘过剩植物，待旋转升降机械臂运作完毕，所述控制模块控制驱动模块驱使车体沿轨道朝沼气池做反向移动，该车体移动至沼气池位置时，所述控制模块根据第二超声波传感器第二次检测到沼气池的信号，控制车体停止及控制旋转升降臂带动铲斗将过剩植物送入沼气池进料口。

然后可以通过控制模块的运行程序可以根据水葫芦生长周期设定一个延时值，每隔一段时间启动一次运行程序，就能实现自动清理过剩植物，省去了大量人力成本的浪费。

而且可以科学有效的控制圈养笼内的植物数量，将过剩的植物周期性的送入沼气池，有机物质在沼气池的厌氧环境中，在一定的温度、湿度、酸碱度的条件下，通过微生物发酵作用，产生的可燃气体——沼气，沼气通过沼气池出气口供气给沼气发电机，经脱硫器由贮气罐供给燃气发电机组，从而驱动与沼气内燃机相连接的发电机而产生电力。

产生的电力则供给蓄电池组进行电能储存，以备它用，形成了过剩植物的环保利用，沼气池中的残渣可以作为肥料、饲料等用途，本发明的设置不仅处理了污水，而且实现了河道水生态的有益改良，并通过高度自动化的设置，节省了大量人力物力。

本发明的进一步设置：所述基于植物技术的全自动水生态改良装置还包括河道防塞机构，所述河道防塞机构包括基座、水轮、第一连杆及第二连杆，所述基座设于河道上，所述水轮与河道液体流向呈平行设置并与基座旋转连接，所述水轮一部分浸没于河道液体中由河道液体驱动水轮旋转，所述基座上沿竖直方向设有滑动槽，所述圈养笼与滑动槽呈滑动配合，所述第一连杆沿径向设置于水轮朝向圈养笼一侧的端面上，该第一连杆包括活动端及固定端，所述固定端与水轮圆心处固定连接随水轮旋转，所述圈养笼对应滑动槽内两侧壁之间的中点处设有铰接座，该铰接座的铰接点与所述中点重合，所述第二连杆一端与铰接座旋转连接，另一端与第一连杆活动端旋转连接，所述水轮、第一连杆、第二连杆及铰接座形成曲柄滑块运动，驱动圈养笼沿着滑动槽做竖直方向往复移动，所述圈养笼沿滑动槽竖直方向移动时包括竖直最高点及竖直最低点，所述圈养笼位于竖直最高点位置时底端脱离河道液面，所述圈养笼位于竖直最低点位置时开口端高于河道液面。

采用上述技术方案，在富营养的水体，富营养化可造成表层水溶解氧处于饱各状态，水面以下其溶解氧逐渐递减可接近0，而且水葫芦的疯狂生长导致水面堵塞，水面与水底无法交流，导致了水底生物、植物缺氧死亡，这也是水葫芦等植物的重要危害之一。

本发明通过设置的河道防塞机构，利用河道液体流动的力量驱动水轮旋转，通过设置的第一连杆、第二连杆及基座上的滑动槽，使得水轮与圈养笼之间形成曲柄滑块运动，驱使动圈养笼沿着滑动槽做竖直方向往复移动，搅动水葫芦养殖处的液体，使得该处水面液体能够水道液体交互，形成良性循环，均衡河道溶解氧含量，而且这样的搅动设置，还可以加速水体的流动，防止蚊虫滋生。因为圈养笼的设置，水葫芦的养殖区只占河道一部分，其他区域的水流是正常流通的，将水流设置在正常流通处，利用正常水流带动养殖区的水流，节能环保。还可以调节第一连杆、第二连杆的长度变化调节水轮与圈养笼之间的传动比，控制搅动幅度。圈养笼位于竖直最低点位置时开口端高于河道液面，防止圈养腔内植物因为浮力从圈养笼中脱离。

本发明的进一步设置：所述河道防塞机构还包括步进电机，该步进电机与蓄电池组供电连接并与水轮旋转配合，所述步进电机驱动水轮旋转。

采用上述技术方案，通过设置步进电机，可以在水道流体推力不足时，可以使用步进电机控制水轮旋转，而步进电机采用的是沼气池产生的电能。

本发明的进一步设置，所述河道防塞机构还包括水下射流气爆机，该水下射流气爆机包括潜水泵及喷嘴，所述潜水泵设置于河道液面以下包括进水口及出水口，所述喷嘴与出水口联通并沿河道液体流向对应延伸至水轮浸没部位处，该喷嘴引导潜水泵产生的高速水流喷射于水轮浸没部位，驱动水轮旋转，所述蓄电池组与潜水泵供电连接。

采用上述技术方案，通过设置的水下射流气爆机，通过潜水泵产生的水流经过喷嘴形成高速水流，在喷嘴周围形成负压吸入空气，经混合室与水流混合，在喇叭形的扩散管内产生水气混合流，高速喷射而出，夹带许多气泡的水流在较大面积和深度的水域内涡旋搅拌，完成曝气，并且其轴功率不随潜没深度的变化而变化，可以调节进气量。而且利用喷嘴引导潜水泵产生的高速水流顺着河道流向喷射于水轮浸没部位，可以曝气撕裂水面让氧气与水体接触溶氧的同时推动水轮旋转。水下射流气爆机采用的是沼气池产生的电能。

本发明的进一步设置：所述旋转升降机械臂包括旋转台、气缸升降柱、水平方向滑轨、铲斗座、铲斗座驱动气缸、第一伺服电机及第二伺服电机，所述旋转台水平设置于车体竖直方向顶端端面并与车体旋转配合，该旋转台圆周套设有同步从动齿轮，所述车体旋转设置有主动齿轮与同步从动齿轮啮合，所述第一伺服电机与主动齿轮联动配合驱动旋转台旋转，该第一伺服电机与控制模块信号连接，所述气缸升降柱底端竖直固定设置于旋转台圆心处，该气缸升降柱的顶端固定设置有水平方向滑轨，所述铲斗座设置于水平方向滑轨内做滑动配合，所述铲斗座驱动气缸驱动铲斗座沿水平方向滑轨移动，所述铲斗与铲斗座铰接配合，所述气缸升降柱、铲斗座驱动气缸包括电磁阀，所述第二伺服电机与铲斗联动配合并驱动铲斗围绕铲斗座翻转，所述电源模块分别与气缸升降柱及铲斗座驱动气缸的电磁阀、第一伺服电机、第二伺服电机供电连接，所述控制模块分别与气缸升降柱及铲斗座驱动气缸的电磁阀、第一伺服电机及第二伺服电机信号连接。

采用上述技术方案，主动齿轮与第一伺服电机控制、驱动同步从动齿轮旋转，实现旋转台的带动铲斗的旋转动作，升降座气缸通过电磁阀与控制面板、电源模块的连接配合，实现控制、驱动升降柱气缸带动铲斗升降动作，铲斗座驱动气缸通过电磁阀与控制面板、电源模块的连接配合，实现控制、驱动铲斗的水平方向移动动作，通过第二伺服电机控制铲斗围绕铲斗座翻转实现铲斗的挖掘动作，这样设置的旋转升降机械臂灵活可控，可以根据控制模块的程序命令进行多种动作。

电磁阀(Electromagnetic valve)是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。

电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔连接不同的气管，腔中间是活塞，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来开启或关闭不同的排气孔，而进气孔是常开的，气体就会进入不同的排气管，然后通过气的压力来推动气缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置。这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。

本发明的进一步设置：所述车体对应停留于沼气池旁的初始位置处设有无线充电座，该无线充电座包括无线充电器，所述无线充电器与蓄电池组供电连接，所述车体电源模块包括蓄电池及与蓄电池电连接的无线充电接收器。

采用上述技术方案，无线充电的方式有电磁感应式、磁共振、电场耦合式和无线电波传输等方式，现在市场上无线充电大多采用的是电磁感应原理。

电磁感应式无线充电，当电源的电流通过线圈(无线充电器的送电线圈)会产生磁场，其他未通电的线圈(把手端的受电线圈)靠近该磁场就会产生电流，为充电电池充电。这样设置，在车体停留时间，利用无线充电座为车体电源模块进行充电，免去了人工充电的操作，形成了自动充电。

本发明的进一步设置：所述无线充电座上对应挖掘机器人形状设有防雨罩。

采用上述技术方案，在植物生长周期内，初始位置是挖掘机器人没用运作停留时间最长的地方，设置防雨罩可以保护挖掘机器人免收风雨侵扰。

本发明的进一步设置：所述河道沿轨道方向设置有若干个圈养笼。

采用上述技术方案，沿轨道方向设置有若干个圈养笼，可以形成规模化养殖，而挖掘机器人依然只用一台，通过改变运行程序指令，让挖掘机器人逐一挖掘每个圈养笼内的过剩植物。增加沼气池的沼气量。.

本发明的进一步设置：所述控制模块包括单片机。

本发明的进一步设置：所述驱动模块包括第三伺服电机，该第三伺服电机与轨道轮联动配合，所述第三伺服电机分别与电源模块电连接及与控制模块信号连接。

附图说明

图1为本发明实施例的结构图；

图2为本发明实施例的结构图2；

图3为本发明实施例的挖掘机器人的结构图1；

图4为本发明实施例的河道防塞机构的结构图；

图5为本发明实施例的挖掘机器人的结构图2。

具体实施方式

如图1-5所示，基于植物技术的全自动水生态改良装置，包括沼气池11、蓄电池411组12及沼气发电机13，所述沼气池11包括进料口111及出气口112，该沼气池11出气口112与沼气发电机13供气连接，所述沼气发电机13与蓄电池411组12供电连接，所述基于植物技术的全自动水生态改良装置还包括圈养笼2及自动采集机构3，所述圈养笼2包括主框体21及滤网22，所述主框体21包括竖直朝向水底的底端、竖直朝上的开口端23及侧面，所述开口端23上设有圈养槽231，所述侧面设有联通至圈养槽231内的流道24，所述滤网22形状与流道24截面形状相适配，该滤网22设置于流道24内阻止植物种子随水流扩散出圈养槽231；

所述自动采集机构3包括第一超声波传感器31、第二超声波传感器32、轨道5及挖掘机器人4，所述轨道5设于河道岸边与圈养笼2呈平行设置，该轨道5距离圈养笼2的距离为固定值X，所述沼气池11平行设置于轨道5相对圈养笼2的另一侧，该沼气池11进料口111与轨道5的距离为-X，所述第一超声波传感器31呈朝向圈养笼2状态设置于挖掘机器人4上，所述第二超声波传感器32呈朝向沼气池11状态设置于挖掘机器人4上；所述挖掘机器人4包括车体41、旋转升降机械臂6，所述旋转升降机械臂6固定设置与车体41上做旋转、升降运动，该机械臂臂长为X，所述机械臂远离车体41的末端设有铲斗7，所述铲斗7斗底设有漏水孔71；

所述车体41上设有轨道轮42、驱动模块、电源模块、控制模块，该车体41通过轨道轮42设于轨道5上且初始位置位于沼气池11处，所述驱动模块与轨道轮42旋转连接，所述电源模块为驱动模块及旋转升降机械臂6供电，所述控制模块分别与驱动模块、旋转升降机械臂6、第一超声波传感器31及第二超声波传感器32信号连接，该控制模块根据第二超声波传感器32检测到沼气池11的信号，控制驱动模块驱使车体41沿轨道5朝圈养笼2做正向移动，所述车体41移动至圈养笼2位置时，所述控制模块根据第一超声波传感器31检测到圈养笼2的信号，控制车体41停止及控制旋转升降臂带动铲斗7进入圈养槽231挖掘过剩植物，待旋转升降机械臂6运作完毕，所述控制模块控制驱动模块驱使车体41沿轨道5朝沼气池11做反向移动，该车体41移动至沼气池11位置时，所述控制模块根据第二超声波传感器32第二次检测到沼气池11的信号，控制车体41停止及控制旋转升降臂带动铲斗7将过剩植物送入沼气池11进料口111。

水葫芦(water hyacinth)水葫芦又称凤眼莲(Eichhornia crassipes)或凤眼兰，水葫芦的繁殖方式分有机性和无机性两种，以无性为主。依靠匍匐枝与母株分离这种方式，在最适合条件下，水葫芦的植株数量在5天内可以增加一倍，可见繁殖速度很快。水葫芦的一株花穗可产生300多粒种子，种子很小，千粒重为0.4克左右，枣核状，黄褐色；种子沉积水下污泥中可存活5～20年。

水葫芦是漂浮型水生植物，叶柄具有气囊结构，可以将空气中吸收的氧气不断通过自身组织向水体中的根系输送而不致死亡，显现出具有较强的耐污能力，从而起到净化污水的作用。水葫芦的生命力旺盛，繁殖力强，是已知植物中生长繁殖最快的物种之一，其长势凶猛，呈几何级数增长。旭以无性生殖方式繁殖，在90天内一株凤眼莲可繁衍出大约25万棵幼株，在200天其种群可达340多万株，每天每平方米可生长干物质1.6～29克。

因此，本发明首先通过设置的圈养笼2，使得水葫芦等植物困于圈养腔内生长，河道内的污水通过圈养笼2侧面的流道24进出圈养腔，圈养腔内的植物可有有效吸收河道的污染物质，一公顷水葫芦能将800人排放的氮、磷元素当天吸收掉，水葫芦还能从污水中除去镉、铅、汞、铊、银、钴、锶等重金属元素，起到了可靠的治水功效。而且因为圈养腔的设置，使得水葫芦等植物的生长被限制在一个相对封闭的空间里，水葫芦的种子、幼株无法脱离圈养笼2，扩散到其他地方，防止了泛滥成灾的途经。

设置的自动采集机构3能够将在圈养腔内疯狂生长的水葫芦，进行定期自动清理，利用圈养笼2和轨道5呈平行设置，轨道5距离圈养笼2的距离为固定值X，沼气池11进料口111与轨道5的距离为-X，这样设置使得挖掘机器人4可以通过一个长度为X的机械臂，进行旋转运动，就能将铲斗7送到圈养笼2或沼气池11的位置处，操作简洁。

通过设置的第一超声波传感器31、第二超声波传感器32，超声波传感器由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。超声波距离传感器可以广泛应用在物位(液位)监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便，防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射夹角较大的探头。使得车体41在移动过程中，带动第一超声波传感器31、第二超声波传感器32移动，只要第一超声波传感器31、第二超声波传感器32检测到物体，就能得到回馈信号，控制模块得到第一超声波传感器31、第二超声波传感器32的信号，就能进行预先设置好的运动程序。模块控制模块可以采用单片机413，单片机413(Microcontrollers)是一种集成电路芯片，是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(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。

驱动模块可以采用伺服电机，通过伺服电机与轨道轮42联动配合并与控制模块信号连接，实现控制轨道轮42正转反向。

例如车体41初始位置位于沼气池11处时，控制模块根据第二超声波传感器32检测到沼气池11的信号，控制驱动模块驱使车体41沿轨道5朝圈养笼2做正向移动，所述车体41移动至圈养笼2位置时，所述控制模块根据第一超声波传感器31检测到圈养笼2的信号，控制车体41停止及控制旋转升降臂带动铲斗7进入圈养槽231挖掘过剩植物，待旋转升降机械臂6运作完毕，所述控制模块控制驱动模块驱使车体41沿轨道5朝沼气池11做反向移动，该车体41移动至沼气池11位置时，所述控制模块根据第二超声波传感器32第二次检测到沼气池11的信号，控制车体41停止及控制旋转升降臂带动铲斗7将过剩植物送入沼气池11进料口111。

然后可以通过控制模块的运行程序可以根据水葫芦生长周期设定一个延时值，每隔一段时间启动一次运行程序，就能实现自动清理过剩植物，省去了大量人力成本的浪费。

而且可以科学有效的控制圈养笼2内的植物数量，将过剩的植物周期性的送入沼气池11，有机物质在沼气池11的厌氧环境中，在一定的温度、湿度、酸碱度的条件下，通过微生物发酵作用，产生的可燃气体——沼气，沼气通过沼气池11出气口112供气给沼气发电机13，经脱硫器由贮气罐供给燃气发电机组，从而驱动与沼气内燃机相连接的发电机而产生电力。

产生的电力则供给蓄电池411组12进行电能储存，以备它用，形成了过剩植物的环保利用，沼气池11中的残渣可以作为肥料、饲料等用途，本发明的设置不仅处理了污水，而且实现了河道水生态的有益改良，并通过高度自动化的设置，节省了大量人力物力。

所述基于植物技术的全自动水生态改良装置还包括河道防塞机构8，所述河道防塞机构8包括基座81、水轮82、第一连杆83及第二连杆84，所述基座81设于河道上，所述水轮82与河道液体流向呈平行设置并与基座81旋转连接，所述水轮82一部分浸没于河道液体中由河道液体驱动水轮82旋转，所述基座81上沿竖直方向设有滑动槽85，所述圈养笼2与滑动槽85呈滑动配合，所述第一连杆83沿径向设置于水轮82朝向圈养笼2一侧的端面上，该第一连杆83包括活动端及固定端，所述固定端与水轮82圆心处固定连接随水轮82旋转，所述圈养笼2对应滑动槽85内两侧壁之间的中点处设有铰接座86，该铰接座86的铰接点与所述中点重合，所述第二连杆84一端与铰接座86旋转连接，另一端与第一连杆83活动端旋转连接，所述水轮82、第一连杆83、第二连杆84及铰接座86形成曲柄滑块运动，驱动圈养笼2沿着滑动槽85做竖直方向往复移动，所述圈养笼2沿滑动槽85竖直方向移动时包括竖直最高点及竖直最低点，所述圈养笼2位于竖直最高点位置时底端脱离河道液面，所述圈养笼2位于竖直最低点位置时开口端23高于河道液面。

在富营养的水体，富营养化可造成表层水溶解氧处于饱各状态，水面以下其溶解氧逐渐递减可接近0，而且水葫芦的疯狂生长导致水面堵塞，水面与水底无法交流，导致了水底生物、植物缺氧死亡，这也是水葫芦等植物的重要危害之一。

本发明通过设置的河道防塞机构8，利用河道液体流动的力量驱动水轮82旋转，通过设置的第一连杆83、第二连杆84及基座81上的滑动槽85，使得水轮82与圈养笼2之间形成曲柄滑块运动，驱使动圈养笼2沿着滑动槽85做竖直方向往复移动，搅动水葫芦养殖处的液体，使得该处水面液体能够水道液体交互，形成良性循环，均衡河道溶解氧含量，而且这样的搅动设置，还可以加速水体的流动，防止蚊虫滋生。因为圈养笼2的设置，水葫芦的养殖区只占河道一部分，其他区域的水流是正常流通的，将水流设置在正常流通处，利用正常水流带动养殖区的水流，节能环保。还可以调节第一连杆83、第二连杆84的长度变化调节水轮82与圈养笼2之间的传动比，控制搅动幅度。圈养笼2位于竖直最低点位置时开口端23高于河道液面，防止圈养腔内植物因为浮力从圈养笼2中脱离。

所述河道防塞机构8还包括步进电机87，该步进电机87与蓄电池411组12供电连接并与水轮82旋转配合，所述步进电机87驱动水轮82旋转。

通过设置步进电机87，可以在水道流体推力不足时，可以使用步进电机87控制水轮82旋转，而步进电机87采用的是沼气池11产生的电能。

所述河道防塞机构8还包括水下射流气爆机9，该水下射流气爆机9包括潜水泵91及喷嘴92，所述潜水泵91设置于河道液面以下包括进水口及出水口，所述喷嘴92与出水口联通并沿河道液体流向对应延伸至水轮82浸没部位处，该喷嘴92引导潜水泵91产生的高速水流喷射于水轮82浸没部位，驱动水轮82旋转，所述蓄电池411组12与潜水泵91供电连接。

通过设置的水下射流气爆机9，通过潜水泵91产生的水流经过喷嘴92形成高速水流，在喷嘴92周围形成负压吸入空气，经混合室与水流混合，在喇叭形的扩散管内产生水气混合流，高速喷射而出，夹带许多气泡的水流在较大面积和深度的水域内涡旋搅拌，完成曝气，并且其轴功率不随潜没深度的变化而变化，可以调节进气量。而且利用喷嘴92引导潜水泵91产生的高速水流顺着河道流向喷射于水轮82浸没部位，可以曝气撕裂水面让氧气与水体接触溶氧的同时推动水轮82旋转。水下射流气爆机9采用的是沼气池11产生的电能。

所述旋转升降机械臂6包括旋转台61、气缸升降柱62、水平方向滑轨63、铲斗座64、铲斗座驱动气缸65、第一伺服电机66及第二伺服电机67，所述旋转台61水平设置于车体41竖直方向顶端端面并与车体41旋转配合，该旋转台61圆周套设有同步从动齿轮611，所述车体41旋转设置有主动齿轮612与同步从动齿轮611啮合，所述第一伺服电机66与主动齿轮612联动配合驱动旋转台61旋转，该第一伺服电机66与控制模块信号连接，所述气缸升降柱62底端竖直固定设置于旋转台61圆心处，该气缸升降柱62的顶端固定设置有水平方向滑轨63，所述铲斗座64设置于水平方向滑轨63内做滑动配合，所述铲斗座驱动气缸65驱动铲斗座64沿水平方向滑轨63移动，所述铲斗7与铲斗座64铰接配合，所述气缸升降柱62、铲斗座驱动气缸65包括电磁阀，所述第二伺服电机67与铲斗7联动配合并驱动铲斗7围绕铲斗座64翻转，所述电源模块分别与气缸升降柱62及铲斗座驱动气缸65的电磁阀、第一伺服电机66、第二伺服电机67供电连接，所述控制模块分别与气缸升降柱62及铲斗座驱动气缸65的电磁阀、第一伺服电机66及第二伺服电机67信号连接。

主动齿轮612与第一伺服电机66控制、驱动同步从动齿轮611旋转，实现旋转台61的带动铲斗7的旋转动作，升降座气缸通过电磁阀与控制面板、电源模块的连接配合，实现控制、驱动升降柱气缸带动铲斗7升降动作，铲斗座驱动气缸65通过电磁阀与控制面板、电源模块的连接配合，实现控制、驱动铲斗7的水平方向移动动作，通过第二伺服电机67控制铲斗7围绕铲斗座64翻转实现铲斗7的挖掘动作，这样设置的旋转升降机械臂6灵活可控，可以根据控制模块的程序命令进行多种动作。

电磁阀(Electromagnetic valve)是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。

电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔连接不同的气管，腔中间是活塞，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来开启或关闭不同的排气孔，而进气孔是常开的，气体就会进入不同的排气管，然后通过气的压力来推动气缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置。这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。

所述车体41对应停留于沼气池11旁的初始位置处设有无线充电座15，该无线充电座15包括无线充电器，所述无线充电器与蓄电池411组12供电连接，所述车体41电源模块包括蓄电池411及与蓄电池411电连接的无线充电接收器412。

无线充电的方式有电磁感应式、磁共振、电场耦合式和无线电波传输等方式，现在市场上无线充电大多采用的是电磁感应原理。

电磁感应式无线充电，当电源的电流通过线圈(无线充电器的送电线圈)会产生磁场，其他未通电的线圈(把手端的受电线圈)靠近该磁场就会产生电流，为充电电池充电。这样设置，在车体41停留时间，利用无线充电座15为车体41电源模块进行充电，免去了人工充电的操作，形成了自动充电。

所述无线充电座15上对应挖掘机器人4形状设有防雨罩151。

在植物生长周期内，初始位置是挖掘机器人4没用运作停留时间最长的地方，设置防雨罩151可以保护挖掘机器人4免收风雨侵扰。

所述河道沿轨道5方向设置有若干个圈养笼2。

沿轨道5方向设置有若干个圈养笼2，可以形成规模化养殖，而挖掘机器人4依然只用一台，通过改变运行程序指令，让挖掘机器人4逐一挖掘每个圈养笼2内的过剩植物。增加沼气池11的沼气量。.

所述控制模块包括单片机413。

所述驱动模块包括第三伺服电机414，该第三伺服电机414与轨道轮42联动配合，所述第三伺服电机414分别与电源模块电连接及与控制模块信号连接。

Claims (10)

1.基于植物技术的全自动水生态改良装置，包括沼气池、蓄电池组及沼气发电机，所述沼气池包括进料口及出气口，该沼气池出气口与沼气发电机供气连接，所述沼气发电机与蓄电池组供电连接，其特征在于：所述基于植物技术的全自动水生态改良装置还包括圈养笼及自动采集机构，所述圈养笼包括主框体及滤网，所述主框体包括竖直朝向水底的底端、竖直朝上的开口端及侧面，所述开口端上设有圈养槽，所述侧面设有联通至圈养槽内的流道，所述滤网形状与流道截面形状相适配，该滤网设置于流道内阻止植物种子随水流扩散出圈养槽；

所述自动采集机构包括第一超声波传感器、第二超声波传感器、轨道及挖掘机器人，所述轨道设于河道岸边与圈养笼呈平行设置，该轨道距离圈养笼的距离为固定值X，所述沼气池平行设置于轨道相对圈养笼的另一侧，该沼气池进料口与轨道的距离为-X，所述第一超声波传感器呈朝向圈养笼状态设置于挖掘机器人上，所述第二超声波传感器呈朝向沼气池状态设置于挖掘机器人上；所述挖掘机器人包括车体、旋转升降机械臂，所述旋转升降机械臂固定设置与车体上做旋转、升降运动，该机械臂臂长为X，所述机械臂远离车体的末端设有铲斗，所述铲斗斗底设有漏水孔；

所述车体上设有轨道轮、驱动模块、电源模块、控制模块，该车体通过轨道轮设于轨道上且初始位置位于沼气池处，所述驱动模块与轨道轮旋转连接，所述电源模块为驱动模块及旋转升降机械臂供电，所述控制模块分别与驱动模块、旋转升降机械臂、第一超声波传感器及第二超声波传感器信号连接，该控制模块根据第二超声波传感器检测到沼气池的信号，控制驱动模块驱使车体沿轨道朝圈养笼做正向移动，所述车体移动至圈养笼位置时，所述控制模块根据第一超声波传感器检测到圈养笼的信号，控制车体停止及控制旋转升降臂带动铲斗进入圈养槽挖掘过剩植物，待旋转升降机械臂运作完毕，所述控制模块控制驱动模块驱使车体沿轨道朝沼气池做反向移动，该车体移动至沼气池位置时，所述控制模块根据第二超声波传感器第二次检测到沼气池的信号，控制车体停止及控制旋转升降臂带动铲斗将过剩植物送入沼气池进料口。

2.根据权利要求1所述的基于植物技术的全自动水生态改良装置，其特征在于：所述基于植物技术的全自动水生态改良装置还包括河道防塞机构，所述河道防塞机构包括基座、水轮、第一连杆及第二连杆，所述基座设于河道上，所述水轮与河道液体流向呈平行设置并与基座旋转连接，所述水轮一部分浸没于河道液体中由河道液体驱动水轮旋转，所述基座上沿竖直方向设有滑动槽，所述圈养笼与滑动槽呈滑动配合，所述第一连杆沿径向设置于水轮朝向圈养笼一侧的端面上，该第一连杆包括活动端及固定端，所述固定端与水轮圆心处固定连接随水轮旋转，所述圈养笼对应滑动槽内两侧壁之间的中点处设有铰接座，该铰接座的铰接点与所述中点重合，所述第二连杆一端与铰接座旋转连接，另一端与第一连杆活动端旋转连接，所述水轮、第一连杆、第二连杆及铰接座形成曲柄滑块运动，驱动圈养笼沿着滑动槽做竖直方向往复移动，所述圈养笼沿滑动槽竖直方向移动时包括竖直最高点及竖直最低点，所述圈养笼位于竖直最高点位置时底端脱离河道液面，所述圈养笼位于竖直最低点位置时开口端高于河道液面。

3.根据权利要求2所述的基于植物技术的全自动水生态改良装置，其特征在于：所述河道防塞机构还包括步进电机，该步进电机与蓄电池组供电连接并与水轮旋转配合，所述步进电机驱动水轮旋转。

4.根据权利要求2所述的基于植物技术的全自动水生态改良装置，其特征在于：所述河道防塞机构还包括水下射流气爆机，该水下射流气爆机包括潜水泵及喷嘴，所述潜水泵设置于河道液面以下包括进水口及出水口，所述喷嘴与出水口联通并沿河道液体流向对应延伸至水轮浸没部位处，该喷嘴引导潜水泵产生的高速水流喷射于水轮浸没部位，驱动水轮旋转，所述蓄电池组与潜水泵供电连接。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的基于植物技术的全自动水生态改良装置，其特征在于：所述旋转升降机械臂包括旋转台、气缸升降柱、水平方向滑轨、铲斗座、铲斗座驱动气缸、第一伺服电机及第二伺服电机，所述旋转台水平设置于车体竖直方向顶端端面并与车体旋转配合，该旋转台圆周套设有同步从动齿轮，所述车体旋转设置有主动齿轮与同步从动齿轮啮合，所述第一伺服电机与主动齿轮联动配合驱动旋转台旋转，该第一伺服电机与控制模块信号连接，所述气缸升降柱底端竖直固定设置于旋转台圆心处，该气缸升降柱的顶端固定设置有水平方向滑轨，所述铲斗座设置于水平方向滑轨内做滑动配合，所述铲斗座驱动气缸驱动铲斗座沿水平方向滑轨移动，所述铲斗与铲斗座铰接配合，所述气缸升降柱、铲斗座驱动气缸包括电磁阀，所述第二伺服电机与铲斗联动配合并驱动铲斗围绕铲斗座翻转，所述电源模块分别与气缸升降柱及铲斗座驱动气缸的电磁阀、第一伺服电机、第二伺服电机供电连接，所述控制模块分别与气缸升降柱及铲斗座驱动气缸的电磁阀、第一伺服电机及第二伺服电机信号连接。

6.根据权利要求1至4任意一项所述的基于植物技术的全自动水生态改良装置，其特征在于：所述车体对应停留于沼气池旁的初始位置处设有无线充电座，该无线充电座包括无线充电器，所述无线充电器与蓄电池组供电连接，所述车体电源模块包括蓄电池及与蓄电池电连接的无线充电接收器。

7.根据权利要求6所述的基于植物技术的全自动水生态改良装置，其特征在于：所述无线充电座上对应挖掘机器人形状设有防雨罩。

8.根据权利要求1至4任意一项所述的基于植物技术的全自动水生态改良装置，其特征在于：所述河道沿轨道方向设置有若干个圈养笼。

9.根据权利要求1至4任意一项所述的基于植物技术的全自动水生态改良装置，其特征在于：所述控制模块包括单片机。

10.根据权利要求1至4任意一项所述的基于植物技术的全自动水生态改良装置，其特征在于：所述驱动模块包括第三伺服电机，该第三伺服电机与轨道轮联动配合，所述第三伺服电机分别与电源模块电连接及与控制模块信号连接。

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