CN109060421A - 一种无人水质取样检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种无人水质取样检测系统，用于长时间连续多次对不同深度、不同区域的检测及取样，包括无人机、控制箱、拉线和取样筒。其中控制箱内设置有电池、电路控制模块、升降电机、电机支架和卷筒；尤其设计了一种取样筒，顶部无盖，底部为圆锥形，内部包含传感器组、水压计、密封电机以及密封盖，通过控制密封电机打开关闭密封盖来实现水质的取样；同时系统主控单元的核心芯片使用低功耗的器件，主控单元检测水压计的水深数据，控制打开/关闭传感器组，大幅提高连续工作时间。通过该套装置可以在不同水深条件下，连续多次对水质情况进行在线测量、记录以及自动取样。
Description
技术领域
本发明涉及水质取样检测领域，尤其涉及一种基于无人机的水质取样检测系统。
背景技术
基于无人机的水源侦检系统实时性强，能够在高危地区作业，非常适合于各种自然灾害的应急救援，在未来重大自然灾害救援饮水安全保障过程中，可减少卫勤人员及救援人员在地震、泥石流、洪水等恶劣地质灾害下的意外伤害，还可以在恶劣自然灾害条件下，在安全区域实现远程饮水的快速检测，更换消毒模块后还可进行小面积水域快速消毒。
目前，基于无人机技术的水源侦检系统往往只能够在线检测，很少具备同时进行水源取样和在线检测的功能，而且缺乏长时间连续多次对不同深度、不同区域的检测及自动取样。
发明内容
针对上述已有技术存在的不足，本发明提供一种无人水质取样检测系统，用于长时间连续多次对不同深度、不同区域的检测及自动取样。
为了解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：
一种无人水质取样检测系统及方法，包括：
无人机，下方安装有滑轨；
控制箱,与无人机通过滑轨相连，内部有电池、电路控制模块、升降电机、电机支架和卷筒。升降电机安装于电机支架上，电机支架固定于控制箱的底部，卷筒与升降电机之间由联轴器相连接。
拉线，与卷筒相连，在升降电机的驱动下进行卷线与放线的动作，进而通过拉线控制取样筒抬升与落下，可缠绕于卷筒上，内部包裹着水密电缆。水密电缆与电路控制模块相连。
取样筒，顶部均匀排列至少两个用于固定拉线的固定点，底部为圆锥形，内部包含传感器组、水压计、密封电机以及密封盖、电机固定底座、丝杆。水密电缆与传感器组、水压计和密封电机相连，传感器组和水压计吊置于取样筒的上部，密封电机固定于电机固定底座，与丝杆同轴连接，通过水密电缆连接控制操作，电机固定底座通过至少2个支撑臂固定于取样筒内壁，密封盖与丝杆固定连接，以使密封电机带动密封盖转动，通过该套装置可以在不同水深条件下，连续多次对水质情况进行在线测量、记录以及取样。取样筒上盖可在取样检测系统离开水面后自动关闭防止对样品的污染。
控制箱内电路控制模块由主控单元、采集控制单元、电机驱动单元和电源单元组成。主控单元用于控制无人机飞行路径、通信，收集采集控制单元采集的水质数据，送至无人机转发给远端；采集控制单元可对水体质量进行综合检测以及对水样采集进行控制；电源单元用于供电电压转换，为电路控制模块、升降电机、密封电机提供电力；电机驱动单元将控制密封电机打开或关闭密封盖，并控制升降电机收起或下放取样筒。
作为优选，主控单元的核心芯片使用超低功耗器件MSP430FR69x，其有益效果是降低系统功耗，提高连续工作时间。
作为优选，主控单元检测水压计的水深数据，控制打开/关闭传感器组，其有益效果是进一步降低系统功耗，提高连续工作时间。
作为优选，传感器组包含了PH传感器、溶解氧传感器、电导率传感器、浊度传感器和温度传感器，可以同时测量水质的5种参数，其有益效果是可对水体质量进行综合检测。
作为优选，无人机采用可悬停的多旋翼无人机，其有益效果是工作作业稳定，检测数据波动小。升降电机采用直流减速型，其有益效果是能够直接驱动卷筒旋转。
作为优选，电池、拉线、密封电机、以及电路控制模块中的主控单元、电源单元、采集控制单元、电机驱动单元均采用外部涂覆防水胶的方式进行防水处理，其有益效果是保证了水下作业的安全。
所述的无人水质取样检测系统的使用方法，其包括以下步骤：
S101、无人机收到无人机控制终端命令后，将接收到的命令发送至电路控制模块；
S102、电路控制模块判断命令是否为开始水质检测命令，若是水质检测命令，执行步骤S103，若不是，执行步骤S101；
S103、电路控制模块解析命令中水深列表；
S104、电路控制模块控制密封电机开启密封盖；
S105、电路控制模块控制升降电机下放取样筒；
S106、电路控制模块收集水压计数据，判断水压计是否到达水深列表中未检测的最小水深，若未到达，执行步骤S107，若到达，跳过执行步骤S109；
S107、判断拉线是否放完，若放完，执行步骤S108，若未放完，执行步骤S105；
S108、通知无人机下降高度，执行步骤S106；
S109、电路控制模块控制开启传感器组；
S110、开始水质检测，将检测到的水质情况发送给无人机；
S111、水质检测完毕后，电路控制模块关闭传感器组；
S112、判断未检测水深列表是否为空，若不为空，重复步骤S105至步骤S111，若为空，进行下一步操作；
S113、判断是否有取水命令，若有取水命令，执行步骤S114，若无取水命令，执行步骤S115；
S114、电路控制模块控制密封电机关闭密封盖；
S115、电路控制模块控制升降电机收起取样筒；
S116、判断取样筒是否到位，若未到位，重复执行步骤S115，若到位，执行下一步；
S117、结束。
所述的无人水质取样检测系统的使用方法，还可以通过程序设定水质综合指标自动进行取水作业，在对水质情况进行在线的综合分析后，当水质情况满足指标时，关闭密封盖，收起取样筒，通过无人机带回水样；若水质情况不满足指标时，继续进行不同深度的水质检测。
本发明的有益效果是，该无人水质取样检测系统能够实时在线检测，并根据水压计的结果进行不同深度水质检测，根据检测结果控制密封电机和密封盖对水样进行下密封，取样方便，同时通过控制密封电机和密封盖在指定水域打开，也可用于无人消毒。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的无人水质取样检测系统的整体结构图；
图2是本发明的无人水质取样检测系统的控制箱的结构示意图；
图3是本发明的无人水质取样检测系统的取样筒的结构示意图；
图4是本发明的无人水质取样检测系统的工作流程示意图；
图5是本发明的无人水质取样检测系统的电路控制模块结构示意图；
图6是本发明的无人水质取样检测系统与无人机连接示意图。
图中：1.无人机，2.控制箱，3.拉线，4.取样筒，5.电源，6.电路控制模块，7.升降电机，8.电机支架，9.卷筒，10.水密电缆，11.传感器组，12.水压计，13.密封电机，14.密封盖，15.电机固定底座，16.丝杆，17.主控单元，18.采集控制单元，19.电机驱动单元，20.电源单元
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，一种无人水质取样检测系统，包括无人机、控制箱、拉线、取样筒。控制箱和取样筒安装在无人机上，通过无人机水面悬停检测水质，并自动取样，通过无人机的通信模块反馈给后台操控平台的设备。控制箱可通过内部的升降电机控制取样筒的上升和降落。
如图2所示，控制箱内部有电池、电路控制模块、升降电机、电机支架和卷筒。升降电机安装于电机支架上，电机支架固定于控制箱的底部，卷筒与升降电机之间由联轴器相连接，在升降电机的驱动下进行卷线与放线的动作。
如图6所示，控制箱与无人机通过滑轨相连，安装简单可靠，只要从无人机正面将装置沿轨道平行推入卡牢固即可。
如图3所示，取样筒顶部无盖，均匀排列至少两个用于固定拉线的固定点，底部为圆锥形，开口，内部包含传感器组、水压计、密封电机以及密封盖、电机固定底座、丝杆。水密电缆与传感器组、水压计和密封电机相连，传感器组和水压计吊置于取样筒的上部，密封电机为丝杆步进电机，固定于电机固定底座，电机固定底座通过至少2个支撑臂固定于取样筒内壁，密封盖与丝杆固定连接，密封电机转动带动密封盖上下移动，从而对取样筒进行开合，密封盖四周使用密封用的胶条包裹，能够增强水样的密封性能。通过该套装置可以在不同水深条件下，连续多次对水质情况进行在线测量、记录以及自动取样。
如图5所示，控制箱按功能可划分为由主控单元、采集控制单元、电机驱动单元和电源单元组成等五部分组成。主控单元用于控制无人机飞行路径、通信，收集采集控制单元采集的水质数据，送至无人机转发给远端；采集控制单元可对水体质量进行综合检测以及对水样采集进行控制，通过RS485接口和Modbus协议读取传感器组检测到的水质参数；电源单元用于供电电压转换，为电路控制模块、升降电机、密封电机提供电力；电机驱动单元将控制密封电机打开或关闭密封盖，并控制升降电机收起或下放取样筒。
使用时，无人机飞到指定地点水域，在水面悬停，首先主控单元控制密封电机打开密封盖，然后控制升降电机，放下取样筒。当主控单元检测到取样筒放入水中指定深度时，升降电机停止工作，此时，将开启传感器组检测状态，同时测量水质的5种参数，通过RS232接口经由无人机发送给远端。根据测量结果选择直接取样带走，或者在不同深度开始新的检测，取样时主控单元控制密封电机关闭密封盖，每次检测结束时关闭传感器组用于降低系统功耗，整个检测取样完毕后，主控单元控制升降收回取样筒。无人机与检测箱之间的通信为自定义协议，区分水质数据和无人机控制数据，灵活安全。
如图4所示，系统检测取样的流程包括：无人机收到无人机控制终端命令后，将接收到的命令发送至电路控制模块；电路控制模块判断命令是否为开始水质检测命令，若不是则将命令直接发送到无人机；若命令为水质检测命令，电路控制模块解析命令中水深列表。电路控制模块控制密封电机开启密封盖。电路控制模块控制升降电机下放取样筒至未检测水深列表中最小水深；电路控制模块收集水压计数据，判断水压计是否到达指定高度，若未到达，再判断拉线是否放完，若放完，通知无人机下降高度，若未放完，放至指定水深。电路控制模块控制开启传感器组，开始水质检测，将检测到的水质情况发送给无人机。水质检测完毕后，电路控制模块关闭传感器组。判断未检测水深列表是否为空，若不为空，重复步骤3)至步骤5)，若为空，进行下一步操作。判断是否有取水命令，若有取水命令，电路控制模块控制密封电机关闭密封盖，电路控制模块控制升降电机收起取样筒，直至取样筒到位，若无取水命令，电路控制模块控制升降电机收起取样筒，直至取样筒到位。
所述的无人水质取样检测系统的使用方法，还可以通过程序设定水质综合指标自动进行取水作业，在对水质情况进行在线的综合分析后，当水质情况满足指标时，关闭密封盖，收起取样筒，通过无人机带回水样；若水质情况不满足指标时，继续进行不同深度的水质检测。
检测系统工作依靠无人机上的电池供电，降低使用功耗，可以延长无人机的飞行时间，设计时考虑了以下几个方面：
(1)在满足运行能力前提下，使用低功耗的器件；
(2)主控单元根据工作情况打开/关闭其他单元，如增加水压计检测，当检测到取样筒到达指定深度，满足测试条件时，传感器组才会开启；
(3)提高转换电源效率，使用高效率的DC-DC开关电源芯片，进一步降低系统功耗；
(4)降低设备重量，优化结构设计，在考虑设备具备一定程度抗冲击性的同时，降低设备整体重量，减轻无人机的负载。
作为优选，主控单元的核心芯片使用超低功耗器件MSP430FR69x，其有益效果是进一步降低系统功耗，提高连续工作时间。MSP430FR69x具有优化的超低功率模式，高达16MHz时钟频率的16位精简指令集(RISC)架构，工作模式大约100μA/MHz，待机0.4μA，实时时钟(RTC)(LPM3.5)0.35μA，关断电流(LPM4.5)0.04μA，超低功耗铁电RAM(FRAM)，高达64KB的非易失性存储器，超低功耗写入，具有智能数字外设、高性能模拟、代码安全性和加密、多功能输入/输出端口、增强型串行通信和灵活时钟系统。
在一次水质检测开始时，主控单元检测水压计的水深数据，当水压计示数达到目标水深时，控制打开传感器组检测水质情况，当一次水质检测结束时，关闭传感器组，其有益效果是进一步降低系统功耗，提高连续工作时间。
作为优选，升降电机采用直流减速型，其有益效果是能够直接驱动卷筒旋转。
作为优选，传感器组包含了PH传感器、溶解氧传感器、电导率传感器、浊度传感器和温度传感器，可以同时测量水质的5种参数，其有益效果是可对水体质量进行综合检测。本发明的一种实施方式，PH传感器采用在线工业pH电极，485接口，PH检测范围为0-14pH，精度±0.1pH，防水防尘标准为IP68，响应时间≤0.5min，温度补偿0－50℃自动温度补偿；溶解氧传感器采用荧光法，检测范围0-20mg/L或0-200％饱和度，防水防尘标准为IP68，分辨率0.1mg/L，25℃反应时间T90:30s，T99:90s，温度补偿0－60℃自动温度补偿；电导率传感器采用电磁式，量程:20μs/cm-600ms/cm，精度:＜±1.5％，电极材料:PP，操作温度:0-100℃，防水防尘标准为IP68，测定范围10uS-500mS/cm，测试方式为4极式电极法，电极常数K＝0.917cm-1,±1.5％，反应时间(25℃)T90:30s T99:90s，温度补偿为内置地表水非线性温度补偿；浊度传感器为光纤式浊度，量程:0.1-1000NTU，精度:＜5％或0.3NTU，响应时间:＜2sec，操作温度:0～50℃，防水防尘标准为IP68，测定范围0.0-1000FNU，方法原理为90度散射比浊法，内置超声波发生器清洁镜片，测试镜片为蓝宝石镜片，测量精度为测量值的±3％；温度传感器测定范围0.0-60.0℃，响应时间≤0.5min。作为优选，无人机采用可悬停的多旋翼无人机，其有益效果是工作作业稳定，检测数据波动小。
作为优选，电池、拉线、密封电机、以及电路控制模块中的主控单元、电源单元、采集控制单元、电机驱动单元均采用外部涂覆防水胶的方式进行防水处理，其有益效果是保证了水下作业的安全。电池、拉线、电路控制模块中的主控单元、电源单元、采集控制单元、电机驱动单元采用整体涂覆的方式，升降电机采用防水型电机，防水防尘等级为IP66，密封电机采用防水型电机，防水防尘等级为IP68。
Claims (10)
1.一种无人水质取样检测系统及方法，可长期连续取样及检测水质，其特征在于，包括无人机(1)、控制箱(2)、拉线(3)和取样筒(4)；
所述无人机(1)下方安装有滑轨；
通过滑轨与所述控制箱(2)连接，所述控制箱(2)内设置有电池(5)、电路控制模块(6)、升降电机(7)、电机支架(8)和卷筒(9)，所述升降电机(7)安装于所述电机支架(8)上，所述电机支架(8)固定于所述控制箱(2)的底部，所述卷筒(9)与所述升降电机(7)之间由联轴器相连接；
与所述卷筒(9)连接的拉线(3)，所述拉线(3)可缠绕于所述卷筒(9)上，在升降电机(7)的驱动下进行卷线与放线的动作，进而通过拉线(3)控制取样筒(4)抬升与落下，所述拉线(3)内部包裹着水密电缆(10)，所述水密电缆(10)与所述电路控制模块(6)相连；
与所述拉线(3)尾部连接的取样筒(4)，所述取样筒(4)顶部均匀排列至少两个用于固定拉线的固定点，底部为圆锥形，内部包含传感器组(11)、水压计(12)，所述水密电缆(10)与传感器组(11)、水压计(12)相连，所述传感器组(11)和水压计(12)吊置于所述取样筒(4)的上部。
2.如权利要求书1所述的无人水质取样检测系统，其特征在于，所述取样筒(4)内部还包括有密封电机(13)以及密封盖(14)、电机固定底座(15)、丝杆(16)；所述密封电机(13)为丝杆步进电机，与丝杆(16)同轴连接，通过水密电缆(10)进行连接控制操作，固定安装于电机固定底座(14)，所述电机固定底座(14)通过至少2个支撑臂固定于所述取样筒(4)内壁，所述密封盖(14)与丝杆(16)固定连接，以使密封电机带动密封盖，以使所述密封电机(13)转动带动所述密封盖(14)上下移动，从而对取样筒进行开合，通过该套装置可以在不同水深条件下，连续多次对水质情况进行在线测量、记录以及自动取样。
3.如权利要求书2所述的无人水质取样检测系统，其特征在于，所述电路控制模块(6)由主控单元(17)、采集控制单元(18)、电机驱动单元(19)和电源单元(20)组成。所述主控单元(17)用于控制无人机(1)飞行路径、通信，收集传感器采集单元采集的水质数据，送至无人机(1)转发给远端；所述采集控制单元(18)可对水体质量进行综合检测以及对水样采集进行控制；所述电源单元(20)用于供电电压转换，为电路控制模块、升降电机、密封电机提供电力。所述电机驱动单元(19)将控制密封电机(13)打开或关闭密封盖(14)，并控制升降电机(7)收起或下放取样筒(4)。
4.如权利要求3所述的无人水质取样检测系统，其特征在于，所述主控单元(17)的核心芯片使用超低功耗器件MSP430FR69x，用于降低系统功耗。
5.如权利要求4所述的无人水质取样检测系统，其特征在于，所述主控单元(17)检测水压计(12)的水深数据，控制传感器组(11)的开关，用于进一步降低系统功耗。
6.如权利要求5所述的无人水质取样检测系统，其特征在于，传感器组(11)包含了PH传感器、溶解氧传感器、电导率传感器、浊度传感器和温度传感器，可以同时测量水质的5种参数。
7.如权利要求6所述的无人水质取样检测系统，其特征在于，电池、拉线、密封电机、以及电路控制模块中的主控单元(17)、电源单元(20)、采集控制单元(18)、驱动单元均采用外部涂覆防水胶的方式进行防水处理。
8.如权利要求6所述的无人水质取样检测系统，其特征在于，无人机(1)采用可悬停的多旋翼无人机，升降电机(7)采用直流减速型，能够直接驱动卷筒(9)旋转。
9.如权利要求2所述的无人水质取样检测系统的检测方法，其包括以下步骤：S101、无人机(1)收到无人机控制终端命令后，将接收到的命令发送至电路控制模块(6)；
S102、电路控制模块(6)判断命令是否为开始水质检测命令，若是水质检测命令，执行步骤S103，若不是，执行步骤S101；
S103、电路控制模块(6)解析命令中水深列表；
S104、电路控制模块(6)控制密封电机(13)开启密封盖(14)；
S105、电路控制模块(6)控制升降电机(7)下放取样筒(4)；
S106、电路控制模块(6)收集水压计(12)数据，判断水压计(12)是否到达水深列表中未检测的最小水深，若未到达，执行步骤S107，若到达，跳过执行步骤S109；
S107、判断拉线(3)是否放完，若放完，执行步骤S108，若未放完，执行步骤S105；
S108、通知无人机(1)下降高度，执行步骤S106；
S109、电路控制模块(6)控制开启传感器组(11)；
S110、开始水质检测，将检测到的水质情况发送给无人机(1)；
S111、水质检测完毕后，电路控制模块(6)关闭传感器组(11)；
S112、判断未检测水深列表是否为空，若不为空，重复步骤S105至步骤S111，若为空，进行下一步操作；
S113、判断是否有取水命令，若有取水命令，执行步骤S114，若无取水命令，执行步骤S115；
S114、电路控制模块(6)控制密封电机(13)关闭密封盖(14)；
S115、电路控制模块(6)控制升降电机(7)收起取样筒(4)；
S116、判断取样筒是否到位，若未到位，重复执行步骤S115，若到位，执行下一步；
S117、结束。
10.如权利要求9所述的无人水质取样检测系统的检测方法，其特征在于，通过程序设定水质综合指标自动进行取水作业，在对水质情况进行在线的综合分析后，当水质情况满足指标时，关闭密封盖，收起取样筒，通过无人机带回水样；若水质情况不满足指标时，继续进行不同深度的水质检测。
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