CN110133206A - 一种多参数复合式水质监测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多参数复合式水质监测装置及检测方法，包括机壳，设于机壳外部的传感器测量单元，设于机壳内部的控制单元、信号调理单元、无线传输单元、水泵单元以及光伏发电单元；光伏发电单元用于将吸收的太阳能转化成电能为系统供电；控制单元采用于系统配置驱动以及对传感器测量单元采集的数据进行处理；所述传感器测量单元包括环境传感器和水质传感器；水泵单元通过吸水和放水来调节装置在水中的深度；无线传输单元用于将传感器参数传送至接收服务器的主控端以及接收控制命令。本发明可监测温度、光照、pH值、氨氮、溶解氧等参数，可以同时监测水面和水质两种参数，实现了全方位立体监测。
Description
技术领域
本发明属于环境监测设备技术领域，具体涉及一种多参数复合式水质监测装置及检测方法。
背景技术
江南素有“鱼米之乡”之称，江南地区水产养殖行业发达，以苏州的阳澄湖、无锡的太湖以及南京的石臼湖为代表。水产养殖对水质的要求很高，常常需要检测水中的PH值、氨氮含量以及水中的溶解氧等。
水中的PH值和氨氮含量受温度、风速等天气因素的影响较小，水产养殖户可以通过定时人工检测的方式进行监测，容易掌握其中的规律；但水中的溶解氧受温度、风速等天气因素的影响较大，采用定时人工检测的方式显然不能满足要求，养殖户很难把握溶解氧的变化规律。随着技术的发展，水质监测监测装置应用而生。
公告号为CN106802287B的专利公开了水质监测装置及检测方式，该装置主要包括壳体、前盖板和后盖板；在壳体长度方向的两个端面之间设有6个中空腔体。该水质监测装置的检测方法，包括单片机检测等7个步骤。该水质监测装置将TDLAS技术成功应用到水下，实现低成本、多监控点、连续线性的持续监测，无需人员值守，适合水文、水质监测的长期性、连续性、突变性的特点。但该水质监测装置是工作在水下的，不能够监测水面的温度和风速等参数；同时该监测装置工作时，需要人为的将监测装置放到指定深度的水域，对于养殖户而言，安装固定困难，不适用于水产养殖领域的水质监测。
公告号为CN205547021U的专利公开了一种多功能水产养殖监测设备，包括箱体，所述箱体的上端设有开关，所述箱体的一侧设有控制箱，所述控制箱的表面设有显示模块，所述控制箱的表面等距离设有一个操作模块，所述箱体的一侧设有氧气发生装置，所述氧气发生装置远离箱体的一侧设有连接杆，所述连接杆远离氧气发生装置的一侧设有伸缩杆，所述伸缩杆的下端设有检测盒体，所述检测盒体远离伸缩杆的一侧设有搅拌叶，所述检测盒体的一侧设有红外线传感器，所述箱体的内部设有控制系统。该实用新型结构简单，使用的时候十分的方便快捷，不仅仅可以有效的记录水生物和水产养殖的环境，得到详细的数据，而且还可以针对可能出现的问题进行调整。但是这个装置的控制箱工作时是放在岸上的，或者需要在水中搭建专门的平台用于放置多功能水产养殖监测设备的控制箱，对于水产养殖用户而言，是不实用的，而且不便于养殖户的管理。
发明内容
本发明的目的是针对现有监测设备存在的问题，提供一种多参数复合式水质监测装置及检测方法，以便用户掌握监测水域的水质参数和水面环境参数。
本发明通过以下技术方案实现：
一种多参数复合式水质监测装置，包括机壳，设于机壳外部的传感器测量单元，设于机壳内部的控制单元、信号调理单元、无线传输单元、水泵单元以及光伏发电单元；所述光伏发电单元由若干光伏发电板组成，设于机壳的上部，用于将吸收的太阳能转化成电能为系统供电；所述控制单元采用单片机，设于机壳内顶部，与光伏发电单元连接并取电，用于系统配置驱动以及对传感器测量单元采集的数据进行处理；所述传感器测量单元包括环境传感器和水质传感器，所述环境传感器设于机壳的上方，通过信号调理单元与控制单元信号连接，用于检测水面环境参数；所述水质传感器设于机壳的下方，通过信号调理单元与控制单元信号连接，用于检测水质参数；所述机壳内位于控制单元下方设有一环形水舱，所述水泵单元设于环形水舱内，由进水泵、出水泵、进水管、出水管以及输水管组成，所述进水泵和出水泵水平安装于控制单元下方，通过导线与控制单元的单片机连接；所述进水管的一端与进水泵相连接，另一端通向环形水舱的一侧；所述出水管的一端与出水泵相连接，另一端通向环形水舱的另一侧；所述输水管以的一端分别与进水泵和出水泵连接，另一端伸出机壳底部与水面连接；所述水泵单元通过吸水和放水来调节装置在水中的深度；所述无线传输单元与控制单元信号连接，用于将传感器参数传送至接收服务器的主控端以及接收控制命令。
本发明进一步解决的技术方案是，所述控制单元采用主控芯片为STM32F103VET6的单片机。
本发明进一步解决的技术方案是，所述环境传感器包括风速仪、光照传感器和空气温度传感器，所述风速仪设于机壳正上方，风速仪的两侧分别为光照传感器和温度传感器；所述风速仪的信号输出端与主控芯片STM32F103VET6的PC0引脚连接，所述光照传感器的信号输出端与主控芯片STM32F103VET6的PE5引脚和PE6引脚连接，所述空气温度传感器的信号发射端与主控芯片STM32F103VET6的PB6引脚连接。
本发明进一步解决的技术方案是，所述水质传感器包括pH传感器、水温温度传感器和氨氮传感器，所述氨氮传感器位于机壳正下方，氨氮传感器的两侧分别为水温温度传感器和pH传感器；所述pH传感器采用pH值电极，pH值电极的信号输出端与主控芯片STM32F103VET6的PC1引脚连接，所述氨氮传感器的信号输出端与主控芯片STM32F103VET6的PC2引脚连接，所述水温温度传感器的信号输出端与主控芯片STM32F103VET6的PB7引脚连接。
本发明进一步解决的技术方案是，所述进水泵和出水泵通过导线分别与主控芯片STM32F103VET6的PB1和PB2引脚连接，所述进水泵和出水泵不同时工作。
本发明进一步解决的技术方案是，所述信号调理单元是由基于AD603AR芯片的信号调理电路组成，其中，AD603AR芯片的COM引脚和GNEG引脚接地；AD603AR芯片的VINP引脚的一端分别与电容C7的一端，比较器LF411ACH的引脚6以及比较器LF411ACH的引脚2连接，电容C7的另一端接地；比较器LF411ACH的引脚4分别与电容C5的一端、电容C6的一端以及电源负极连接，电容C5和电容C6的另一端接地；比较器LF411ACH的引脚7分别与电容C4的一端、电容C1的一端以及电源正极连接，电容C4和电容C1的另一端接地；AD603AR芯片的GPOS引脚的一端与电容C8的一端连接，电容C8的另一端接地；AD603AR芯片的VPOS引脚的一端分别与电容C9的一端、电容C2的一端以及电源正极连接，电容C9和电容C2的另一端接地；AD603AR芯片的FDBK引脚的一端与电容C14的一端连接，电容C14的另一端接地；AD603AR芯片的VNEG引脚的一端分别与电容C13的一端、电容C3的一端连接，电容C13和电容C3的另一端接地；AD603AR芯片的OUT引脚的一端分别与电阻R1的一端、电容C11的一端、电容C10的一端和电容C12的一端连接，电阻R1的另一端与电容C14的一端连接，电容C14的另一端接地。
本发明进一步解决的技术方案是，所述线传输单元采用M5310-A模块，所述M5310-A模块的IO2引脚与主控芯片STM32F103VET6的PA9引脚连接，所述M5310-A模块的IO3引脚与主控芯片STM32F103VET6的PA10引脚连接，所述M5310-A模块的IO4引脚与电源输出端连接，所述M5310-A模块的IO1引脚接地。
本发明进一步解决的技术方案是，所述机壳的两侧设有用于固定装置的挂钩，所述挂钩对称设置。
本发明进一步解决的技术方案是，所述光伏发电板的发电电压为5V，发电功率为5W。
本发明还保护一种多参数复合式水质监测装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤一、打开电源，将水质检测装置置入检测水域中，通过两侧挂钩固定，控制系统初始化；
步骤二、由位于机壳上方的环境传感器以及位于机壳下方的水质传感器分别进行数据检测，并将检测的工作参数转换为电压信号输出；
步骤三、由信号调理单元对接收的电压信号进行去噪和放大处理，然后传输给控制单元的单片机，单片机进一步对数据进行成分分析与存储；
步骤四、由单片机驱动无线传输单元将存储的数据信号传输给水面上的用户端，并根据人工指令进行检测与调整；
步骤五、由单片机接收人工指令，驱动水泵单元进行抽放水至环形水舱中，对检测装置进行深度调节；
步骤六、结束检测后，由单片机控制传感器测量单元和无线传输单元停止工作，然后将水质检测装置取出。
本发明的有益效果为：
1. 本发明可监测温度、光照、pH值、氨氮、溶解氧等参数，可以同时监测水面和水质两种参数，实现了全方位立体监测，并传输给控制单元，控制单元通过无线传输单元传输给用户手机APP或web端，以便用户实施掌握鱼塘的参数变化。
2. 本发明的光伏发电单元利用太阳能转换电能，为整个控制系统提供电能，续航能力强。
3. 本发明采用进水泵，出水泵以及环形储水仓的设计，可以对监测装置的深度进行调节，实现分层水质监测。
附图说明
图1为本发明系统结构原理图。
图2为本发明装置结构示意图。
图3为图2的侧视图。
图4为本发明装置的俯视图。
图5为本发明机壳内部结构示意图。
图6为本发明控制单元单片机的引脚结构图。
图7为本发明无线传输单元的电路原理图。
图8为本发明信号调理单元的电路原理图。
图9为本发明工作流程图。
图中序号，1-机壳、2-光伏发电板、3-单片机、4-环形水舱、5-进水泵、6-出水泵、7-进水管、8-出水管、9-风速仪、10-光照传感器、11-空气温度传感器、12-pH传感器、13-水温温度传感器、14-氨氮传感器、15-挂钩、16-输水管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
参见图1-5所示的一种多参数复合式水质监测装置，包括机壳1，设于机壳1外部的传感器测量单元，设于机壳1内部的控制单元、信号调理单元、无线传输单元、水泵单元以及光伏发电单元；所述光伏发电单元由若干光伏发电板2组成，设于机壳1的上部，用于将吸收的太阳能转化成电能为系统供电；所述控制单元采用单片机3，设于机壳1内顶部，与光伏发电单元连接并取电，用于系统配置驱动以及对传感器测量单元采集的数据进行处理；所述传感器测量单元包括环境传感器和水质传感器，所述环境传感器设于机壳1的上方，通过信号调理单元与控制单元信号连接，用于检测水面环境参数；所述水质传感器设于机壳1的下方，通过信号调理单元与控制单元信号连接，用于检测水质参数；所述机壳1内位于控制单元下方设有一环形水舱4，所述水泵单元设于环形水舱4内，由进水泵5、出水泵6、进水管7、出水管8以及输水管16组成，所述进水泵5和出水泵6水平安装于控制单元下方，通过导线与控制单元的单片机2连接；所述进水管7的一端与进水泵5相连接，另一端通向环形水舱4的一侧；所述出水管8的一端与出水泵6相连接，另一端通向环形水舱4的另一侧；所述输水管16以的一端分别与进水泵5和出水泵6连接，另一端伸出机壳1底部与水面连接；所述水泵单元通过吸水和放水来调节装置在水中的深度；所述无线传输单元与控制单元信号连接，用于将传感器参数传送至接收服务器的主控端以及接收控制命令。
参见图6，本实施例中，所述控制单元采用主控芯片为STM32F103VET6的单片机1。
本实施例中，所述环境传感器包括风速仪9、光照传感器10和空气温度传感器11，所述风速仪9设于机壳1正上方，风速仪9的两侧分别为光照传感器10和空气温度传感器11。所述风速仪9的信号输出端与主控芯片STM32F103VET6的PC0引脚连接，PC0端通过ADC读取风速仪的电压信号；所述光照传感器10的信号输出端与主控芯片STM32F103VET6的PE5引脚和PE6引脚连接，PE5端和PE6端通过IIC协议读取数据；所述空气温度传感器11的信号发射端与主控芯片STM32F103VET6的PB6引脚连接，PB6端通过单总线协议读取数据。其中，所述的风速仪9采用HQFWS型号，所述光照传感器10的型号为BH1750FVI，所述空气温度传感器11的型号为DS18B20，这里所述的风速仪9、光照传感器10和空气温度传感器11其信号传输方式以及控制连接方式等均属于现有技术，均利用了现有的产品，因此其具体的装置结构与控制连接系统并非本发明的发明点，因此不做详细描述。
本实施例中，所述水质传感器包括pH传感器12、水温温度传感器13和氨氮传感器14，所述氨氮传感器14位于机壳1正下方，氨氮传感器14的两侧分别为水温温度传感器13和pH传感器12；所述pH传感器12采用pH值电极，pH值电极的信号输出端与主控芯片STM32F103VET6的PC1引脚连接，PC1端通过ADC读取数据；所述氨氮传感器14的信号输出端与主控芯片STM32F103VET6的PC2引脚连接，PC2端通过ADC读取数据；所述水温温度传感器13的信号输出端与主控芯片STM32F103VET6的PB7引脚连接，PB7端通过单总线协议读取水温数值。其中，所述pH值电极的型号为E-201-C，所述氨氮传感器14的型号为WQS-ANB，所述水温温度传感器13的型号为DS18B20，这里所述的pH传感器12、水温温度传感器13和氨氮传感器14其信号传输方式以及控制连接方式等均属于现有技术，均利用了现有的产品，因此其具体的装置结构与控制连接系统并非本发明的发明点，因此不做详细描述。
本实施例中，所述进水泵5和出水泵6通过导线分别与主控芯片STM32F103VET6的PB1和PB2引脚连接，PB1端和PB2端通过驱动继电器来控制进水泵5和出水泵6，所述导线采用电信号通讯线。所述进水泵5和出水泵6不同时工作，当需要增加装置的浸水深度，此时单片机仅控制进水泵5工作，将湖面的水通过输水管16和进水管7吸入到环形水舱4中；当需要减少装置的浸水深度，单片机仅控制出水泵6工作，将环形水舱4中的水通过出水管8和输水管16吸出。
参见图8，本实施例中，所述信号调理单元是由基于AD603AR芯片的信号调理电路组成，其中，AD603AR芯片的COM引脚和GNEG引脚接地；AD603AR芯片的VINP引脚的一端分别与电容C7的一端，比较器LF411ACH的引脚6以及比较器LF411ACH的引脚2连接，电容C7的另一端接地；比较器LF411ACH的引脚4分别与电容C5的一端、电容C6的一端以及电源负极连接，电容C5和电容C6的另一端接地；比较器LF411ACH的引脚7分别与电容C4的一端、电容C1的一端以及电源正极连接，电容C4和电容C1的另一端接地；AD603AR芯片的GPOS引脚的一端与电容C8的一端连接，电容C8的另一端接地；AD603AR芯片的VPOS引脚的一端分别与电容C9的一端、电容C2的一端以及电源正极连接，电容C9和电容C2的另一端接地；AD603AR芯片的FDBK引脚的一端与电容C14的一端连接，电容C14的另一端接地；AD603AR芯片的VNEG引脚的一端分别与电容C13的一端、电容C3的一端连接，电容C13和电容C3的另一端接地；AD603AR芯片的OUT引脚的一端分别与电阻R1的一端、电容C11的一端、电容C10的一端和电容C12的一端连接，电阻R1的另一端与电容C14的一端连接，电容C14的另一端接地。信号调理单元可以将传感器检测到的电信号进行去噪和放大调理后传输给控制单元的单片机。
参见图7，本实施例中，所述线传输单元采用M5310-A模块，所述M5310-A模块的IO2引脚与主控芯片STM32F103VET6的PA9引脚连接，所述M5310-A模块的IO3引脚与主控芯片STM32F103VET6的PA10引脚连接，所述M5310-A模块的IO4引脚与电源输出端连接，所述M5310-A模块的IO1引脚接地。
本实施例中，所述机壳1的两侧设有用于固定装置的挂钩15，所述挂钩15对称设置。
本实施例中，所述光伏发电板2的发电电压为5V，发电功率为5W。所述光伏发电板采用单片硅。
参见图9，本发明所述的多参数复合式水质监测装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤一、打开电源，将水质检测装置置入检测水域中，通过两侧挂钩固定，控制系统初始化；
步骤二、由位于机壳上方的环境传感器以及位于机壳下方的水质传感器分别进行数据检测，并将检测的工作参数转换为电压信号输出；
步骤三、由信号调理单元对接收的电压信号进行去噪和放大处理，然后传输给控制单元的单片机，单片机进一步对数据进行成分分析与存储；
步骤四、由单片机驱动无线传输单元将存储的数据信号传输给水面上的用户端，并根据人工指令进行检测与调整；
步骤五、由单片机接收人工指令，驱动水泵单元进行抽放水至环形水舱中，对检测装置进行深度调节；
步骤六、结束检测后，由单片机控制传感器测量单元和无线传输单元停止工作，然后将水质检测装置取出。
在系统运行的过程中，单片机实时接收用户端的控制命令，根据用户的控制指令，驱动水泵单元工作抽放水至环形水槽中，实现深度调节。如果用户没有控制指令，则装置自主控制在初始设定的深度。用户端可以是用户手机APP或web端，为了实现低功耗，控制单元采用实时采集传感器数据，定时进行数据发送的方式进行。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种多参数复合式水质监测装置，其特征在于：包括机壳(1)，设于机壳(1)外部的传感器测量单元，设于机壳(1)内部的控制单元、信号调理单元、无线传输单元、水泵单元以及光伏发电单元；所述光伏发电单元由若干光伏发电板(2)组成，设于机壳(1)的上部，用于将吸收的太阳能转化成电能为系统供电；所述控制单元采用单片机(3)，设于机壳(1)内顶部，与光伏发电单元连接并取电，用于系统配置驱动以及对传感器测量单元采集的数据进行处理；所述传感器测量单元包括环境传感器和水质传感器，所述环境传感器设于机壳(1)的上方，通过信号调理单元与控制单元信号连接，用于检测水面环境参数；所述水质传感器设于机壳(1)的下方，通过信号调理单元与控制单元信号连接，用于检测水质参数；所述机壳(1)内位于控制单元下方设有一环形水舱(4)，所述水泵单元设于环形水舱(4)内，由进水泵(5)、出水泵(6)、进水管(7)、出水管(8)以及输水管(16)组成，所述进水泵(5)和出水泵(6)水平安装于控制单元下方，通过导线与控制单元的单片机(2)连接；所述进水管(7)的一端与进水泵(5)相连接，另一端通向环形水舱(4)的一侧；所述出水管(8)的一端与出水泵(6)相连接，另一端通向环形水舱(4)的另一侧；所述输水管(16)以的一端分别与进水泵(5)和出水泵(6)连接，另一端伸出机壳(1)底部与水面连接；所述水泵单元通过吸水和放水来调节装置在水中的深度；所述无线传输单元与控制单元信号连接，用于将传感器参数传送至接收服务器的主控端以及接收控制命令。
2.根据权利要求1所述的一种多参数复合式水质监测装置，其特征在于：所述控制单元采用主控芯片为STM32F103VET6的单片机(1)。
3.根据权利要求2所述的一种多参数复合式水质监测装置，其特征在于：所述环境传感器包括风速仪(9)、光照传感器(10)和空气温度传感器(11)，所述风速仪(9)设于机壳(1)正上方，风速仪(9)的两侧分别为光照传感器(10)和空气温度传感器(11)；所述风速仪(9)的信号输出端与主控芯片STM32F103VET6的PC0引脚连接，所述光照传感器(10)的信号输出端与主控芯片STM32F103VET6的PE5引脚和PE6引脚连接，所述空气温度传感器(11)的信号发射端与主控芯片STM32F103VET6的PB6引脚连接。
4.根据权利要求2所述的一种多参数复合式水质监测装置，其特征在于：所述水质传感器包括pH传感器(12)、水温温度传感器(13)和氨氮传感器(14)，所述氨氮传感器(14)位于机壳(1)正下方，氨氮传感器(14)的两侧分别为水温温度传感器(13)和pH传感器(12)；所述pH传感器(12)采用pH值电极，pH值电极的信号输出端与主控芯片STM32F103VET6的PC1引脚连接，所述氨氮传感器(14)的信号输出端与主控芯片STM32F103VET6的PC2引脚连接，所述水温温度传感器(13)的信号输出端与主控芯片STM32F103VET6的PB7引脚连接。
5.根据权利要求2所述的一种多参数复合式水质监测装置，其特征在于：所述进水泵(5)和出水泵(6)通过导线分别与主控芯片STM32F103VET6的PB1和PB2引脚连接，所述进水泵(5)和出水泵(6)不同时工作。
6.根据权利要求2所述的一种多参数复合式水质监测装置，其特征在于：所述信号调理单元是由基于AD603AR芯片的信号调理电路组成，其中，AD603AR芯片的COM引脚和GNEG引脚接地；AD603AR芯片的VINP引脚的一端分别与电容C7的一端，比较器LF411ACH的引脚6以及比较器LF411ACH的引脚2连接，电容C7的另一端接地；比较器LF411ACH的引脚4分别与电容C5的一端、电容C6的一端以及电源负极连接，电容C5和电容C6的另一端接地；比较器LF411ACH的引脚7分别与电容C4的一端、电容C1的一端以及电源正极连接，电容C4和电容C1的另一端接地；AD603AR芯片的GPOS引脚的一端与电容C8的一端连接，电容C8的另一端接地；AD603AR芯片的VPOS引脚的一端分别与电容C9的一端、电容C2的一端以及电源正极连接，电容C9和电容C2的另一端接地；AD603AR芯片的FDBK引脚的一端与电容C14的一端连接，电容C14的另一端接地；AD603AR芯片的VNEG引脚的一端分别与电容C13的一端、电容C3的一端连接，电容C13和电容C3的另一端接地；AD603AR芯片的OUT引脚的一端分别与电阻R1的一端、电容C11的一端、电容C10的一端和电容C12的一端连接，电阻R1的另一端与电容C14的一端连接，电容C14的另一端接地。
7.根据权利要求2所述的一种多参数复合式水质监测装置，其特征在于：所述线传输单元采用M5310-A模块，所述M5310-A模块的IO2引脚与主控芯片STM32F103VET6的PA9引脚连接，所述M5310-A模块的IO3引脚与主控芯片STM32F103VET6的PA10引脚连接，所述M5310-A模块的IO4引脚与电源输出端连接，所述M5310-A模块的IO1引脚接地。
8.根据权利要求1所述的一种多参数复合式水质监测装置，其特征在于：所述机壳(1)的两侧设有用于固定装置的挂钩(15)，所述挂钩(15)对称设置。
9.根据权利要求1所述的一种多参数复合式水质监测装置，其特征在于：所述光伏发电板(2)的发电电压为5V，发电功率为5W。
10.权利要求1所述的多参数复合式水质监测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、打开电源，将水质检测装置置入检测水域中，通过两侧挂钩固定，控制系统初始化；
步骤二、由位于机壳上方的环境传感器以及位于机壳下方的水质传感器分别进行数据检测，并将检测的工作参数转换为电压信号输出；
步骤三、由信号调理单元对接收的电压信号进行去噪和放大处理，然后传输给控制单元的单片机，单片机进一步对数据进行成分分析与存储；
步骤四、由单片机驱动无线传输单元将存储的数据信号传输给水面上的用户端，并根据人工指令进行检测与调整；
步骤五、由单片机接收人工指令，驱动水泵单元进行抽放水至环形水舱中，对检测装置进行深度调节；
步骤六、结束检测后，由单片机控制传感器测量单元和无线传输单元停止工作，然后将水质检测装置取出。
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