CN111208269A - 一种低成本近海养殖水质监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本近海养殖水质监测系统及方法，属于水质监测技术领域，本发明中的耐压仓通过线缆和锚块拖拽，进行上浮和下沉，在不同水深面采集各个传感器的数据，出水后将采集的水质数据发送到监控平台的数据中心，经过存储、分析和处理后，通过网站发布实时监测结果；本发明能够实现近海水产养殖领域中剖面水质的实时监测，并具有结构简单、传输距离远、成本和功耗低、可满足大规模部署、可实现剖面水文数据测量等优势；本发明使用电缆缠绕装置实现整个水深下的剖面数据的测量，节省传感器的布放个数，提高水文数据空间分辨率；使用基于6LoWPAN方案组建无线传感器网络，扩大节点数量。

Description

一种低成本近海养殖水质监测系统及方法

技术领域

本发明属于水质监测技术领域，具体涉及一种低成本近海养殖水质监测系统及方法。

背景技术

水质的实时监测和调控是水产养殖过程中的关键环节，是保证水产品品质的重要措施，其中实时在线水质监测，多参数传感器和低功耗的远程通信技术是主流发展方向。

目前养殖区的水质监测以浮标和陆地监测基站位置，前者通过在养殖区内布放数量较多的小浮标实现水体的水质监测，后者通过在岸上布放各自水质监测仪，实现水质和气象参数的监测。由于近海养殖种类繁多，每一层水质的水温参数各不相同，因此需要水质监测设备能采集各层下的水文数据，为养殖户提供水文参考。同时海洋水质监测系统具有监测节点分散、节点数量多、测量数据种类复杂、信息交换和通信业务多样性的特点，现有各种水质监测系统部署和运维成本高昂，且自成体系，未形成有效的共享机制。

近海水产养殖需要根据不同的生物类型观测不同水层的水文参数，现有的浮标或小型潜标只能进行定点定水深检测；现有的海洋剖面观测设备如ARGO，剖面仪器等可以实现剖面数据观测，但是设备复杂、价格昂贵，不适用于近海水产养殖使用；杭州千重翠环境科技有限公司发明了一种水质监测浮球(申请号：201811594258.3)，利用固定锚的方式解决了现有的浮体水质监测设备往往存在浮体体积庞大，移动不便，重心过高，风浪大容易掀翻的问题，但是只能测量某一层的水质数据，无法观测养殖区多个剖面数据。天津浩汇检测技术有限公司同样开发了一种水质监测浮标(申请号：201810342397.0)，可稳定的漂浮在水面上进行水质监测，但是同样无法观测养殖区多个剖面数据。

现有实现剖面观测仪器通常是使用螺旋桨推进器或是浮力驱动的原理，存在以下缺点：

1.使用螺旋桨推进器方式对鱼群等海洋生物有干扰和损伤，破坏水下生态环境，现有的，能耗大、控制复杂，不适合水产养殖使用。

2.使用浮力驱动的方式一般采用油囊式驱动，虽然能耗低，但是存在漏油风险污染水体环境，且结构复杂、体积较大。

3.现有近海多采用GPRS、卫星通信、短波电台方式，GPRS和卫星通信费用高、能耗大；短波电台方式传输距离远但是组网方式单一、信道支持节点数量少，不适合大规模检测网络的应用。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种低成本近海养殖水质监测系统及方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低成本近海养殖水质监测系统，包括耐压仓、凯夫拉电缆、缆盘、直流减速电机和重力锚块；其中，耐压仓外装有太阳能电池板、通信天线、压力传感器、温度传感器、盐度传感器、溶解氧传感器以及控制中心；

太阳能电池板，被配置为用于为充电电池组充电；

通信天线，被配置为用于将采集的数据传输至控制中心；

压力传感器、温度传感器、盐度传感器、溶解氧传感器，被配置为用于测量整个水深剖面的水文数据；

控制中心，被配置为用于接收各种水质监测数据，并对数据进行存储、分析和处理；

耐压仓的内部装有充电电池组、电源板以及控制和数据采集板；

充电电池组，被配置为用于通过太阳能电池板进行充电；

电源板，被配置为用于负责整个系统的供电及太阳能电池板的电源的转化；

控制及数据采集板，其内设置电机控制电路，被配置为用于控制缆盘的正反转实现耐压仓的上升和下降，同时采集压力传感器、温度传感器、盐度传感器和溶解氧传感器的数据；

凯夫拉电缆，其内部设置有两芯电源线，被配置为用于为直流减速电机提供电力；同时其内部设置有凯夫拉丝，被配置为用于为耐压仓上浮和下潜提供拉力；

直流减速电机，被配置为用于带动缆盘正转或者反转，当直流减速电机带动缆盘正转时，将凯夫拉电缆缠绕到缆盘上，耐压仓下潜；当直流减速电机带动缆盘反转时，凯夫拉电缆从缆盘上脱离，耐压仓上浮；

缆盘，被配置为用于缠绕凯夫拉电缆；

重力锚块，被配置为用于固定直流减速电机和缆盘，使整个系统沉入海底，并通过凯夫拉电缆拖曳耐压仓。

优选地，凯夫拉电缆的表面分布有聚氨酯结构。

此外，本发明还提到一种低成本近海养殖水质监测方法，该方法采用如上所述的一种低成本近海养殖水质监测系统，具体包括如下步骤：

步骤1：将系统布置于水深不超过20米的海域；

步骤2：控制及数据采集板控制直流减速电机带动缆盘正转，将耐压仓拉至海底，耐压仓下潜的过程中，温度传感器不断测量各个水深的温度、盐度传感器不断测量各个水深的盐度、溶解氧传感器不断测量各个水深的溶解氧，通过控制及数据采集板内置的SD卡将数据储存至卡内；

步骤3：耐压仓下潜至预置深度时，控制及数据采集板控制直流减速电机停止使缆盘停止动作；

步骤4：控制及数据采集板采集完下潜数据后，通过反转直流减速电机的供电电压，控制缆盘反转，耐压仓逐渐上浮，上浮过程中，控制及数据采集板统一采集相关传感器的数据，当压力传感器检测到耐压仓上浮至海面时，控制及数据采集板控制直流减速电机停止转动；

步骤5：耐压仓上浮至海面后通过无线通信方式将剖面数据发送至控制中心，通过太阳能电池板为锂电池充电；

步骤6：当遇到涨潮时，海面淹没耐压仓，压力传感器检测耐压仓此时的压力值，通过智能控制算法计算涨潮的高度，控制及数据采集板控制直流减速电机将凯夫拉电缆释放适当的长度；

步骤7：当遇到落潮时，缆盘自带预紧力，能自动控制回收线缆，保证落潮时凯夫拉电缆处于回收状态。

优选地，在步骤5中，无线通信方式采用以6LoWPAN方案组建无线传感器网络，负责各个浮标节点之间的无线组网，并为节点分配地址，水质监测数据从各个浮标节点传输到边缘路由器，再由边缘路由器转发至控制中心，控制中心接收传输来的各种水质监测数据，对数据进行存储、分析和处理，实现智能化的管理、应用和服务。

优选地，控制中心还能够实时获取和监视各个浮标节点部署地点的环境参数，并且能够对传感器节点的运行状态进行控制；控制中心包括如下工作过程：

数据采集过程：浮标节点将包含水质数据的数据包，发送给无线传感器网络中的临近节点，数据包经过多跳传输后发送给边缘路由器，由边缘路由器将转发至服务器端；

数据存储、处理和发布：服务器端收到数据后，按照预定格式对数据解析后存入数据库，服务器端负责监视数据和浮标节点运行的异常状况；

浮标节点控制：服务器端发出浮标节点控制指令，指令数据包经边缘路由器转发至浮标节点，浮标节点向服务器端回发确认包后，执行指令，改变自身状态。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明中的耐压仓通过线缆和锚块拖拽，进行上浮和下沉，在不同水深面采集各个传感器的数据，出水后将采集的水质数据发送到监控平台的数据中心，经过存储、分析和处理后，通过网站发布实时监测结果；本发明能够实现近海水产养殖领域中剖面水质的实时监测，并具有结构简单、传输距离远、成本和功耗低、可满足大规模部署、可实现剖面水文数据测量等优势；

本发明使用电缆缠绕装置实现整个水深下的剖面数据的测量，节省传感器的布放个数，提高水文数据空间分辨率；使用基于6LoWPAN方案组建无线传感器网络，扩大节点数量。

附图说明

图1为本发明监测系统的结构示意图。

图2为本发明中无线传感器网络的结构示意图。

图3为浮标节点的控制及数据采集板硬件原理图。

其中，1-通信天线；2-压力传感器；3-溶解氧传感器；4-温度传感器；5-盐度传感器；6-太阳能电池板；7-耐压仓；8-电源板；9-控制和数据采集板；10-充电电池组；11-凯夫拉电缆；12-直流减速电机；13-缆盘；14-重力锚块；15-控制中心；16-服务器；17-边缘路由器；18-浮标节点。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

如图1所示，一种低成本近海养殖水质监测系统，包括耐压仓7、凯夫拉电缆11、缆盘13、直流减速电机12以及重力锚块14；其中，耐压仓7的外部装有太阳能电池板6、通信天线1、压力传感器2、温度传感器4、盐度传感器5以及溶解氧传感器3；

太阳能电池板6，被配置为用于为充电电池组10充电；

通信天线1，被配置为用于将采集的数据传输至控制中心15；

压力传感器2、温度传感器4、盐度传感器5、溶解氧传感器3，被配置为用于测量整个水深剖面的水文数据；

耐压仓7的内部装有充电电池组10、电源板8以及控制和数据采集板9；

充电电池组10，被配置为用于通过太阳能电池板6进行充电；

电源板8，被配置为用于负责整个系统的供电及太阳能电池板6的电源的转化；

控制及数据采集板9，其内设置有电机控制电路，被配置为用于控制缆盘13的正反转实现耐压仓7的上升和下降，同时采集压力传感器2、温度传感器4、盐度传感器5和溶解氧传感器3的数据；

凯夫拉电缆11，其内部设置有两芯电源线，为直流减速电机12提供电力；同时其内部设置有凯夫拉丝，被配置为用于提供耐压仓7上浮和下潜所需要的拉力；

直流减速电机12，被配置为用于带动缆盘13正转或者反转，当直流减速电机12带动缆盘13正转时，将凯夫拉电缆11缠绕到缆盘上，耐压仓7下潜；当直流减速电机12带动缆盘13反转时，凯夫拉电缆11从缆盘13上脱离，耐压仓上浮；

缆盘13，被配置为用于缠绕凯夫拉电缆11；

重力锚块14，被配置为用于固定直流减速电机12和缆盘13，使整个系统沉入海底，并通过凯夫拉电缆11拖曳耐压仓7。

实施例2：

在上述实施例1的基础上，本发明还提到一种低成本近海养殖水质监测方法，具体包括如下步骤：

步骤1：将系统布置于水深不超过20米的海域；

步骤2：控制及数据采集板控制直流减速电机带动缆盘正转，将耐压仓拉至海底，耐压仓下潜的过程中，温度传感器不断测量各个水深的温度、盐度传感器不断测量各个水深的盐度、溶解氧传感器不断测量各个水深的溶解氧，通过控制及数据采集板内置的SD卡将数据储存至卡内；

步骤3：耐压仓下潜至预置深度时，控制及数据采集板控制直流减速电机停止使缆盘停止动作；

步骤4：控制及数据采集板采集完下潜数据后，通过反转直流减速电机的供电电压，控制缆盘反转，耐压仓逐渐上浮，上浮过程中，控制及数据采集板统一采集相关传感器的数据，当压力传感器检测到耐压仓上浮至海面时，控制及数据采集板控制直流减速电机停止转动；

步骤5：上浮至海面后通过无线通信方式将剖面数据发送至控制中心，通过太阳能电池板为锂电池充电；

步骤6：当遇到涨潮时，海面淹没耐压仓，压力传感器检测耐压仓此时的压力值，通过智能控制算法计算涨潮的高度，控制及数据采集板控制直流减速电机将凯夫拉电缆释放适当的长度；

步骤7：当遇到落潮时，缆盘自带预紧力，能自动控制回收线缆，保证落潮时凯夫拉电缆处于回收状态。

在步骤5中，无线通信方式采用以6LoWPAN方案组建无线传感器网络，如图2所示，边缘路由器17负责各个浮标节点18间的无线组网，并为节点分配地址，水质监测数据从节点传输到边缘路由器17，再由边缘路由器17转发至控制中心15。控制中心15接收各个浮标节点18传输来的各种水质监测数据，对数据进行存储、分析和处理，实现智能化的管理、应用和服务。

每个浮标节点除了可以作为传感器节点采集监测数据外，还可以作为路由节点使用。当设置浮标节点启用路由功能时，它可以接收其它浮标节点的接入，并负责向边缘路由器或者向它的上一级路由器节点转发其它浮标节点采集的监测数据。

控制中心15还能够实时获取和监视各个浮标节点部署地点的环境参数，并且能够对传感器节点的运行状态进行控制；主要工作过程有：

数据采集过程：浮标节点将包含水质数据的数据包，发送给无线传感器网络中的临近节点，数据包经过多跳传输后发送给边缘路由器，由边缘路由器将转发至服务器端；

数据存储、处理和发布：服务器端收到数据后，按照预定格式对数据解析后存入数据库，服务器端负责监视数据和浮标节点运行的异常状况；

浮标节点控制：服务器端发出浮标节点控制指令，指令数据包经边缘路由器转发至浮标节点，浮标节点向服务器端回发确认包后，执行指令，改变自身状态

浮标节点控制板的结构如图3所示，为实现水质数据的实时在线监测，浮标节点需要连续工作，本发明中浮标节点采用太阳能电池为控制板供电，并配置专门收集电源管理电路。bq25505用来调节太阳能电池提供的能量。CSD75208W1015为低阻负载开关，负责切换充电锂电池和备用电池，为控制器、处理器和各个传感器供电。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种低成本近海养殖水质监测系统，其特征在于：包括耐压仓、凯夫拉电缆、缆盘、直流减速电机和重力锚块；其中，耐压仓外装有太阳能电池板、通信天线、压力传感器、温度传感器、盐度传感器、溶解氧传感器以及控制中心；

太阳能电池板，被配置为用于为充电电池组充电；

通信天线，被配置为用于将采集的数据传输至控制中心；

压力传感器、温度传感器、盐度传感器、溶解氧传感器，被配置为用于测量整个水深剖面的水文数据；

控制中心，被配置为用于接收各种水质监测数据，并对数据进行存储、分析和处理；

耐压仓的内部装有充电电池组、电源板以及控制和数据采集板；

充电电池组，被配置为用于通过太阳能电池板进行充电；

电源板，被配置为用于负责整个系统的供电及太阳能电池板的电源的转化；

控制及数据采集板，其内设置电机控制电路，被配置为用于控制缆盘的正反转实现耐压仓的上升和下降，同时采集压力传感器、温度传感器、盐度传感器和溶解氧传感器的数据；

凯夫拉电缆，其内部设置有两芯电源线，被配置为用于为直流减速电机提供电力；同时其内部设置有凯夫拉丝，被配置为用于为耐压仓上浮和下潜提供拉力；

直流减速电机，被配置为用于带动缆盘正转或者反转，当直流减速电机带动缆盘正转时，将凯夫拉电缆缠绕到缆盘上，耐压仓下潜；当直流减速电机带动缆盘反转时，凯夫拉电缆从缆盘上脱离，耐压仓上浮；

缆盘，被配置为用于缠绕凯夫拉电缆；

重力锚块，被配置为用于固定直流减速电机和缆盘，使整个系统沉入海底，并通过凯夫拉电缆拖曳耐压仓。

2.根据权利要求1所述的低成本近海养殖水质监测系统，其特征在于：凯夫拉电缆的表面分布有聚氨酯结构。

3.一种低成本近海养殖水质监测方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的一种低成本近海养殖水质监测系统，具体包括如下步骤：

步骤1：将系统布置于水深不超过20米的海域；

步骤2：控制及数据采集板控制直流减速电机带动缆盘正转，将耐压仓拉至海底，耐压仓下潜的过程中，温度传感器不断测量各个水深的温度、盐度传感器不断测量各个水深的盐度、溶解氧传感器不断测量各个水深的溶解氧，通过控制及数据采集板内置的SD卡将数据储存至卡内；

步骤3：耐压仓下潜至预置深度时，控制及数据采集板控制直流减速电机停止使缆盘停止动作；

步骤4：控制及数据采集板采集完下潜数据后，通过反转直流减速电机的供电电压，控制缆盘反转，耐压仓逐渐上浮，上浮过程中，控制及数据采集板统一采集相关传感器的数据，当压力传感器检测到耐压仓上浮至海面时，控制及数据采集板控制直流减速电机停止转动；

步骤5：耐压仓上浮至海面后通过无线通信方式将剖面数据发送至控制中心，通过太阳能电池板为锂电池充电；

步骤6：当遇到涨潮时，海面淹没耐压仓，压力传感器检测耐压仓此时的压力值，通过智能控制算法计算涨潮的高度，控制及数据采集板控制直流减速电机将凯夫拉电缆释放适当的长度；

步骤7：当遇到落潮时，缆盘自带预紧力，能自动控制回收线缆，保证落潮时凯夫拉电缆处于回收状态。

4.根据权利要求3所述的低成本近海养殖水质监测方法，其特征在于：在步骤5中，无线通信方式采用以6LoWPAN方案组建无线传感器网络，负责各个浮标节点之间的无线组网，并为节点分配地址，水质监测数据从各个浮标节点传输到边缘路由器，再由边缘路由器转发至控制中心，控制中心接收传输来的各种水质监测数据，对数据进行存储、分析和处理，实现智能化的管理、应用和服务。

5.根据权利要求4所述的低成本近海养殖水质监测方法，其特征在于：控制中心还能够实时获取和监视各个浮标节点部署地点的环境参数，并且能够对传感器节点的运行状态进行控制；控制中心包括如下工作过程：

数据采集过程：浮标节点将包含水质数据的数据包，发送给无线传感器网络中的临近节点，数据包经过多跳传输后发送给边缘路由器，由边缘路由器将转发至服务器端；

数据存储、处理和发布：服务器端收到数据后，按照预定格式对数据解析后存入数据库，服务器端负责监视数据和浮标节点运行的异常状况；

浮标节点控制：服务器端发出浮标节点控制指令，指令数据包经边缘路由器转发至浮标节点，浮标节点向服务器端回发确认包后，执行指令，改变自身状态。

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