CN111289587A - 一种轻型智能水质检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻型智能水质检测系统及方法，系统包括太阳能光伏电板、电源模块、控制通信定位模块、浮力件、检测部、配重件和外壳，太阳能光伏电板设置在上表面，为电源模块充电，电源模块为控制通信定位模块和检测部供电；所述浮力件环置于电源模块和控制通信定位模块的外围；所述检测部和配重件设置在浮力件下方，由外壳包裹；所述检测部包括温度检测电路、PH检测电路、浊度检测电路、电导率检测电路和溶解氧检测电路。本发明包含了智能检测、数据上传、分析、定位污染区域等的一个完善的检测后并及时作出反馈的系统和方法，当水域遭到人文或自然的污染时无法及早的发现并进行有效的治理，导致污染进一步扩散和加重。
Description
技术领域
本发明属于检验检测领域，涉及一种轻型智能水质检测系统及方法。
背景技术
现有的水污染检测装置通过对温度、PH值、溶解氧含量、混浊度和导电率五个基础水质参数完成检测的环保水质检测仪。其检测的过程需要人工携带装置到达目标检测区域后，使用采集装置，并将采集到的水样进行检测并收集数据，当需要流动的检测一定范围的河流区域时，则需要人工的将装置带到船舶等水上交通工具上进行检测。存在如下不足：
(1)最大弊端在于需要很多人为参与，无法自动的对一个水域进行智能的检测。其次人工对水域的检测需要耗费大量的人力物力，检测的效率并不是很高。对一定河流区域或湖泊的水质检测多为点式的检测，即为人为的随机选取一个目标检测点进行抽测，这样的方式使得检测的范围和精度都难以保证，而大范围且检测覆盖密集的方式则需要耗费过多的人力、耗资和时间。所以大多的时候都是以小范围的且采样点不多的人工点式的检测，既很难及时有效的发现污染源采取及时有效的治理措施，又无法准确的定位污染源；
(2)虽然有多功能的属性，但是繁琐的测量方式以及大量的数据和复杂的操作，使得参与的人员需要有较准确和正确的操作流程才能得到较为精确的测量数据。这使得检测就很难有效的发现并定位那些存在污染但又污染不严重的污染源。并且检测仪器虽有多样的功能设置却没有得到很好的外形整合。所以这样的一个检测仪器系统通常包括了：采集模块、分析模块、数据处理收集模块、电源模块、显示模块。这些模块没有得到很好的整合就导致检测仪器使用起来的繁琐和复杂；
(3)无法形成一个完整高效的系统，即包含了智能检测、数据上传、分析、定位污染区域等的一个完善的检测后并及时作出反馈的系统。当水域遭到人文或自然的污染时无法及早的发现并进行有效的治理，导致污染进一步扩散和加重。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种轻型智能水质检测系统，包括太阳能光伏电板、电源模块、控制通信定位模块、浮力件、检测部、配重件和外壳，其中，
所述太阳能光伏电板设置在上表面，为电源模块充电，电源模块为控制通信定位模块和检测部供电；所述浮力件环置于电源模块和控制通信定位模块的外围；所述检测部和配重件设置在浮力件下方，由外壳包裹；所述检测部包括温度检测电路、PH检测电路、浊度检测电路、电导率检测电路和溶解氧检测电路。
优选地，所述电源模块包括双电层电容器。
优选地，所述电源模块包括TPS5430芯片，输出3.3V和-5V电压。
优选地，所述温度检测电路包括温度传感器DS18B20。
优选地，所述控制通信定位模块包括MSP430芯片。
优选地，所述PH检测电路包括PH电极、TL431芯片、AD8663芯片和两个LM358芯片，其中，PH电极根据水中酸碱度变化，产生对应的直流电压变化，将PH值信号转化为电信号，MSP430芯片中自带ADC采集0-2.5V正电压，PH电极输出电压包含负压，需给PH电极添加基准电压作偏置，使其输出电压全部为正压，采用TL431芯片，将其引脚1与引脚2短接，在引脚1上得到输出稳定的电压，再通过滑动变阻器分压，将产生的基准电压传输至一个LM358芯片的引脚3上，将其引脚1与引脚2相连构成电压跟随器，用于PH电极输入端阻抗隔离，保障基准电压稳定性；采用运算放大器AD8663芯片作为PH电极输出端的电压跟随器，隔离运算放大器AD8663芯片之前的电路。
优选地，所述浊度检测电路采用氚灯作为入射光光源，通过硅光电池将采集到的浊度信号转换为电压信号。
优选地，所述电导率检测电路包括电导率电极。
优选地，所述溶解氧检测电路包括极谱型溶解氧电极，使水中氧分子在阴极上被还原，产生电流信号，再转化为电压信号发送给控制通信定位模块。
基于上述目的，本发明还提供了一种轻型智能水质检测方法，包括以下步骤：
S10，将多个轻型智能水质检测系统进行投放；
S20，控制通信定位模块开启控制、通信及定位，检测部对水质进行检测，太阳能光伏电板为电源模块充电；
S30，检测部上传检测数据至终端，终端判断是否存在污染；
S40，是，则对附近若干个轻型智能水质检测系统上传的检测数据进行比对，判断是否存在污染；
S50，是，则评估污染等级，上传检测数据、地理位置和污染等级于后台。
与现有技术相比，本发明至少有以下有益效果：
1.多个功能相同且相互独立、数据相互关联的监测系统和接受数据的终端所构成，每个系统包括：可检测、记录并整合对温度、PH值、溶解氧含量、混浊度和导电率五个基础水质参数的检测部；太阳能光伏电板以及3000毫安时的电池所组成的可充电的电源模块；分析当前水质参数并评估其是否受污染或污染程度的评估单元；全球GPS定位系统的定位单元；向终端发送实时水质参数和水质情况数据和当前所在位置的数据传输单元；整个系统使得对河流或湖泊的监测做到“无人”监测，只需人为的将多个监测系统定期的从待检测的河流的上游或湖泊周围放入，系统可漂浮于河面之上并且有较稳定的重心以及坚固的外壳可以保证装置长时间的在河面上的复杂环境中保持有效的工作状态；并且多个系统的同时投放，它们的数据将会实时上传到终端进行综合评估，以确保更准确的最终数据；
2.结构较简单，成本低，具有良好的性能；检测部被固定在位于系统下半部分的顶部，并且下方也有支架支撑，保证检测部的工作环境的稳定性；位于下方底部，放置并固定3kg的配重件以降低整个装置的重心，确保在湍急的水域如遇到系统整个翻转的情况，可通过自身的重心进行姿态调整；
3.智能发现并评估系统检测到的污染；检测部所采集到的数据传输到终端后将会通过编译好的程序进行判定、筛选并分析；通过分析同一时间投放入河流的检测系统在相同水域获得并传回的数据，首先判断这一组数据中是否有存在数据超过污染标准，若没有则只记录数据，若出现超过污染标准的数据则对其超标的情况进行污染评估，并根据已有的标准，对污染的程度进行判断；同时分析其他的检测系统在附近位置的数据，是否也存在污染超标的数据或是未达到污染标准但数据有存在接近污染标准的迹象，防止是数据的错误或突然的增加导致系统的误判；最后将检测出污染的水域的完整的数据、最终的污染程度以及所在地理位置第一时间反馈于后台，或环境监测部门等有关部门，得以在第一时间有效的采取治理防止污染的扩散；
4.拥有良好耐久的材料以及结构设计，所有使用的能源均来自太阳能，并且可以通过回收后再次利用，达到了绿色清洁环保的设计目的，即便出现故障或由于自然不可抗力功能丧失时，外部的牢固的结构设计加上自身的GPS定位系统会保持长时间的工作状态，确保其能被有效快速的回收，不会对外界环境造成污染；使用太阳能发电，在缺少太阳能的情况下也能长时间工作。
附图说明
图1为本发明实施例的轻型智能水质检测系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的轻型智能水质检测系统的外视结构示意图；
图3为本发明具体实施例的轻型智能水质检测系统的温度检测电路原理图；
图4为本发明具体实施例的轻型智能水质检测系统的PH检测电路原理图；
图5为本发明具体实施例的轻型智能水质检测系统的浊度检测电路原理图；
图6为本发明具体实施例的轻型智能水质检测系统的电导率检测电路原理图；
图7为本发明具体实施例的轻型智能水质检测系统的溶解氧检测电路原理图；
图8为本发明具体实施例的轻型智能水质检测系统的电源模块中一电路原理图；
图9为本发明具体实施例的轻型智能水质检测系统的电源模块中又一电路原理图；
图10为本发明实施例的轻型智能水质检测方法的步骤流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
系统实施例1
参见图1、2，所示为本发明一实施例的轻型智能水质检测系统结构示意图，包括太阳能光伏电板1、电源模块2、控制通信定位模块3、浮力件4、检测部6、配重件8和外壳，其中，
太阳能光伏电板1设置在上表面，为电源模块2充电，电源模块2为控制通信定位模块3和检测部6供电；所述浮力件4环置于电源模块2和控制通信定位模块3的外围；所述检测部6和配重件8设置在浮力件4下方，由外壳包裹；所述检测部6包括温度检测电路、PH检测电路、浊度检测电路、电导率检测电路和溶解氧检测电路。
通过上述设置，上部分为一个形状为上边缘倒圆角的高75mm的圆柱体，最大直径处不超过400mm，外壳是厚度为6mm的PC聚碳酸树酯板，位于外壳顶部有直径200mm的太阳能光伏电板1，通过6个规格为M3*10mm-SRB的螺丝固定在外壳上，向位于内部的电源模块2充电，电源模块2中包括双电层电容器，可快速的充放电且较小的体积可以达到法拉级电容量，同时若系统损坏该电源不会对环境造成污染；控制通信定位模块3存放并固定在一个密闭的圆柱体空间内，上下通过导线和信号传输线与其他模块相连；为了使系统能稳定的浮在水面上，系统上部还装填了浮力件4，浮力件4为直径约100mm近似圆环状的PUR聚氨酯的高发泡材料，密度为0.2g/cm^3。下部分的形状为倒置的锥形，其外壳的外层为4mm复合橡胶，内层为4mmPC聚碳酸树酯板，若遇到碰撞或外部的环境带来的磨损和冲击，有效的保护内部装置的稳定的工作状态。位于下部分外壳顶部的四周有直径25mm的通孔5，使得外部的水可以流入系统内部并且与检测部6有效接触，检测部6的上方通过型号为M3*20mm-SRB的螺丝将其固定在上部分的和下部分的外壳上，下方将通过M3*10mm-SRB的螺丝固定在配重件8上，配重件8采用刷漆的铁，重量为5kg，以增加整个系统的稳定性。
系统实施例2
参见图3为温度检测电路原理图，包括温度传感器DS18B20，控制通信定位模块包括MSP430芯片，温度传感器DS18B20用一个I/O口与微处理器MSP430芯片双向通讯，其测量范围在-55℃—125℃，工作电源为3V—5.5V，测量结果以9-12位数字量方式串行传输，无需任何外围元件。
系统实施例3
参见图4，为PH检测电路原理图，包括PH电极P1、TL431芯片U1、AD8663芯片U3和两个LM358芯片U2.1/U2.2，其中，PH电极P1根据水中酸碱度变化，产生对应的直流电压变化，将PH值信号转化为电信号，MSP430芯片中自带ADC采集0-2.5V正电压，PH电极P1输出电压包含负压，需给PH电极P1添加基准电压作偏置，使其输出电压全部为正压，采用TL431芯片U1，将其引脚1与引脚2短接，在引脚1上得到输出稳定的电压，再通过滑动变阻器R2分压，将产生的基准电压传输至一个LM358芯片U2.1的引脚3上，将其引脚1与引脚2相连构成电压跟随器，用于PH电极P1输入端阻抗隔离，保障基准电压稳定性；采用运算放大器AD8663芯片U3作为PH电极P1输出端的电压跟随器，隔离运算放大器AD8663芯片U3之前的电路。LM358芯片U2.2与电阻R5、R6构成了放大电路，可将PH电极P1输出的电压值放大到适合单片机MSP430芯片采样的电压再送入单片机MSP430芯片端口使其采集；R7和C4构成低通滤波器，使单片机MSP430芯片采样值更精确。
系统实施例4
参见图5，为浊度检测电路原理图，采用氚灯作为入射光光源，通过硅光电池将采集到的浊度信号转换为电压信号，由于采集到的电信号非常小，需进行放大处理。OR07CD芯片U2与电阻R1，R2构成放大电路，对转换而来的电信号进行初级放大。为避免外界自然光、电源波动等信号对测量结果造成影响，需将采集到的电信号进行滤波处理。C1,C2,R4,R5,R6,R7构成了二阶高通滤波器，滤除外界干扰信号，并将信号送入下一级放大电路。调节滑动变阻器R9可将信号调节到合适的范围并通过二极管D1。二极管D1解调出的信号再经过L1,C3,C4构成的π型低通滤波器滤除干扰信号最终送入单片机MSP430芯片处理。
系统实施例5
参见图6，为电导率检测电路原理图，包括电导率电极P1，利用电导率电极P1构成的等效电阻间接推算出电导率。AD9833芯片U1为ADI公司生产的一款低功耗，可编程波形发生器。可输出正弦波、三角波、方波。该波形发生器无需外接元件，可应用于各种测量、激励和时域响应领域。其输出频率与相位都可通过软件编程。AD9833的寄存器为28位，25MHz参考时钟下，其精度为0.1Hz。利用3线SPI接口进行通讯，工作电压范围为2.3V-5.5V。AD637为ADI公司生产的一款高精度RMS-DC转换器，电压输入范围为0-2V时，输出最大非线性误差约为0.02％，当波峰因数为3时，其附加误差仅为0.1％。可用于计算任何复杂波形的有效值。具有分贝输出功能，可输出的最大量程为60dB。AD9833 U1产生激励信号，由单片机MSP430芯片控制U1产生正弦波。OP07芯片U2,R1,R2,R3构成的放大电路，通过调节滑动变阻器R2可调节放大器放大倍数，将信号放大到合适范围。产生的电压信号进过电导率电极P1转化为电流信号并经过CD4052芯片U6转化为电压信号；同时，U6先对初次采集电压范围估算电流信号范围，再根据该值转换合适电阻以提高精度。OP07芯片U4为放大电路，将信号放大到便于采集的范围；再将该信号送入AD637芯片U7最终将交流信号转换为直流信号并送入单片机MSP430芯片处理。
系统实施例6
参见图7，为溶解氧检测电路原理图，包括极谱型溶解氧电极，使水中氧分子在阴极上被还原，产生电流信号，再转化为电压信号发送给控制通信定位模块。当极化电压为0.7V时，输出电流较为稳定，所以通过激励源产生0.7V激励电压。TL431芯片U1用于产生稳定电压，将U1引脚1，引脚2相连，便可在引脚2产生稳定电压；调节滑动变阻器R2，使电压稳定在0.7V。LM358芯片U2构成电压跟随器进行U1与溶解氧电极之间的阻抗隔离。CA3140芯片U3与R4,R5,R6,C3构成了电流转换电路；溶解氧电极输出的电流信号经过U3后在其引脚6转换为电压信号；通过调节滑动变阻器R5，将信号中的偏置电压调为零；TL082芯片U4与R7,R8,R9,C4构成放大电路，通过调节R9，将信号放大到合适倍数并最终送入单片机MSP430芯片处理。
系统实施例7
参见图8、9，为电源模块电路原理图，电源模块2包括双电层电容器C4、C6。
电源模块2包括TPS5430芯片U1，输出3.3V和-5V电压；其输入电压范围从5.5V到36V，具有较强负载能力，输出电流高达3A，峰值可达5A。该芯片具有较高效率，最高可实现95％。同时该芯片具有较宽输出范围，最低可输出1.22V。
由电压输出公式可知：
当R1＝10k,R2＝3.24k时，电压输出为-5V；当R1＝10k,R2＝5.9k时，电压输出为3.3V。
方法实施例
参见图10，包括以下步骤：
S10，将多个轻型智能水质检测系统进行投放；
S20，控制通信定位模块开启控制、通信及定位，检测部对水质进行检测，太阳能光伏电板为电源模块充电；
S30，检测部上传检测数据至终端，终端判断是否存在污染；
S40，是，则对附近若干个轻型智能水质检测系统上传的检测数据进行比对，判断是否存在污染；
S50，是，则评估污染等级，上传检测数据、地理位置和污染等级于后台。
本发明的方法通过人工的方式投放入河流等待监测的水域，为了保证监测的准确性及覆盖范围，可根据河流的宽度等投放入多个检测系统。投放入水域中的系统即刻开始工作，检测部开始对水的五个基本参数进行检测、控制通信定位模块中的GPS定位统模块开始记录地理位置信息、太阳能光伏电板开始为电源模块充电。控制通信定位模块内部的控制模块对当前的水质参数以及地理位置信息进行整合并由通过通信模块将数据上传至外界特定的主机；主机内的程序对所有检测系统的传回参数进行评估和记录。当出现了超过污染标准的水质参数时，程序会对其余系统在同一地理位置传回的数据进行比对是否确实都存在数据达到污染标准。若只是一个系统的数据存在达到污染标准的情况则视为误报或出现其它特殊情况对该地理位置进行标记等待下一次的检测，再次对该地理位置进行检测确认。但若其余的检测系统或部分的检测系统都存在水质参数到达污染标准的情况则确认该地区存在污染的情况，同时对污染的程度进行判定，及时向有关部门作出提示并进行治理，阻断污染源，检测系统完成了对目标水域的检测后可由人工回收后再次进行下一次的检测工作。
方法的具体实施例同系统实施例，不再赘述。
本发明的每一个检测系统都是独立的并且可以实时传回水质信息。只需将若干的检测系统投放入河流等水域后，即可有效的覆盖待监测水域，并获得准确误差较小的水质基本参数后有传输装置将数据实时传输回终端。整个过程不需要人为的介入，实现全智能的监控。
检测部的功能包括了对当前水域的温度、PH值、溶解氧的含量、混浊度和导电率的实时检测。通过分析所有参数电极的特性改进并完善了所对应的调理和采集电路。同时，下位机通过C语言编写，并可智能地将电导率和溶解氧参数同所在水域的温度进行平衡，可避免水温对测量精度产生影响；电导率检测电路设计多个档位，在不同的情况下进行最优选择，有效提高测量的精度。所述检测部可完全实现对水质参数的检测，且准确的测量出以上需测量的数据。
系统中控制通信定位模块内的GPS定位将和检测部共同运作，每一单位时间内所检测出的水质数据将对应着同步的地理位置信息，并由控制通信定位模块内的数据传输装置传回终端。
通过使用C语言编写的程序的终端，对发回的数据进行快速高效的分析评估，并对污染情况及时上报。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种轻型智能水质检测系统，其特征在于，包括太阳能光伏电板、电源模块、控制通信定位模块、浮力件、检测部、配重件和外壳，其中，
所述太阳能光伏电板设置在上表面，为电源模块充电，电源模块为控制通信定位模块和检测部供电；所述浮力件环置于电源模块和控制通信定位模块的外围；所述检测部和配重件设置在浮力件下方，由外壳包裹；所述检测部包括温度检测电路、PH检测电路、浊度检测电路、电导率检测电路和溶解氧检测电路。
2.根据权利要求1所述的轻型智能水质检测系统，其特征在于，所述电源模块包括双电层电容器。
3.根据权利要求1所述的轻型智能水质检测系统，其特征在于，所述电源模块包括TPS5430芯片，输出3.3V和-5V电压。
4.根据权利要求1所述的轻型智能水质检测系统，其特征在于，所述温度检测电路包括温度传感器DS18B20。
5.根据权利要求1所述的轻型智能水质检测系统，其特征在于，所述控制通信定位模块包括MSP430芯片。
6.根据权利要求5所述的轻型智能水质检测系统，其特征在于，所述PH检测电路包括PH电极、TL431芯片、AD8663芯片和两个LM358芯片，其中，PH电极根据水中酸碱度变化，产生对应的直流电压变化，将PH值信号转化为电信号，MSP430芯片中自带ADC采集0-2.5V正电压，PH电极输出电压包含负压，需给PH电极添加基准电压作偏置，使其输出电压全部为正压，采用TL431芯片，将其引脚1与引脚2短接，在引脚1上得到输出稳定的电压，再通过滑动变阻器分压，将产生的基准电压传输至一个LM358芯片的引脚3上，将其引脚1与引脚2相连构成电压跟随器，用于PH电极输入端阻抗隔离，保障基准电压稳定性；采用运算放大器AD8663芯片作为PH电极输出端的电压跟随器，隔离运算放大器AD8663芯片之前的电路。
7.根据权利要求1所述的轻型智能水质检测系统，其特征在于，所述浊度检测电路采用氚灯作为入射光光源，通过硅光电池将采集到的浊度信号转换为电压信号。
8.根据权利要求1所述的轻型智能水质检测系统，其特征在于，所述电导率检测电路包括电导率电极。
9.根据权利要求1所述的轻型智能水质检测系统，其特征在于，所述溶解氧检测电路包括极谱型溶解氧电极，使水中氧分子在阴极上被还原，产生电流信号，再转化为电压信号发送给控制通信定位模块。
10.一种权利要求1-9之一所述系统的轻型智能水质检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10，将多个轻型智能水质检测系统进行投放；
S20，控制通信定位模块开启控制、通信及定位，检测部对水质进行检测，太阳能光伏电板为电源模块充电；
S30，检测部上传检测数据至终端，终端判断是否存在污染；
S40，是，则对附近若干个轻型智能水质检测系统上传的检测数据进行比对，判断是否存在污染；
S50，是，则评估污染等级，上传检测数据、地理位置和污染等级于后台。
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