CN111369775A - 一种基于物联网的水体生态监测及修复系统 - Google Patents

Abstract

一种基于物联网的水体生态监测及修复系统，是由无线采集节点、无线网关节点、远程监控中心构成，由无线采集节点的微传感单元监测采集到的水体生态数据信息经信号调理与微弱信号检测电路调理以后，经第一无线传输模块传输至无线网关节点的第二无线传输模块，而后输入微处理器，将各种数据信息进行集中分析，而后由信号收发模块将信号传输至远程监控中心，远程监控中心会根据监控到的水体生态信息自动生成适应于不同水体生态情况的修复措施。本发明能全天时全天候进行水体生态高精度监测，并能根据监测结果进行适应于不同情况的修复，有利于建立水体生态的长期监测和修复，确保水体生态系统整体协调，达到自我维持、自我演替的良性循环。

Description

一种基于物联网的水体生态监测及修复系统

技术领域

本发明涉及一种监测及修复系统，具体为一种基于物联网的水体生态监测及修复系统， 应用于水体生态监测及修复领域。

背景技术

水体生态监测通过获取地表水(包括江、河、湖、海)的水质信息，实现水质的实时连 续监测和远程监控，及时掌握主要流域的水质状况，并预警/预报重大或流域性水质污染事故。 我国水资源缺乏，以长江、黄河等为主干的河流水系以及洞庭湖、鄱阳湖等湖泊面临着化学 物污染、重金属污染、少水或者淤塞等严重威胁。为此，建立国家级河流、湖泊监测体系， 对于我国水资源的保护与优化应用将发挥至关重要的作用。

水体生态修复是利用生态系统原理，以生物修复为手段，结合各种物理修复、以及工程 技术措施，重建受损水体生态系统的生物群体及结构，强化水体生态系统主要功能的一种综 合修复污染环境的方法，并最终实现生态系统整体协调、自我维持、自我演替的良性循环。

水环境监测需要在大范围内布置监测点，而且要求监测结果能够实时反映水质的变化并 根据水质变化及时对需要进行修复的水体进行修复。国内现阶段的水环境监测及修复方式主 要为人工监测及修复。由于监测和修复区域广泛、项目繁多，传统的人工监测效力甚微。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于物联网的水体生态监测及修复系统，解决背景技术中的 问题，本发明采用以下技术方案实现：

一种基于物联网的水体生态监测及修复系统，包括无线采集节点、无线网关节点、远程 监控中心，所述无线采集节点包括微传感单元、信号调理与微弱信号检测电路、第一无线传 输模块以及温差发电自供电模块，其中信号调理微弱信号检测电路输入端与微传感单元相连 接，输出端与第一无线传输模块相连接，所述微传感单元用于采集水体生态信息并将其转变 为电信号发送给信号调理与微弱信号检测电路，所述温差发电自供电模块分别与微传感单元、 信号调理与微弱信号检测电路及第一无线传输模块相连，所述无线网关节点包括第二无线传 输模块、微处理器、信号收发模块以及温差发电自供电模块，其中微处理器输入端与第二无 线传输模块相连接，输出端与信号收发模块相连接，所述温差发电自供电模块分别与第二无 线传输模块、微处理器及信号收发模块相连，所述远程监控中心由信号接收装置、显示屏和 主处理器组成，其中主处理器包括各种适用于检测、分析水体生态监控信号的元器件，并装 设有各种智能分析功能软件。

进一步地，所述无线采集节点与无线网关节点之间有无线数据传输，且无线传输是第一 无线传输模块与第二无线传输模块之间采用Zigbee通信技术进行。

进一步地，所述远程监控中心与无线网关节点的信号收发模块之间有无线GPRS信号传 输。

进一步地，所述温差发电自供电模块由温差发电装置和电能管理模块构成，其采用温差 发电装置的TEG将水面太阳辐射热能转化为电能，所述电能管理模块包括电能管理电路、电 能转换电路和电能存储器件，所述电能转换电路与温差发电装置的TEG相连，所述电能存储 器件分别与电能转换电路、电能管理电路、无线采集节点和无线网关节点相连。

进一步地，所述微处理器为低功耗中央微处理器，对多组监测数据信号进行集中分析， 并按预定程序进行数据预处理。

进一步地，所述无线采集节点的微传感单元为微缩实验室传感器和/或探头式传感器和/ 或气象参数传感器，放置于水体中，无线采集节点的数量根据水体监控区域面积和水体生态 实际情况设置。

进一步地，所述水体生态信息包括水体的温度信息、PH值信息、电导率信息、氨氮含量 信息和重金属污染信息。

进一步地，所述微传感单元的数量为若干，若干微传感单元并联设置。

进一步地，用于采集水体的温度信息和PH值信息的微传感单元为pH和温度集成传感器， 所述pH和温度集成传感器与信号调理与微弱信号检测电路之间依次设置有信号放大电路和 信号转换电路；

和/或，用于采集水体的电导率信息的微传感单元基于一对电导电极制作，通过将一对电 导电极浸人待测水样内，产生一个交流电压激励作用在两个电极上，测量两电极之间的电压 和回路中的电流，用电流值除以电压值就可得到测定水样的电导率；

和/或，用于采集水体的重金属污染信息的微传感单元为在线检测电化学传感器，所述在 线检测电化学传感器的电极结构为三电极配置，包括Hg工作电极、固态Ag/AgCl参考电极和 Pt计数电极，且所述Hg工作电极、固态Ag/AgCl参考电极和Pt计数电极均电镀在同一个硅 基上。

进一步地，所述远程监控中心能根据水体监测数据信号自动生成并启用适应于不同水体 生态情况的修复模块，包括各种修复措施进行的程度及修复参数、参量，这些模块包括：物 理修复模块、化学修复模块、生物修复模块、生态净化修复模块。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明能全天时全天候进行水体生态高精度 监测，并能根据监测结果进行适应于不同情况的修复，有利于建立水体生态的长期监测和修 复机制，确保水体生态系统整体协调，达到自我维持、自我演替的良性循环。

上述说明仅为本发明技术方案之概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依 照说明书的内容进行实施，以下结合本发明相关图例进行详细说明。

附图说明

图1为本发明总体技术方案图；

图2为本发明无线网关节点总体示意图；

图3为本发明pH和温度集成传感器的单元结构图；

图4为本发明在线检测电化学传感器的单元结构图；

图5为本发明无线采集节点总体示意图；

图6为本发明温差发电自供电模块示意图；

图7为本发明温差发电自供电模块电源管理电路结构示意图；

图8为本发明温差发电装置的剖视图；

图9为本发明温差发电自供电模块太阳辐射温差产生示意图；

图10为本发明技术方案拓扑图。

附图标记的对应关系为：

1-透明罩

2-TEG

3-TEG支撑件

4-集热板

5-隔热层

6-支撑板

7-泡沫浮垫

8-散热部件

如下具体实施方式将结合附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具 体图示，进一步阐述本发明。

参看图1，基于物联网的水体生态监测及修复系统，由无线采集节点、无线网关节点、 远程监控中心构成。

参看图2，所述无线采集节点包括若干微传感单元、信号调理与微弱信号检测电路、第 一无线传输模块以及温差发电自供电模块，其中微传感单元呈现可为微缩实验室传感器和/ 或探头式传感器和/或气象参数传感器，放置于水体中，用于采集水体生态信息，例如：水体 的温度信息、PH值信息、电导率信息、氨氮含量信息和重金属污染信息等；所述信号调理微 弱信号检测电路输入端与微传感单元相连接，输出端与第一无线传输模块相连接，由微传感 单元采集的水体生态数据信息经信号调理微弱信号检测电路检测、调理后，输入到第一无线 传输模块，第一无线传输模块即可以将数据信息传输到无线网关节点的第二无线传输模块， 所述温差发电自供电模块分别与微传感单元、信号调理与微弱信号检测电路及第一无线传输 模块相连，给各功能模块部件供电，即整套采集节点系统采用自供电，不需要外部供电。

作为本发明的优选实施方式，用于采集水体的温度信息和PH值信息的微传感单元为集 成的pH和温度传感器，该pH和温度传感器输出的是微弱电压信号，需要转换为标准的4～20MA信号才能便于处理，为此，需要连接信号放大和转换电路，即集成的pH和温度传感器与信号调理与微弱信号检测电路之间依次设置有信号放大电路和信号转换电路，具体如图 3所示。

在进一步地技术方案中，本发明中用于采集水体的电导率信息的微传感单元基于一对电 导电极制作，具体地，将一对电导电极浸人待测水样内，产生一个交流电压激励作用在两个 电极上，测量两电极之间的电压和回路中的电流，用电流值除以电压值就可得到测定水样的 电导率；同时，为了提高检测敏感性，本发明用于采集水体的重金属污染信息的微传感单元 为在线检测电化学传感器，该在线检测电化学传感器的电极结构为三电极配置，包括Hg工 作电极(WE)、固态Ag/AgCl参考电极(RE)和Pt计数电极(CE)，且Hg工作电极、固态 Ag/AgCl参考电极和Pt计数电极均电镀在同一个硅基上，微处理器产生方波激励信号经过 D/A和放大后作用在该电极上，电极根据控制信号进行电化学分析，输出检测信号输入到微 处理器A/D接口进行处理，实现重金属离子的在线检测，如图4所示。需要说明的是，采用 MEMS(微机电系统，Micro-Electro-Mechanical SysteM)技术按一定工艺将三个电极镀在同 一个硅基上。

此外，值得提及的是，本发明中用于采集水体的氨氮含量信息的微传感单元为在线氨氮 检测传感器，其优选为AmmoLyt plus 700IQ型号，该型号的在线氨氮检测传感器已补偿钾离 子干扰配置，且经济实用无须校正，长期稳定性好响应快速。该AmmoLyt plus700IQ型号的 线氨氮检测传感器功耗一般为200mW，检测范围为0.1mg～100mg/l，输出电压范围-2V～2V。

参看图5，所述无线网关节点包括第二无线传输模块、微处理器、信号收发模块以及温 差发电自供电模块，其中微处理器输入端与第二无线传输模块相连接，输出端与信号收发模 块相连接，第二无线传输模块接收无线采集节点的第一无线传输模块传输来的数据信息后， 将数据信息输入微处理器，微处理器将各种数据信息进行集中分析，并按预定程序进行数据 预处理，而后这些被按预定程序处理后的数据信息输出传递至信号收发模块，信号收发模块 即可通过GPRS通信模式将这些数据信息传输至远程监控中心，远程监控中心将这些监测区 域的监测信息进行综合整合分析，便能监测出整个水体的生态情况，远程监控中心能根据水 体生态情况，自动启动修复模块，生成适应于不同水体生态情况的修复措施，包括各种措施 进行的程度及修复参数、参量。所述温差发电自供电模块分别与第二无线传输模块、微处理 器及信号收发模块相连，用于给各功能模块部件供电。

参看图6，所述温差发电自供电模块由温差发电装置和电能管理模块构成，其采用温差 发电装置的TEG(Thermoelectric generator，半导体温差发电器)将水面太阳辐射热能转化为 电能，具体地，电能管理模块包括电能管理电路、电能转换电路和电能存储器件，电能转换 电路与温差发电装置的TEG相连，电能存储器件分别与电能转换电路、电能管理电路、无线 采集节点和无线网关节点相连，通过TEG借助太阳能发电后，电能通过电能转换电路的转换， 输入至电能存储器件，电能管理电路模块对电能进行使用管理，电能由电能存储器件直接给 无线采集节点和无线传感节点，实现自供电。参看图7，电源管理电路，包括起动电路、主 电路、开关电路、反馈电路和储能器件。起动电路为主电路的启动提供初始电压；主电路实 现低输入电压到高输出电压的高效率转换；开关电路控制主电路开启与关闭，并通过方波的 形式调节输出；反馈电路用于关闭起动电路及确保开关电路的工作；储能器件采用超级电容。 参看图8，上述温差发电装置，包括透明罩1、集热板4、隔热层5、支撑板6、散热部件8 和泡沫浮垫7，优选地，上述透明罩1呈半球型结构，但不仅限于此，支撑板6设置于透明 罩1的底部，并与透明罩1形成封闭空间，集热板4设置于上述封闭空间内，集热板4底部 贴设有TEG2，散热部件8通过TEG支撑件3与TEG2相连，TEG2与集热板4相连的一端为热 端，其与散热部件8相连的一端为冷端，集热板4底部还设置有隔热层5，隔热层5位于集 热板4与支撑板6之间，该泡沫浮垫7安装于支撑板6的底部，优选地，泡沫浮垫7上设置有用于容纳散热部件8的空腔，在温差发电装置放置于水中时通过泡沫浮垫7可以实现其悬浮发电。需要说明的是，为更好地实现半球型透明罩1与支撑板6的密封，该透明罩1底部 截面的直径小于支撑板6的长度。通过上述设置，该温差发电装置通过透明罩1实现外界能 源(如太阳能)的热辐射，然后经集热板4吸收，使集热板4温度升高，由于TEG2紧贴在集 热板4底部，集热板4把吸收的热量传到TEG2热端(TEG2与集热板4相连的一端为热端)， 而TEG2冷端(TEG2与散热部件8相连的一端为冷端)的热量则通过散热部件8耗散到水面， 从而在TEG2的两端产生大的温差，实现更多的热能转化为电能，高效发电。图9即为温差发 电装置应用于水面太阳辐射大温差产生的示意图。

实施例1：水体生态监测及监测数据传输

参看图10，并结合图1,2,5，在整个水体中，可以设置若干个监测区域，每个监测区域 设置若干无线采集节点，并设置一个无线网关节点，每个无线采集节点上有若干个不同的微 传感单元，微传感单元采集到的若干水体生态信息，例如：水体的温度信息、PH值信息、电 导率信息、氨氮含量信息和重金属污染信息等，这些信号经信号调理微弱信号检测电路进行 信号调理、检测，而后传递至第一无线传输模块，而后这些数据信息被采用Zigbee通信技术 从第一无线传输模块传输至无线网关节点的第二无线传输模块，由于设置有若干个无线采集 节点，若干组信号由第二无线传输模块接收，并输入至无线网关节点的微处理器，微处理器 对这些监控信号进行集中分析，并按预定程序进行数据预处理，而后这些被按预定程序处理 后的数据信息输出传递至信号收发模块，信号收发模块即可通过GPRS通信模式将这些数据 信息传输至远程监控中心，由于在整个水体中，设置了若干个监测区域，远程监控中心将这 些监测区域的监测信息进行综合整合分析，便能监测出整个水体的生态情况，远程监控中心 能根据水体生态情况，自动启动修复模块，生成适应于不同水体生态情况的修复措施，包括 各种措施进行的程度及修复参数、参量。

实施例2：水体生态修复

远程监控中心将这些监测区域的监测信息进行综合整合分析，便能监测出整个水体的生 态情况，远程监控中心能根据水体生态情况，自动启动修复模块，生成适应于不同水体生态 情况的修复措施，包括各种措施进行的程度及修复参数、参量。这些修复模块包括：(1)物 理修复模块：增氧曝气、底泥疏浚、引水换水/稀释冲刷；(2)化学修复模块：化学除藻、絮 凝沉淀、重金属化学固定；(3)生物修复模块：微生物修复(投菌法)、固化微生物法、仿生 植物法；(4)生态净化修复模块：水生植物净化发、生态浮岛、生态构建，具体由水体管理 人员及时实施，从而确保了水体生态系统整体协调。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应 该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原 理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进 都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于物联网的水体生态监测及修复系统，其特征在于：包括无线采集节点、无线网关节点、远程监控中心，所述无线采集节点包括微传感单元、信号调理与微弱信号检测电路、第一无线传输模块以及温差发电自供电模块，其中信号调理微弱信号检测电路输入端与微传感单元相连接，输出端与第一无线传输模块相连接，所述微传感单元用于采集水体生态信息并将其转变为电信号发送给信号调理与微弱信号检测电路，所述温差发电自供电模块分别与微传感单元、信号调理与微弱信号检测电路及第一无线传输模块相连，所述无线网关节点包括第二无线传输模块、微处理器、信号收发模块以及温差发电自供电模块，其中微处理器输入端与第二无线传输模块相连接，输出端与信号收发模块相连接，所述温差发电自供电模块分别与第二无线传输模块、微处理器及信号收发模块相连，所述远程监控中心由信号接收装置、显示屏和主处理器组成，其中主处理器包括各种适用于检测、分析水体生态监控信号的元器件，并装设有各种智能分析功能软件。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的水体生态监测及修复系统，其特征还在于：所述无线采集节点与无线网关节点之间有无线数据传输，且无线传输是第一无线传输模块与第二无线传输模块之间采用Zigbee通信技术进行。

3.根据权利要求1所述的基于物联网的水体生态监测及修复系统，其特征还在于：所述远程监控中心与无线网关节点的信号收发模块之间有无线GPRS信号传输。

4.根据权利要求1所述的基于物联网的水体生态监测及修复系统，其特征还在于：所述温差发电自供电模块由温差发电装置和电能管理模块构成，其采用温差发电装置的TEG将水面太阳辐射热能转化为电能，所述电能管理模块包括电能管理电路、电能转换电路和电能存储器件，所述电能转换电路与温差发电装置的TEG相连，所述电能存储器件分别与电能转换电路、电能管理电路、无线采集节点和无线网关节点相连。

5.根据权利要求1所述的基于物联网的水体生态监测及修复系统，其特征还在于：所述微处理器为低功耗中央微处理器，对多组监测数据信号进行集中分析，并按预定程序进行数据预处理。

6.根据权利要求1所述的基于物联网的水体生态监测及修复系统，其特征还在于：所述无线采集节点的微传感单元为微缩实验室传感器和/或探头式传感器和/或气象参数传感器，放置于水体中，无线采集节点的数量根据水体监控区域面积和水体生态实际情况设置。

7.根据权利要求1所述的基于物联网的水体生态监测及修复系统，其特征还在于：所述水体生态信息包括水体的温度信息、PH值信息、电导率信息、氨氮含量信息和重金属污染信息。

8.根据权利要求7所述的基于物联网的水体生态监测及修复系统，其特征还在于：所述微传感单元的数量为若干，若干微传感单元并联设置。

9.根据权利要求8所述的基于水体环境监测的无线采集节点，其特征在于，用于采集水体的温度信息和PH值信息的微传感单元为pH和温度集成传感器，所述pH和温度集成传感器与信号调理与微弱信号检测电路之间依次设置有信号放大电路和信号转换电路；

和/或，用于采集水体的电导率信息的微传感单元基于一对电导电极制作，通过将一对电导电极浸人待测水样内，产生一个交流电压激励作用在两个电极上，测量两电极之间的电压和回路中的电流，用电流值除以电压值就可得到测定水样的电导率；

和/或，用于采集水体的重金属污染信息的微传感单元为在线检测电化学传感器，所述在线检测电化学传感器的电极结构为三电极配置，包括Hg工作电极、固态Ag/AgCl参考电极和Pt计数电极，且所述Hg工作电极、固态Ag/AgCl参考电极和Pt计数电极均电镀在同一个硅基上。

10.根据权利要求1所述的基于物联网的水体生态监测及修复系统，其特征还在于：所述远程监控中心能根据水体监测数据信号自动生成并启用适应于不同水体生态情况的修复模块，包括各种修复措施进行的程度及修复参数、参量，这些模块包括：物理修复模块、化学修复模块、生物修复模块、生态净化修复模块。

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