CN112081314A - 一种初期雨水弃流系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雨水收集系统及控制方法，为解决城市雨水资源中的屋面雨水难以控制初期污染的技术问题，提供一种初期雨水弃流系统及其控制方法，系统包括弃流装置、雨量计、水位探测器和控制单元，以及依次连通的储水箱、过滤单元和净水箱，弃流装置包括驱动单元和箱体，箱体内设置有翻板，箱体的底部设置有隔板，箱体底部位于隔板两侧分别开设有第一出水口和第二出水口，顶部开设有入水口，翻板的两端分别位于第一出水口和第二出水口上方，驱动单元的输出端与翻板相连，控制单元与雨量计、水位探测器和驱动单元电连接，用于接收雨量计和水位探测器的检测数据，并根据检测数据控制驱动单元工作。控制方法是基于上述系统控制雨水的弃流和收集。

Description

一种初期雨水弃流系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及雨水收集系统及控制方法，具体涉及一种初期雨水弃流系统及其控制方法。

背景技术

随着人类社会发展进程的不断加快，世界各地面临的水资源供需矛盾日益突出、严重污染等问题日益凸显。为协调供需用水矛盾，减轻水资源压力，城市雨水资源收集利用的价值日益明显。不仅能够缓解用水紧张的问题，同时，在一定程度上能够改善局部小气候。

雨水的综合利用不仅可以缓解城市排水系统的压力，而且是对水资源的有效补充。对于城市雨水资源而言，屋面雨水占雨水资源总量的重要组成部分，该部分雨水易于收集，且水质相对较好，是城市初期雨水利用的主要对象。但初期雨水污染较重，如何经济有效地控制初期污染雨水，已成为雨水资源利用的技术关键。

发明内容

本发明为解决城市雨水资源利用中的屋面雨水难以控制初期污染雨水的技术问题，提供一种初期雨水弃流系统及其控制方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种初期雨水弃流系统，其特殊之处在于，包括弃流装置、雨量计、水位探测器和控制单元，以及依次连通的储水箱、过滤单元和净水箱；

所述弃流装置包括驱动单元和箱体；

所述箱体内设置有翻板，翻板宽度与箱体的宽度相适配，长度小于或者等于箱体的长度；箱体的底部设置有隔板，箱体底部位于隔板两侧分别开设有第一出水口和第二出水口，所述第一出水口与外部连通，第二出水口与储水箱相连通；箱体的顶部开设有入水口；

所述翻板的两端分别位于第一出水口和第二出水口上方，所述入水口位于翻板的上方；

所述驱动单元的输出端与翻板相连，用于驱动翻板转动；

所述雨量计设置在箱体外部；

所述水位探测器设置在净水箱内；

所述控制单元与雨量计、水位探测器和驱动单元电连接，用于接收雨量计和水位探测器的检测数据，并根据检测数据控制驱动单元工作。

进一步地，还包括太阳能供电单元；

所述太阳能供电单元包括蓄电池和安装在箱体外侧的太阳能电池板；

所述太阳能电池板为蓄电池供电；

所述蓄电池为驱动单元、控制单元、雨量计和水位探测器供电。

进一步地，所述控制单元包括雨量信息模块、存储模块、处理模块和水位信息模块；

所述雨量信息模块用于接收雨量计采集的雨量信息，发送至处理模块，所述雨量信息包括降雨量信息和降雨时间信息，处理模块根据雨量信息控制驱动单元工作；

所述水位信息模块用于接收水位探测器采集的净水箱中的水位信息，发送至处理模块，处理模块根据水位信息控制驱动单元工作；

所述处理模块用于根据接收的雨量信息和水位信息控制驱动单元工作，并将接收的信息发送至存储模块；

所述存储模块用于存储雨量信息和水位信息。

进一步地，所述处理模块中设置有RTC时钟和备用电源。

进一步地，所述驱动单元包括驱动电机和由驱动电机驱动的涡轮蜗杆，涡轮蜗杆的输出端与翻板相连。

进一步地，所述雨量计为翻斗式雨量计。

同时，本发明还提供了一种如上所述初期雨水弃流系统的控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1，通过雨量计检测当前雨量，将雨量信息发送至控制单元，控制单元根据雨量信息控制驱动单元工作，若不满足预设雨量要求，驱动单元带动翻板转动至向第一出水口一侧倾斜；若满足预设雨量要求，驱动单元带动翻板转动至向第二出水口一侧倾斜，并执行步骤S2；

S2，通过水位探测器检测净水箱中的水位，将水位信息发送至控制单元，控制单元根据水位信息控制驱动单元工作，若达到预设水位，带动翻板翻转至向第一出水口一侧倾斜；否则，翻板保持向第二出水口一侧倾斜。

进一步地，步骤S中，所述通过雨量计检测当前雨量，将雨量信息发送至控制单元具体为：雨量计根据当前雨量，采用IO中断的方式实时向控制单元输出脉冲信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明初期雨水弃流系统，通过雨量计检测当前雨量情况，可根据当前雨量情况控制翻板转动方向，使翻板倾向第二出水口或保持水平状态，决定对雨水进行弃流还是收集，收集的雨水可进入储水箱，经过滤单元过滤净化后进入净水箱待用，净水箱内设置有水位探测器，可避免净水箱中水位过高，根据水位探测器的探测数据可控制翻板继续倾向第二出水口对雨水进行收集，或是倾向第一出水口对雨水进行弃流，通过控制单元能够实现自动化雨水弃流和收集，能够在净水箱水满或雨停后使翻板自动复位至水平状态，等待下一次降雨；另外，本发明对弃流装置和控制单元进行了整合，无需单独组装，结构紧凑合理，安装时间和占用空间小，有效节约了成本，同时，为后期运输、安装和调试提供了便利；通过各部件间的配合，形成完整便捷的雨水弃流系统。

2.本发明中还包括太阳能供电单元，通过太阳能电池板为蓄电池供电，蓄电池为整个雨水弃流系统供电，使本发明的弃流系统能够在室外长期使用，且更加节能。

3.本发明的控制单元根据功能需要将各功能模块化，处理更加高效，同时能够对降雨量信息、降雨时间信息和水位信息进行存储，便于长期使用。

4.本发明中处理模块内设置有RTC时钟和备用电源，即使系统多次开关机，也能够记录正确的降雨时间信息。

5.本发明中驱动单元采用涡轮蜗杆驱动的方式，能够反向自锁且具有较大的减速比，工作效率高。

6.本发明中初期雨水弃流系统的控制方法，根据雨量计检测的雨量信息，通过控制单元控制驱动单元工作，在雨量小，或雨量较大但超出净水箱允许水位时，控制翻板向第一出水口一侧倾斜，对初期雨水或将导致净水箱溢流的雨水进行弃流，当雨量较大且未超出净水箱允许水位时，控制翻板向第二出水口一侧倾斜，对雨水进行收集，实现初期雨水弃流，且能够避免净水箱出现溢流情况，实现了初期雨水的自动化弃流或收集，高效便捷。

7.本发明中雨量计通过IO终端的方式向控制单元输出脉冲信号，一旦雨量计检测到有降雨且满足预设雨量要求，控制单元能够立刻及时响应，灵敏度更高，控制更加准确。

附图说明

图1为本发明初期雨水弃流系统实施例中弃流装置的结构示意图；

图2为本发明初期雨水弃流系统实施例的结构示意图。

其中，1-弃流装置、101-驱动单元、102-箱体、103-翻板、104-隔板、105-第一出水口、106-第二出水口、107-入水口、2-雨量计、3-储水箱、4-过滤单元、5-净水箱、6-水位探测器、7-控制单元、801-蓄电池、802-太阳能电池板。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。

本发明提供了一种初期雨水弃流系统及其控制方法，将初期污染物含量较高的雨水进行弃流，提高收集水质利用率，降低储水、净水的处理成本，实现雨水综合利用，具有较强的社会价值。

如图1和图2所示，一种初期雨水弃流系统，包括弃流装置1、雨量计2、太阳能供电单元、水位探测器6和控制单元7，以及依次连通的储水箱3、过滤单元4和净水箱5。

弃流装置1包括驱动单元101和箱体102，箱体102内设置有翻板103，翻板103宽度与箱体102的宽度相适配，长度小于或者等于箱体102的长度，箱体102的底部设置有隔板104，箱体102底部位于隔板104两侧分别开设有第一出水口105和第二出水口106，隔板104将从第一出水口105和第二出水口106流出的水隔开，起到一定的阻隔作用。第一出水口105与外部连通，用于弃流，第二出水口106与储水箱3相连通，用于对雨水进行收集。箱体102的顶部开设有入水口107，用于使雨水进入箱体102内。翻板103的两端分别位于第一出水口105和第二出水口106上方，所述入水口107位于翻板103的上方，驱动单元101的输出端与翻板103相连，用于驱动翻板103转动，翻板103能够在箱体102内转动，使翻板103分别向第一出水口105和第二出水口106倾斜，使从入水口107进入箱体102内的雨水由第一出水口105流出进行弃流，或由第二出水口106流出进行收集。

雨量计2外置于箱体102外部，雨量计2可通过导线与控制单元7连接，传输电信号至控制单元7，驱动单元101可设置在箱体102后侧中部，由控制单元7控制其工作，驱动单元101通过转轴带动翻板103左右转动。水位探测器6设置在净水箱5内，用于检测净水箱5内的水位，并将检测到的水位信息发送至控制单元7，因此，控制单元7与雨量计2、水位探测器6和驱动单元101电连接，用于接收雨量计2和水位探测器6的检测数据，并根据检测数据控制驱动单元101工作。

收集到的雨水储存在储水箱3中，在经过过滤单元4过滤净化后，洁净的雨水储存到净水箱5中供用户使用。

太阳能供电单元包括蓄电池801和安装在箱体102外侧的太阳能电池板802，蓄电池801为整个初期雨水弃流系统提供动力，太阳能电池板802安装在箱体102外部，为蓄电池801充电，蓄电池801可采用体积小、重量轻且电量大的锂电池。

本发明实施例中，箱体102的尺寸可根据使用需要进行调整，作为一种优选方案，可将尺寸限定为28cm*18cm*20cm，整个箱体102除第一出水口105、第二出水口106和入水口107，其他部位均密封设置，中部的翻板103由驱动单元101控制其沿中轴旋转。入水口107连接雨落管，第一出水口105连接排水管，第二出水口106连接收水管，将雨水引流至储水箱3中，雨水自入水口107流入，经翻板103分流进入第一出水口105或第二出水口106。

驱动单元101可采用涡轮蜗杆驱动的形式，包括驱动电机和由驱动电机驱动的涡轮蜗杆，涡轮蜗杆的输出端与翻板103相连，其主要特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，体积较小，精度较高，安装方便，能耗低，转动比大，工作效率相对较高。对驱动电机额定电压、变比，转速、和扭矩的选择，可根据实际使用需要进行设计计算，以满足设计需要。可采用体积较小的驱动电机，大大减小了弃流装置1的占用空间，同时，可通过驱动电机直接带动翻板103旋转，无需其他传动辅助，大大提高了机械可靠性。

控制单元7主要包括两方面功能：雨量控制部分和水位控制部分，包括雨量信息模块、存储模块、处理模块和水位信息模块。雨量计2采集降雨量信息和降雨时间信息，发送至处理模块，处理模块采集雨量计2的信号，根据信号中携带的信息情况，控制驱动单元101工作，实现雨水的收集或弃流，将降雨量信息和降雨时间信息发送至存储模块中进行存储。雨量计2可采用翻斗式雨量计，输出为脉冲信息，为了保证不漏掉脉冲信号，采用IO中断的方式，一旦有降雨引起雨量计2翻转，控制单元7就会及时响应。驱动单元101可采用五线控制接线方式，转动时间由定时器控制。

水位信息模块用于接收水位探测器6采集的净水箱5中的水位信息，发送至处理模块，处理模块根据水位信息控制驱动单元101工作，并将水位信息发送至存储模块进行存储。

为了保证多次开关机，均能够正确记录降雨时间信息，采用RTC时钟，可用纽扣电池作为备用电源，通过SPI总线接口，将存储模块设计为SD卡存储器电路，可记录雨量信息。

雨量计2与控制单元7之间的通信，以及水位探测器6与控制单元7之间的通信，可采用有线的方式，也可采用无线串口的方式，还可采用串口蓝牙、串口wifi等无线通信模式，以满足物联网的应用。另外，控制单元7可选择使用STM32F103ZET6，满足硬件需求，并且性价比高，便于开发，且功耗较低，能够满足未来扩展开发的需求。

水位探测器6可采用超声波测距的测量原理进行测量。

本发明的初期雨水弃流系统的具体控制方法为：当雨量不满足预设雨量要求，此时不下雨或雨量较小或处于下雨初期，弃流装置1处于弃流状态，此状态下，雨水通过入水口107进入箱体102，雨量计2将雨量信息发送至控制单元7，控制单元7判断当前状态后，通过驱动单元101控制翻板103向第一出水口105一侧转动，使翻板103向第一出水口105一侧倾斜，雨水直接由第一出水口105排出，当雨量计2检测到雨量累积至满足预设雨量要求，雨量计2向控制单元7发送信号，控制单元7控制驱动单元101带动翻板103转动，翻板103向第二出水口106倾斜，雨水经第二出水口106流入储水箱3，经过滤单元4净化后流入净水箱5备用，该状态下，当水位探测器6检测到净水箱5内的水位超出预设水位时，控制单元7控制驱动单元101带动翻板103转动，翻板103向第一出水口105倾斜，雨水直接由第一出水口105流出，被弃流，停止收集雨水。

采用上述的初期雨水弃流系统及控制方法进行验证，分别在某年的多个月份对雨水进行收集，并取样检测，结果显示铁、锰指标均为检出，总磷指标均在0.1左右，pH、色度、浊度、悬浮物、CODcr、BOD5、溶解氧等7个指标变化较大，且收集水中的悬浮物指标比弃流水低出许多，证明降雨初期水质污染较重，且采用本发明的系统及控制方法，能够有效对雨水进行收集，且保证收集雨水的质量。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种初期雨水弃流系统，其特征在于：包括弃流装置(1)、雨量计(2)、水位探测器(6)和控制单元(7)，以及依次连通的储水箱(3)、过滤单元(4)和净水箱(5)；

所述弃流装置(1)包括驱动单元(101)和箱体(102)；

所述箱体(102)内设置有翻板(103)，翻板(103)宽度与箱体(102)的宽度相适配，长度小于或者等于箱体(102)的长度；箱体(102)的底部设置有隔板(104)，箱体(102)底部位于隔板(104)两侧分别开设有第一出水口(105)和第二出水口(106)，所述第一出水口(105)与外部连通，第二出水口(106)与储水箱(3)相连通；箱体(102)的顶部开设有入水口(107)；

所述翻板(103)的两端分别位于第一出水口(105)和第二出水口(106)上方，所述入水口(107)位于翻板(103)的上方；

所述驱动单元(101)的输出端与翻板(103)相连，用于驱动翻板(103)转动；

所述雨量计(2)设置在箱体(102)外部；

所述水位探测器(6)设置在净水箱(5)内；

所述控制单元(7)与雨量计(2)、水位探测器(6)和驱动单元(101)电连接，用于接收雨量计(2)和水位探测器(6)的检测数据，并根据检测数据控制驱动单元(101)工作。

2.如权利要求1所述一种初期雨水弃流系统，其特征在于：还包括太阳能供电单元；

所述太阳能供电单元包括蓄电池(801)和安装在箱体(102)外侧的太阳能电池板(802)；

所述太阳能电池板(802)为蓄电池(801)供电；

所述蓄电池(801)为驱动单元(101)、控制单元(7)、雨量计(2)和水位探测器(6)供电。

3.如权利要求1或2所述一种初期雨水弃流系统，其特征在于：所述控制单元(7)包括雨量信息模块、存储模块、处理模块和水位信息模块；

所述雨量信息模块用于接收雨量计(2)采集的雨量信息，发送至处理模块，所述雨量信息包括降雨量信息和降雨时间信息，处理模块根据雨量信息控制驱动单元(101)工作；

所述水位信息模块用于接收水位探测器(6)采集的净水箱(5)中的水位信息，发送至处理模块，处理模块根据水位信息控制驱动单元(101)工作；

所述处理模块用于根据接收的雨量信息和水位信息控制驱动单元(101)工作，并将接收的信息发送至存储模块；

所述存储模块用于存储雨量信息和水位信息。

4.如权利要求3所述一种初期雨水弃流系统，其特征在于：所述处理模块中设置有RTC时钟和备用电源。

5.如权利要求4所述一种初期雨水弃流系统，其特征在于：所述驱动单元(101)包括驱动电机和由驱动电机驱动的涡轮蜗杆，涡轮蜗杆的输出端与翻板(103)相连。

6.如权利要求5所述一种初期雨水弃流系统，其特征在于：所述雨量计(2)为翻斗式雨量计。

7.一种权利要求1至6任一所述初期雨水弃流系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，通过雨量计(2)检测当前雨量，将雨量信息发送至控制单元(7)，控制单元(7)根据雨量信息控制驱动单元(101)工作，若不满足预设雨量要求，驱动单元(101)带动翻板(103)转动至向第一出水口(105)一侧倾斜；若满足预设雨量要求，驱动单元(101)带动翻板(103)转动至向第二出水口(106)一侧倾斜，并执行步骤S2；

S2，通过水位探测器(6)检测净水箱(5)中的水位，将水位信息发送至控制单元(7)，控制单元(7)根据水位信息控制驱动单元(101)工作，若达到预设水位，带动翻板(103)翻转至向第一出水口(105)一侧倾斜；否则，翻板(103)保持向第二出水口(106)一侧倾斜。

8.如权利要求7所述一种初期雨水弃流系统的控制方法，其特征在于，步骤S1中，所述通过雨量计(2)检测当前雨量，将雨量信息发送至控制单元(7)具体为：雨量计(2)根据当前雨量，采用IO中断的方式实时向控制单元输出脉冲信号。

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