CN113834914A - 多点分时水质监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多点分时水质监控系统，其包括水质感测机及管理机站，其中该水质感测机的无人载具为由受控模块通过无线传输模块来接收一任务指令，并配合定位模块依设定的至少两组飞行路线定点往返指定的感测点，使无人载具飞行到达感测点后可通过搭载的水质感测模块执行水质参数数据的采集任务，并将水质参数数据回传至管理机站或一后台服务器进行储存，且无人载具返回管理机站后，可自动控制清洗机来对水质感测模块进行清洗、电力补充设备来对电力单元补充电力，让现场操作者可使用单一水质感测机来监控多个感测点，进而达到环境广域多点分时监控的目的，也不须在不同需监控的水体设置多套水质采集装置，更能有效地降低建置的成本。

Description

多点分时水质监控系统

技术领域

本发明提供一种多点分时水质监控系统，尤指可利用水质感测机的无人载具搭载水质感测模块，并配合可自动对无人载具充电及水质感测模块进行清洗的管理机站，组成一可实时监控多个感测点的水质变化的远距无人水质监控系统。

背景技术

现今利用天然海水、养殖池或水族箱放养有用的水族、水产等，包含鱼、虾或水草等水生的动、植物，除了养殖池设备之外，其他诸如养殖池的水质、放养量、放养时间、饵饲量、温度等，皆是影响养殖效果的重要因素，而为了使养殖水产有更佳成长条件，目前养殖池中大多设置有若干水车、自动给饵器、过滤器等养殖用机具，并会使用多种电子化感测装置来获取养殖池中的水质信息，当养殖池水质发生变化时，可实时感测并回报给养殖业者采取相应措施，以避免因水质条件的设定、生态环境不合于水生动物的生长变化而导致死亡。

然而，一般养殖池内所放养的生物可能都是来自不同的环境而需要不同的水质条件，其生态构成相当复杂，所以在养殖的过程中，包含水质条件(如溶氧、温度、酸碱度、盐度等)、水体污染程度(如氨氮、悬浮固体、氧化还原电位等)与浮游动、植物等，都是会影响养殖水产能够不生病变与养殖成功的关键，因此维持良好的水质对于水生动物的健康极具重要，常见的作法是监测养殖池内水质的酸碱度(即PH值)与溶氧量(即DO值)，若水质的酸碱度变化偏离容许值时，便会启动泵浦来进行抽、换水工作，也可投放必要的石灰、腐植酸、益生菌等安定剂来进行消毒、分解池底腐坏的物质及提供藻类养分、调节水质的酸碱度与维持浮游动、植物的密度等，待一段时间后再进行测试，直到酸碱值在容许的范围内为止，而水质的溶氧量不足时，则启动水车进行打水或增氧机来补充水中的溶氧量，以确保养殖池内生态的平衡及续存。

传统连续式水质监测系统中每一个不同区域的养殖池皆需要一套水质采集装置来作检测，若是应用于多个不同养殖池时，为了达成统一控管不同的养殖池及可随时监控水质参数(如水温、溶氧量、酸碱度、盐度、氨氮、悬浮固体、氧化还原电位等)的相关数据，则需要具备有多套水质采集装置，不仅建置的费用甚高，并造成养殖业者对采用连续式水质监测系统的意愿很低。

如图2所示，为现有的多点水质监测系统的方块示意图，其中该多点水质监测系统将水质采集装置A的多个感测模块A1(包含水质传感器与信号处理部分等)分别设置在不同养殖池中，并由信号采集与储存单元A2将通过有线或无线传输采集水质传感器所感测到水体中的水质参数数据进行储存后，再通过互联网上传至后台服务器或云端处理平台B来进行各种监测或控管行为，但是，该多点水质监测系统通常将水质传感器长时间置入于养殖池的水体中，若检测的水体污染程度较高或含有丰富浮游动、植物时，将会造成光学式水质传感器上很容易附着藻类、介壳类生物等，以致使感测信号快速衰减或失真，而电化学式水质传感器也很容易因电极持续的反应而快速老化，必须派遣人员定期往返不同地点的养殖池频繁进行校正、维修与保养等，对于人力的依赖极高，一旦疏于维护即造成显著的影响，甚而导致系统故障、误判等情事。

因此，在养殖池利用自动水质监测控管的时代，因封闭水体中的各项水质参数并不会频繁或剧烈变化，所以业者要如何设计出能够多点分时进行水质监测及控管，并在水质传感器的维护上，可精简人力的水质监控系统，以有效改善多个养殖池在统一控管上的诸多不便与缺失，降低人力维护的成本，且可维持水质的最佳状态，即为此行业者长久以来亟欲改善的重要课题所在。

发明内容

本发明的主要目的在于水质感测机的无人载具为搭载有水质感测模块，并配合具有清洗机与电力补充设备的管理机站组成一远距无人水质监控系统，该水质感测机可接收一任务指令，依设定的至少两组飞行路线自动飞行到达指定的感测点执行各项水质参数数据的采集任务，并将水质参数数据回传至管理机站或后台服务器进行储存，且待水质感测机返回管理机站后，可自动完成对无人载具进行补充电力及水质感测模块清洗作业，让现场操作者可使用单一水质感测机实时的监控多个感测点的水质变化，并根据监测结果了解目前感测点中的水体状态，进而达到环境广域多点分时监控的目的，也不须在不同需要监控的水体中设置多套水质采集装置，更能有效地降低建置的成本。

本发明的次要目的在于单一水质感测机配合管理机站，只需搭载一组水质感测模块即可对多个感测点进行水质参数数据的采集，并将水质参数数据回传至管理机站或后台服务器进行储存，仅需通过后台服务器或云端处理平台的管理程序下达任务指令自动规划或增加飞行路线的设定与安排，便可增加感测点而不须额外费用，让现场操作者可实时监控多个感测点的水质变化，并根据监测的结果采取相应的措施。

本发明的另一目的在于水质感测机的无人载具可通过无线传输模块取得后台服务器或云端处理平台的管理程序下达的任务指令，并依管理程序提供包含降雨量、风速的天气信息判定天气状况适合飞行，所有在线水质感测机便会自动执行各项采集任务，且管理程序通过应用程序编程接口连接气象局的开放数据平台取得各区的天气信息，并可依实时的天气状况规划及修正最新飞行路线。

本发明的再一目的在于当无人载具飞行至感测点处时，受控模块可根据感测点处设置的定位标记进行无人载具的定位，以引导无人载具准确地飞行至指定的位置和高度，以避免无人载具受到感测点周边地形、植被、树木的影响，作出错误的飞行判定。

附图说明

图1]为本发明较佳实施例的方块图。

图2]为现有的多点水质监测系统的方块示意图。

附图标记说明：1-水质感测机；11-无人载具；12-受控模块；13-无线传输模块；14-定位模块；15-水质感测模块；16-电力单元；2-管理机站；21-起降台；22-主控模块；23-无线传输模块；24-清洗机；25-电力补充设备；3-后台服务器；31-管理程序；32-数据库；4-感测点；A-水质采集装置；A1-感测模块；A2-信号采集与储存单元；B-后台服务器或云端处理平台。

具体实施方式

为达成本发明上述的目的及功效，本发明所采用的技术手段及构造，兹绘图就本发明的较佳实施例来详加说明其构造与功能如下。

请参阅图1所示，为本发明较佳实施例的方块图，由图中可清楚看出，本发明提供的多点分时水质监控系统包括有至少一台水质感测机1及管理机站2，其中：

该水质感测机1包含无人载具11、受控模块12、无线传输模块13、定位模块14、水质感测模块15及电力单元16，其中该无人载具11为一无人飞行载具(Unmanned AerialVehicle，UAV)或无人飞机系统(Unmanned Aircraft System，UAS)，亦称为空拍机、遥控无人机等，并于无人载具11的机架上安装有动力装置，且该动力装置主要由桨翼及马达组成，以构成一旋翼机、定翼机及直升旋翼机等机型，便可通过桨翼旋转时产生的反作用力来带动机体飞行。

而无人载具11上一般会使用陀螺仪、加速度计、磁力计及气压计等传感器作为回授，并由受控模块12(包含控制器、信号处理单元及储存单元)通过无线传输模块13接收任务指令或控制信号，即可配合定位模块14[包含全球定位系统(Global PositioningSystem，GPS)或惯性导航系统]来取得无人载具11的姿态、航向或高度等信息，亦可将无人载具11锁定在指定的位置和高度，以进行定位及导航，也可实时追踪与记录无人载具11飞行轨迹及动向，从而具备有姿态稳定和控制、任务设备管理和应急控制功能。

在本实施例中，无人载具11为于机架下方为搭载有水质感测模块15，该水质感测模块15包含至少一个水质传感器，其分别用以感测包含但不限于水温、水压等物理参数；溶氧量、酸碱度、盐度、氨氮(NH3-N)、悬浮固体、氧化还原电位等化学参数，或者是其他水质参数的相关数据，亦可为上述各项水质参数中的任意一种或两种以上组合而成的群组，并通过受控模块12将各项水质参数的数据整合后，再由无线传输模块13以3G、4G-LTE或5G-NR行动通讯网络回传至管理机站2或后台服务器3的数据库32进行储存；另，无人载具11于机体内安装有一可充电或换电的电力单元16，且该电力单元16可为锂聚合电池、太阳能电池或燃料电池等，用以提供整体所需的电力。

再者，水质感测机1的受控模块12可通过无线传输模块13取得后台服务器3或云端处理平台的管理程序31下达的任务指令，自动规划设定的至少两组定点往返的飞行路线，并依管理程序31提供的天气信息判定天气状况适合飞行后，所有在线的水质感测机1便会依下达的任务指令自动完成各项采集任务，并快速传输水质感测机1实时的回传影像及水质感测数据等，让现场操作者能够了解水质感测机1任务执行状态，也可实时串流机上的影音、设定飞航区域与核发航权等来操作飞行动作，而后台服务器3的管理程序31通过应用程序编程接口(API)连接气象局的开放数据平台取得各区的天气信息，包含降雨量、风速等，并可依实时的天气状况来规划及修正最新的飞行路线。

此外，无人载具11的机架前头位置亦可搭载有摄像模块，并将拍摄的影像及定位模块14的GPS坐标影像通过无线传输模块13实时的回传至后台服务器3后，让现场操作者可通过屏幕上的影像来监控当前任务执行状态及设定飞行路线，但是，此部分有关受控模块12如何通过无线传输模块13接收任务指令，并配合定位模块14使无人载具11可依设定的飞行路线自动完成各项任务，以及水质感测模块15采集水体的方式为为现有技术的范畴，且该细部的构成并非本案的创设要点，故在本案以下的说明书内容中皆一起进行说明，合予陈明。

该管理机站2包含起降台21、主控模块22、无线传输模块23、清洗机24及电力补充设备25，其中该管理机站2可为固定式或移动式基地站，并于起降台21上设置有平台释放架，使主控模块22得以控制平台释放架在释放前能稳固夹持住无人载具11，而释放时则能辅助无人载具11顺利升空，但并不以此为限，管理机站2用于管理所有在线的水质感测机1，确保每一台无人载具11是否能正常的运作，并于侦测到无人载具11有异常状况时，亦可发出警告给现场操作者实时作处理，故在本案以下的说明书内容中皆一起进行说明，合予陈明。

在本实施例中，清洗机24为具有清洗水槽，并于清洗水槽上连接有进水管及排水管，且清洗水槽内部设有电动刷或喷嘴，当水质感测机1定位在起降台21上时，其水质感测模块15的感测头便会伸入于清洗水槽中，并由电动刷或喷嘴来对每一个感测头进行清(刷)洗的动作，再将清洗过后的水或清洗液通过排水管排出，从而实现自动清(刷)洗、进水、排水、加药(如清洁剂)的功能。

而电力补充设备25对起降台21上夹持的水质感测机1所采用的电力补充方式，包含但不限于充电、换电或充电与换电双轨并行，在本实施例中，电力补充设备25为利用平台上的充电单元以有线或无线电力传输的方式来对电力单元16的锂聚合电池进行充电，并于充满电或充电一段预设时间后就会自动断电，使水质感测机1有足够的电力往返管理机站2，不会受到距离和飞行时间的限制，也可进一步利用太阳能板提供其电力来源，又换电的方式，则是利用机器人手臂先取下无人载具11在电池槽内的电池，并置入平台内的充电器进行快速充电，再抓取一个充满电的电池置入电池槽内，以迅速完成更换，再重新启动水质感测机1，继续完成剩余的各项任务。

当本发明于使用时，水质感测机1的受控模块12可通过无线传输模块13取得后台服务器3或云端处理平台的管理程序31所下达的任务指令，使无人载具11配合定位模块14可依自动规划设定的至少两组飞行路线定点往返感测点4，并由管理机站2的起降台21顺利的起飞后，便可自动飞行到达指定的感测点4执行各项采集任务，且该感测点4较佳实施可为一养殖池或鱼塭，但并不以此为限，亦可为一自然水域(如河川、湖泊等)或人工水体(如埤塘、拦河堰、水库等)，也可在每一个感测点4处设置有至少一个定位标记，以作为无人载具11的防呆定位使用，当无人载具11飞行至感测点4处时，受控模块12可通过摄像模块先确认该定位标记(如标签或图案等)，并根据该定位标记进行无人载具11的定位及计算出预定下降的位置和高度，即可引导无人载具11准确地下降至感测点4中的水面上方一距离，以避免无人载具11受到感测点4周边地形、植被、树木的影响，作出错误的飞行判定，也可在预定高度悬停，以方便执行各项任务。

当无人载具11飞行到达指定的感测点4中的水面上方时，其收放机构便会带动水质感测模块15向下旋摆，即可改变水质传感器的感测头方向及角度，或者是可将无人载具11通过内部浮力舱或加装浮动套件直接停泊在水面上后，使水质传感器的感测头可伸入至水面下进行采集水体中的各项水质参数数据，并通过受控模块12来将各项水质参数数据整合后，再由无线传输模块13、23实时的回传至管理机站2的主控模块22或后台服务器3的数据库32进行储存，以供后台服务器3或云端处理平台进行各种的监测或控管行为，且可机动变换多个不同的感测点4，让现场操作者可以使用单一水质感测机1来监控多个感测点4，进而达到环境广域多点分时监控的目的，也不须在不同需要监控的水体中设置多套水质采集装置，更能够有效地降低建置的成本。

而无人载具11返回管理机站2，并降落至起降台21上以平台释放架稳固夹持住后，主控模块22便会自动控制清洗机24来对水质感测模块15上的各个感测头进行清洗，以及电力补充设备25来对电力单元16迅速补充电力，并于无人载具11完成清洗与补充电力后，再依设定的飞行路线继续前往下一个感测点4进行水质参数数据的采集任务，如此反复动作直到所有任务结束，但于实际应用时，并不以此为限，亦可依电力单元16所能提供的飞行距离和时间完成一个以上的任务后，再返回管理机站2进行清洗与补充电力的作业，且可通过主控模块22实时追踪与记录无人载具11飞行轨迹及动向，以便后台服务器3或云端处理平台规划下一趟的飞行路线，并在水质感测模块15的维护上，也可通过清洗机24自动的清洗，以精简人力及降低维护上的成本。

因此，本发明主要提供水质感测机1的无人载具11上为搭载有水质感测模块15，并配合具有清洗机24与电力补充设备25的管理机站2组成一远距无人水质监控系统，该水质感测机1可接收一任务指令，依设定的至少两组飞行路线定点往返自动飞行到指定的感测点4执行各项水质参数数据的采集任务，且水质感测机1返回管理机站2自动完成清洗与补充电力后，再依设定的飞行路线继续前往下一个感测点4执行水质参数数据的采集，一直到所有的任务结束。

此种单一水质感测机1配合管理机站2，只需搭载一组水质感测模块15即可对多个感测点4进行水质参数数据的采集，并回传至管理机站2或后台服务器3进行储存，且仅需通过后台服务器3的管理程序31或云端处理平台所下达的任务指令，自动规划或增加飞行路线的设定与安排，便可增加感测点4而不须额外的费用，也可依实时的天气状况来规划及修正最新的飞行路线，让现场操作者可实时监控多个感测点4的水质变化，并根据监测的结果了解目前需监控的水体状态，以采取相应的措施(如自动控制泵浦进行换水、水车打水、水温加热器或冷水机来调节水温、自动喂食器喷洒饵料等)。

上述详细说明为针对本发明一种较佳的可行实施例说明而已，但是，该实施例并非用以限定本发明的申请专利范围，凡其他未脱离本发明所揭示的技艺精神下所完成的均等变化与修饰变更，均应包含于本发明所涵盖的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多点分时水质监控系统，其包括至少一台水质感测机及管理机站，其特征在于：

该水质感测机包含无人载具、受控模块、无线传输模块、定位模块、搭载在该无人载具上的水质感测模块及电力单元，该受控模块通过该无线传输模块来接收一任务指令，并配合该定位模块依设定的至少两组飞行路线操控该无人载具定点往返指定的感测点，以供该无人载具飞行到达感测点通过该水质感测模块执行各项水质参数数据的采集任务，并将水质参数数据回传至该管理机站；

该管理机站包含用以提供该无人载具定位的起降台、主控模块、无线传输模块、清洗机及电力补充设备，该主控模块通过该无线传输模块来管理该水质感测机的运作，并接收水质参数数据，当该无人载具自感测点返回该起降台时，该主控模块自动控制该清洗机对该水质感测模块进行清洗以及该主控模块自动控制该电力补充设备对该电力单元进行补充电力。

2.如权利要求书1所述的多点分时水质监控系统，其特征在于，该水质感测机的无人载具为一无人飞行载具或无人飞机系统，并于该无人载具搭载的水质感测模块包含至少一个水质传感器，用以感测感测点的水体中的水质参数数据。

3.如权利要求书2所述的多点分时水质监控系统，其特征在于，该水质参数包含水温、溶氧量、酸碱度、盐度、氨氮、悬浮固体、氧化还原电位中的任意一种或两种以上组合而成的群组。

4.如权利要求书1所述的多点分时水质监控系统，其特征在于，该水质感测机的定位模块为一全球定位系统或惯性导航系统。

5.如权利要求书1所述的多点分时水质监控系统，其特征在于，该水质感测机的电力单元为一电池，并于该管理机站的电力补充设备对该电力单元电力补充方式为充电或换电。

6.如权利要求书1所述的多点分时水质监控系统，其特征在于，该水质感测机的无人载具为通过无线传输模块取得后台服务器或云端处理平台的管理程序所下达的该任务指令，自动规划设定的至少两组定点往返的飞行路线，并依该管理程序提供包含降雨量、风速的天气信息判定天气状况适合飞行后，再执行各项采集任务。

7.如权利要求书6所述的多点分时水质监控系统，其特征在于，该后台服务器或云端处理平台的管理程序通过一应用程序编程接口连接一气象局的开放数据平台取得各区的天气信息。

8.如权利要求书1所述的多点分时水质监控系统，其特征在于，该管理机站的清洗机为具有供该水质感测模块伸入于其内的清洗水槽，并于该清洗水槽内部设有电动刷或喷嘴。

9.如权利要求书1所述的多点分时水质监控系统，其特征在于，该每一个感测点处为设置有定位标记，且该定位标记为一标签或图案，以作为该无人载具的防呆定位使用。

10.如权利要求书1所述的多点分时水质监控系统，其特征在于，感测点分别为一养殖池、鱼塭、自然水域的河川、湖泊或人工水体的埤塘、拦河堰、水库。

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