CN114689813B - 水质监测系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种水质监测系统，该系统包括：浮于水面的监测控制球体，与所述球体通过航空插头连接的水质传感器；所述球体内部设置有用于安装中央控制电路的设备机盒；所述中央控制电路，用于将所述水质传感器采集的水质信息进行处理；所述中央控制电路，还用于上报监测信息。本申请提供的水质监测系统，用于对一定区域内的水质进行长时间远程监测。

Description

水质监测系统
技术领域
本申请涉及水质监测领域，尤其涉及一种水质监测系统。
背景技术
随着经济的发展，生活水平的提高，对于与人体健康关系重大的水源的安全问题显得尤为重要。因此，需要对水质进行实时监测。
传统的水质监测系统的数据采集、无线通信及供电部分几个模块都是需要固定在岸边，水下传感器通过较长电缆与岸上的采集器连接以解决水下信号无法传输问题。
然而，传统的水质监测系统存在体积过大、抗风浪能力差等问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种水质监测系统，用于对一定区域内的水质进行长时间远程监测。
本申请提供一种水质监测系统，包括：浮于水面的监测控制球体，与所述球体通过航空插头连接的水质传感器；所述球体内部设置有用于安装中央控制电路的设备机盒；所述中央控制电路，用于将所述水质传感器采集的水质信息进行处理；所述中央控制电路，还用于上报监测信息。
可选地，所述中央控制电路包括：传感器数据采集接口，MCU主控电路，数据存储芯片，无线通讯模组；所述传感器数据采集接口，用于连接所述水质传感器；所述MCU主控电路，用于控制所述水质传感器采集水质信息，以及所述水质信息的存储和发送；所述数据存储芯片，用于存储所述水质信息以及所述水质监测系统的设备状态信息；所述MCU主控电路，还用于通过所述无线通讯模组，将所述水质信息以及所述设备状态信息上传至服务器。
可选地，所述传感器数据采集接口、所述MCU主控电路、所述数据存储芯片以及所述无线通讯模组集成在同一PCB板上。
可选地，所述中央控制电路还包括：电源管理电路；所述电源管理电路，用于为所述中央控制电路供电。
可选地，所述球体为一体成型结构；所述球体底部为抛物线型，所述球体中部为圆柱形，所述球体上部为球面型；所述设备机盒设置于所述球体内部的中心区域；所述中央控制电路安装于所述设备机盒的腔体内。
可选地，所述球体中部的圆柱形外侧设置有防撞保护层，所述防撞保护层的高度与所述圆柱形外侧等高，所述防撞保护层与所述圆柱形外侧紧密粘连。
可选地，所述电源管理电路还包括：储能电池；所述球体上部上还设置有太阳能板；所述太阳能板，用于在所述储能电池的电量低于预设阈值时，为所述储能电池进行充电。
可选地，所述球体底部的中央设置有所述航空插头；所述球体的下部还设置有缆绳固定座；所述航空插头的一端与所述传感器数据采集接口相连接，所述航空插头的另一端用于连接所述水质传感器；所述缆绳固定座，用于连接地锚，控制所述水质监测系统的漂浮范围。
可选地，所述球体底部的曲线方程为以下公式一：
可选地，所述球体的体积以及所述球体浸入水中的部分的体积的计算方法，包括：根据所述水质监测系统的总质量以及所述球体浸入水中部分的体积，确定所述球体的体积以及所述球体的表面积；其中，所述球体浸入水中部分的体积为所述球体的体积的三分之一。
本申请提供的水质监测系统，通过将中央控制电路安装到能够浮于水面的监测控制球体中，保证了无线通信信号在水面以上无衰减地正常传输，且对水质监测系统的电路起到防水、防腐蚀的保护作用。与球体通过航空插头连接的水质传感器能够深入水下，将实时采集的水质信息通过中央控制电路进行远程上报，使得监测人员能够实时获取当前区域内的水质状况，在水质出现问题时，能够及时采取针对性的措施。
附图说明
为了更清楚地说明本申请或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请提供的水质监测系统的结构示意图之一；
图2是本申请提供的水质监测系统的中央控制电路结构示意图；
图3是本申请提供的水质监测系统的结构示意图之二；
图4是本申请提供的检测控制球体的结构示意图；
图中：P1、检测控制球体；P2、电缆；P3、水质传感器；01、太阳能板；02、球体上部；03、球体中部；04、球体底部；05、缆绳固定座；06、航空插头；07、电缆；08、水质传感器；09、设备机盒。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
传统的水质监测系统的数据采集、无线通信及供电部分几个模块都是需要固定在岸边，水下传感器通过较长电缆与岸上的采集器连接以解决水下信号无法传输问题。此外还存在几个问题：首先长距离电缆功耗较大，电池容量较大；其次传感器与数据采集器GPS位置存在较大误差，不能代表监测点位置。而将采集器、供电及通信单元搬至水面又存在体积过大及防水和风浪撞击等诸多问题。本发明旨在解决上述问题。
基于相关技术中存在的技术问题，本申请实施例将水质监测系统使用的电路进行小型化、一体化、高度集成化的设计，并通过对球体的设计，使得球体能够保证三分之二的体积浮于水面之上，提高了球体的抗风浪能力。
下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的水质监测系统进行详细地说明。
如图1所示，本申请实施例提供的一种水质监测系统，该系统可以包括：浮于水面的监测控制球体P1，与所述球体通过航空插头连接的水质传感器P3。具体地，该水质传感器P3通过电缆P2与所述球体连接，该电缆P2通过航空插头与球体相连接。
示例性地，上述球体P1内部设置有用于安装中央控制电路的设备机盒。该中央控制电路，用于将所述水质传感器P3采集的水质信息进行处理。该中央控制电路，还用于上报监测信息。具体地，可以向与该水质监测系统连接的服务器进行监测信息的上报。
示例性地，上述球体P1用于保护内部安装的中央控制电路，防止该中央控制电路被水侵蚀。同时，该球体P1还可以浮于水面之上，承载水质监测系统所使用的中央控制电路、电缆P2以及水质传感器P3。浮于水面之上的水质监测系统易于安放和回收。
示例性地，该球体P1的设计参照上述中央控制电路、电缆P2以及水质传感器P3的重量，确保该球体P1的1/3的体积没入水面之下，2/3的体积浮于水面之上。
示例性地，上述水质传感器P3用于对水质的实时监测，该水质传感器P3可以包括以下至少一项：溶解氧传感器、PH值传感器、余氯传感器、浊度传感器、电导率传感器等。该水质传感器P3也可以为具有多种水质监测功能的集成传感器。
示例性地，上述检测信息可以包括以下至少一项：水质信息，经过中央控制电路处理过的水质信息，水质检测系统的运行状态信息。
示例性地，上述水质传感器P3采集的水质信息，可以通过中央控制电路直接上传到服务器，也可以经过中央控制电路汇总处理后，再进行上传。同时，该中央控制电路，还可以将该水质监测系统的运行状态信息上报至服务器，使得维护人员能够及时的获取到该水质监测系统的运行状态，并在运行出现异常时，及时的进行维护。
示例性地，如图2所示，上述中央控制电路包括：传感器数据采集接口，MCU主控电路，数据存储芯片，无线通讯模组。
其中，所述传感器数据采集接口，用于连接所述水质传感器P3。所述MCU主控电路，用于控制所述水质传感器P3采集水质信息，以及所述水质信息的存储和发送。所述数据存储芯片，用于存储所述水质信息以及所述水质监测系统的设备状态信息。所述微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)主控电路，还用于通过所述无线通讯模组，将所述水质信息以及所述设备状态信息上传至服务器。
示例性地，为了提高系统的可靠性、降低系统功耗及减小系统体积，该中央控制电路是从芯片底层进行一体化的硬件、软件设计，各个芯片集成在同一印制电路板(PrintedCircuit Board，PCB)上。即所述传感器数据采集接口、所述MCU主控电路、所述数据存储芯片以及所述无线通讯模组集成在同一PCB板上。
示例性地，本申请实施例提供的中央控制电路为集成电路，将各个芯片集成在同一电路板上，以减小水质监测系统的控制电路的体积和功耗。具体地，上述MCU主控电路选用STM32系列单片机，使用90纳米的低功耗工艺，其耗电量较主流的8位和16位处理器降低了约2/3，在运行模式、待机模式、停止模式下的功耗分别为93μA/MHz、0.29μA/MHz、0.43μA/MHz，能够极大提高本发明的续航能力。
示例性地，上述无线通信模块采用EC200S-CN4G无线通讯芯片，支持频分双工长期演进技术(Long Term Evolution Frequency Division Duplexing，LTE-FDD)/时分双工长期演进技术(Long Term Evolution Time Division Duplexing，LTE-TDD)/全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications，GSM)无线通信，具有散热性能好、信息不易被抹除等特点。该芯片支持增强型数据速率GSM演进技术(Enhanced Data Rate forGSM Evolution，EDGE)、通用无线分组业务(General packet radio service，GPRS)、LTE-TDD和LTE-FDD网络数据连接。在LTE-FDD模式下支持最大下行速率10Mbps、最大上行速率5Mbps，在LTE-TDD模式下支持最大下行速率7.5Mbps、最大上行速率1Mbps。在封装上该芯片兼容移远通信多网络制式UMTS/HSPA+UC20/UC200T模块、EC200T/EG25-G/EG21-G模块和LTEStandard EC2x模块，能够实现3G与4G网络的无缝切换。
示例性地，上述数据存储芯片选用W25Q64型号的芯片作为的存储芯片，其作用是将水质信息及水质监测系统的运行状态信息进行本地存储。W25Q64的容量为8M，共有128个块，2048个扇区。
示例性地，在水质信息的采集过程中，MCU主控电路向水质传感器P3发送采集命令，传感器将采集的水质数据反馈给MCU，MCU对数据进行解析处理，然后将水质监测数据、设备编号、全球定位系统(Global Positioning System，GPS)/北斗位置信息、信号质量、电量信息共同打包，存入数据存储芯片。最后通过无线通信模块将打包后的数据发送至数据应用平台。
示例性地，为了实现上述水质信息的采集功能，所述中央控制电路还包括：电源管理电路和定位模块；所述电源管理电路，用于为所述中央控制电路供电。上述定位模块，用于实现对该水质监测系统的实时定位。
需要说明的是，由于本申请实施例提供的水质监测系统，通常通过缆绳固定，活动范围较小，该定位模块可以在检测到该水质监测系统脱离缆绳的固定后进行报警，例如，该水质监测系统被水冲走，或者被盗等。即上述定位模块，用于对所述水质监测系统的位置进行实时监控。所述中央控制电路，还用于在所述水质监测系统位于预设范围之外时，发送报警信息。
示例性地，基于图1，如图3所示，所述球体P1为一体成型结构；所述球体底部04为抛物线型，所述球体中部03为圆柱形，所述球体上部02为球面型；所述设备机盒09设置于所述球体内部的中心区域；所述中央控制电路安装于所述设备机盒09的腔体内。
在一种可能的实现方式中，上述球体P1还可以为分体式结构，此时，该球体上部02可以为球面型盖板，球体中部03可以为圆柱形舱体，球体底部04可以为抛物线型底座。
示例性地，上述设备机盒09的所围成的腔体的形状和体积与所述中央控制电路的形状和体积有关，确保上述中央控制电路能够安装于该腔体内。
示例性地，上述球体上部02上还设置有标识，该标识可以为二维码或条形码等，用于可以使用终端设备对该标识进行扫描后，直接访问该水质监测系统的相关信息。
示例性地，为了保证数据采集器能够在实际生产环境中长时间在线工作，在采集器的电源管理电路装配了3节可充电锂电池，并采用太阳能光伏板进行充电。
示例性地，所述电源管理电路还包括：储能电池；如图3所示，所述球体上部02上还设置有太阳能板01；所述太阳能板01，用于在所述储能电池的电量低于预设阈值时，为所述储能电池进行充电。
示例性地，上述电源管理电路的电源为三节2000mAh的可充电锂电池，输出电压为3.6～4.2V，当电池电量不足时TP4056充电芯片控制光伏板为锂电池充电。充电过程中当电池电压接近4.2V时，充电电流开始减小，直到充电电流降至90mAH后进入恒压模式，一次充电周期结束，充电芯片进入低功耗模式。
示例性地，为了方便拆装，如图3所示，上述水质传感器08(即上述水质传感器P3)通过电缆07(即上述电缆P2)与上述球体底部04设置的航空插头06相连接。且该电缆07通过航空插头06与该球体底部04相连接。
示例性地，如图3所示，上述球体底部04的中央设置有航空插头06；所述球体底部04的底部还设置有缆绳固定座05；所述航空插头06的一端与所述传感器数据采集接口相连接，所述航空插头06的另一端用于连接所述水质传感器08。所述缆绳固定座，用于连接地锚，控制所述水质监测系统的漂浮范围。
具体地，航空插头06通过电缆07与水质传感器08相连接，并将水质传感器08与中央控制电路的传感器数据采集接口连结。该航空插头06可以为具有防水功能。该航空插头06由插头(公)和插座(母)组成。
示例性地，为了防止波浪将水质监测系统冲走，采用缆绳连接上述球体底部04上设置的缆绳固定座05和用于固定水质监测装置的地锚，以保证水质监测系统在小范围内漂浮移动。
示例性地，所述球体的体积以及所述球体浸入水中的部分的体积的计算方法，包括：根据所述水质监测系统的总质量以及所述球体浸入水中部分的体积，确定所述球体的体积以及所述球体的表面积。
其中，所述球体浸入水中部分的体积为所述球体的体积的三分之一。
示例性地，为了能够确保上述球体P1的2/3的体积浮于水面纸上，如图4所示，上述球体底部04具有抛物线型的外部形状，且球体底部04的曲线方程为以下公式一：
示例性地，上述球体上部02的曲线方程为以下公式二：
示例性地，为了避免球体P1在漂浮过程中遭受到外部坚硬物体的撞击，上述球体中部03的圆柱形外侧设置有防撞保护层，所述防撞保护层的高度与所述圆柱形外侧等高，所述防撞保护层与所述圆柱形外侧紧密粘连。该防撞保护层可以为泡沫、气囊等。该球体中部03为圆柱形，且该球体中部03的圆柱形直径为23cm，高为3.5cm。
示例性地，基于上述公式一和公式二，以及球体底部04的外形尺寸可知，上述球体底部04的体积V1、球体中部03的体积V2、球体上部02的体积V3的计算公式分别为以下公式三、公式四和公式五：
其中，h为3.5cm，r为11.5cm。基于上述公式计算后可知，球体底部04的体积V1为476.1πcm3、球体中部03的体积V2为462.875πcm3、球体上部02的体积V3为264.5πcm3；球体P1的总体积为1203.475πcm3。
上述水质监测系统的自重为1.22kg，重力加速度g＝10m/s2，水的密度为0.001kg/cm3，经浮力公式计算后可知，上述球体P1没入水面之下的体积为1220cm3，约占球体P1的总体积的32.3％。
如图4所示，球体P1没入水面之下的高度为c，经计算后可知，c＝0.7cm。c的计算公式为以下公式六：
其中，上述V排为上述球体P1排开水的体积。
示例性地，上述球体P1没入水中之后，球体P1的表面积依然可以分为三部分进行计算。该球体P1的总表面积为S表，可以根据以下公式七计算得到；浸入水中的面积为S浸，可以根据以下公式八计算得到。经计算可知，浸水表面积为87.7πcm3，约占浮球总体表面积的36.8％，
根据以下公式九可知，浸水表面积占浮球总体表面积的比例：
本申请实施例提供的水质监测系统，通过将中央控制电路安装到能够浮于水面的监测控制球体中，可以使得水质监测系统能够漂浮在水面上，且对水质监测系统的电路起到保护的作用。与球体通过航空插头连接的水质传感器能够深入水下，将实时采集的水质信息通过中央控制电路进行远程上报，使得监测人员能够实时获取当前区域内的水质状况，在水质出现问题时，能够及时采取针对性的措施。
需要说明的是，本申请实施例中，上述各个系统附图所示的。水质监测系统均是以结合本申请实施例中的一个附图为例示例性的说明的。具体实现时，上述各个系统附图所示的水质监测系统还可以结合上述实施例中示意的其它可以结合的任意附图实现，此处不再赘述。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种水质监测系统，其特征在于，包括：浮于水面的监测控制球体，与所述球体通过航空插头连接的水质传感器；
所述球体内部设置有用于安装中央控制电路的设备机盒；
所述中央控制电路，用于将所述水质传感器采集的水质信息进行处理；
所述中央控制电路，还用于上报监测信息；
所述球体为一体成型结构；所述球体底部为抛物线型，所述球体中部为圆柱形，所述球体上部为球面型；所述设备机盒设置于所述球体内部的中心区域；所述中央控制电路安装于所述设备机盒的腔体内；
根据所述水质监测系统的总质量以及浮力公式，计算得到所述球体浸入水中部分的体积；
其中，所述球体浸入水中部分的体积为所述球体的体积的三分之一；所述球体底部的曲线方程为以下公式一：
ya和xa为曲线上任一点的坐标；
所述球体底部的体积V1通过以下公式三计算得到：
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中央控制电路包括：传感器数据采集接口，MCU主控电路，数据存储芯片，无线通讯模组；
所述传感器数据采集接口，用于连接所述水质传感器；
所述MCU主控电路，用于控制所述水质传感器采集水质信息，以及所述水质信息的存储和发送；
所述数据存储芯片，用于存储所述水质信息以及所述水质监测系统的设备状态信息；
所述MCU主控电路，还用于通过所述无线通讯模组，将所述水质信息以及所述设备状态信息上传至服务器。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述传感器数据采集接口、所述MCU主控电路、所述数据存储芯片以及所述无线通讯模组集成在同一PCB板上。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述中央控制电路还包括：电源管理电路；
所述电源管理电路，用于为所述中央控制电路供电。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述球体中部的圆柱形外侧设置有防撞保护层，所述防撞保护层的高度与所述圆柱形外侧等高，所述防撞保护层与所述圆柱形外侧紧密粘连。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述电源管理电路还包括：储能电池；所述球体上部设置有太阳能板；
所述太阳能板，用于在所述储能电池的电量低于预设阈值时，为所述储能电池进行充电。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述球体底部的中央设置有所述航空插头；所述球体的外部底座还设置有缆绳固定座；
所述航空插头的一端与所述传感器数据采集接口相连接，所述航空插头的另一端用于连接所述水质传感器；
所述缆绳固定座，用于连接地锚，控制所述水质监测系统的漂浮范围。
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