CN115454152A - 一种自动追踪的自供能远程水质监测系统、方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水质检测技术领域，公开了一种自动追踪的远程水质监测系统、方法及装置，系统包括：云平台，用于数据传输；控制与传输节点模块，用于控制模块以及数据传输；太阳能追踪调控节点模块，用于追踪太阳能实现自供能；水质监控节点模块，用于采集水质指标数据，包括pH值、固体溶解物含量、水温、氧含量；散热除湿调控节点模块，用于散热以及除湿；辅助系统，用于水质调控、自动喂养。本发明公开的系统通过太阳能追踪调控节点模块自主追光实现了自供能、低功耗，提高了数据采集与用户交互的效率，以及人机交互的效果，实现了主机系统与辅助系统智慧联动，异常情况自动处理；并且通过对数据的分析，提供养殖建议。
Description
技术领域
本发明属于水质检测技术领域，尤其涉及一种自动追踪的自供能远程水质监测系统、方法及装置。
背景技术
目前，我国水环境污染严重，渔业水域环境质量不容乐观，水产养殖环境直接影响水产养殖成效，实时监测水产养殖生态环境可为科学水产养殖提供依据。与传统人工采集相比，传感器网络的搭建对于推进水产养殖智能化、科学化起到了积极作用。考虑到水产养殖场地在户外，存在范围广、不易布线、供电困难等特点，这种场景下更合适使用无线监测系统。
市面上远程水质检测系统存在以下不足，1.设备费用过高；2.不能自供能需要直插式供电；3.仅为固定式自供能，无法动态追踪；4.没有低功耗的设计。而我们的产品可以解决以上诸多问题，实现了动态追踪的自供能，以及低功耗的设计，可以让整个系统进行长久的工作，并且不需要用户去管理与维护就能使用，将数据上传云平台进行分析处理，下传系统进行处理，让水质回归正常自行处理，还能实现多设备联动，自主管理。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)材料成本过高；
(2)无法动态追踪进行自供能，无法适应环境的改变；
(3)不能将得到的水质数据进行分析处理，不能自动调整水质情况，需要依靠人工；
(4)缺少多设备联动以及多节点参数采集；
(5)没有低功耗模式或者不能自主的进入低功耗。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种自动追踪的自供能远程水质监测系统、方法及装置。
本发明是这样实现的，一种自动追踪的自供能远程水质监测系统，所述自动追踪的自供能远程水质监测系统包括：
云平台，使用腾讯云，用于数据传输；
控制与传输节点模块，包括NUCLEO-L4R5ZIT6和广和通ADP-L610所述NUCLEO-L4R5ZIT6为主控，所述广和通ADP-L610为4G通讯模组，用于控制模块以及数据传输；
太阳能追踪调控节点模块，包括舵机、太阳能板和光敏传感器，系统得到四个方位的光感强度数据进行定位计算分析，得出光照最强方位，舵机转动太阳能板用于追踪太阳能实现自供能；
水质监控节点模块，包括pH传感器，TDS传感器，温度传感器以及溶解氧传感器，用于采集水质指标数据，包括pH值、固体溶解物含量、水温、氧含量；
散热除湿调控节点模块，包括TEC1-7104半导体制冷片，温湿度模块，风扇、蜂鸣器以及指示灯，当设备监测到工作温度异常时，指示灯和蜂鸣器进行报警，数据上传云平台，云台下发消息告知设备负责人介入操作，通过手机是否强制关闭系统，同时散热设备介入工作，用于散热以及除湿；
辅助系统，包括增氧机和水泵，用于水质调控、自动喂养，当主系统监测到水质出现异常时，如果是监测到缺氧，主系统发送指令让辅助系统进行缺氧调节，如果是监测到水质污染，主系统发送指令让辅助系统进行水质更换处理，确保鱼类生态安全。
进一步，所述控制与传输节点模块通过ADC_DMA方式实时将所述水质监控节点模块采集的水质指标数据上传云平台，并通过腾讯云，连通手机，实现电脑手机两者都可操控。
进一步，所述数据传输过程为：
采集的数据通过所述4G通讯模组，用AT指令的收发，实现数据远程传输到所述云平台，并形成水质状况数据，绑定手机后可随时查看；
异常情况下，所述系统将异常提醒通过所述腾讯云发送信息到手机，并提供养殖建议，提高应急系数。
进一步，所述追踪太阳能的具体过程为：
首先，通过太阳能板上方的十字隔板中的多个光敏传感器采集光强并进行差位运算，算出光强最大的方向；
其次，通过控制U型架右侧凹槽安装的舵机进行上下转动和底部圆盘凹槽处安装的舵机进行左右转动，达到全方位转动的目的，以此实现能量采集的最大化。
进一步，所述系统以低功耗的L4芯片作为主控，再通过芯片的二级休眠功能，让整个电路的通断通过继电器控制；
在低功耗模式开启前，芯片控制继电器关断整个电路，再进入低功耗，使得待机电流更小，以此来达到能量消耗的最小化，同时搭载了手机控制休眠模式；
当不使用系统时，可以通过手机控制系统进入休眠，结合动态追踪的自供能以及低功耗，可以大幅度的解决用电问题。
进一步，所述系统还包括：
数据监测完成后，系统将进行数据分析并比对，若此时水质不适合养殖，则利用所述辅助系统调节水质，所述辅助系统将自动打开水泵阀门进行换水，或者打开增氧机进行供氧；所述系统还设置有定时投料，达到自动喂养目的。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述自动追踪的自供能远程水质监测系统的方法，所述方法包括：
将采集的模拟电压进行多通道DMA数据处理，分别准确得到不同端口的模拟电压，进行模块算法分析得到水质指标数据，包括pH值、固体溶解物含量、水温、氧含量，并将水质指标数据通过所述的4G通讯模组，采用MQTT协议通过AT指令的收发，远程传输到所述云平台，并形成水质状况数据；
同时系统将利用四个方位的光感强度数据进行定位计算分析，得出光照最强方位，再控制舵机转动太阳能板用于追踪太阳能；
最后系统进行数据分析并比对，若此时水质不适合养殖，则利用所述辅助系统调节水质，所述辅助系统将自动打开水泵阀门进行换水，或者打开增氧机进行供氧；所述系统还设置有定时投料，达到自动喂养目的；
当水质异常时，所述系统将异常提醒通过所述腾讯云发送信息到手机，并提供养殖建议，提高应急系数。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述自动追踪的自供能远程水质监测系统的自动追踪监测装置，包括箱体、舵机、圆盘、太阳能板以及U型架；
所述箱体设于一长方形开口和多个小方形开口；所述长方形开口用以安装舵机，所述小方形用以支撑上方圆盘，以及转动U型架；
所述U型架右边开口安装所述舵机，用于上下转动，左边开个小孔，配合右边的舵机臂，用以固定太阳能板；
所述圆盘，中心开孔处用于连接舵机和U型架，用于左右转动；
所述箱体中间开孔，配合舵机上的螺丝用以连接圆盘和U型架，实现全方位转动。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述自动追踪的自供能远程水质监测系统。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
本发明通过太阳能板上方的十字隔板中的四个光敏传感器进行差位运算，算出光强最大的方向，并通过U型架右侧以及圆盘下侧的舵机，进行上下左右全方位的转动，以此实现能量采集的最大化。
本发明通过L4芯片的二级休眠功能，当系统对数据进行比对过后，芯片将通过继电器关闭所有外设，再自己进行二级休眠，仅保留芯片内部电源，达到最低功耗的运行，再不使用时也可以通过手机或者电脑自主进入低功耗模式。
本发明通过系统对数据的分析，系统将提供养殖建议，当水质不佳时，将通过操作辅助系统，自动打开水泵换水，或者自动打开增氧机，实现增氧的目的本发明提供的系统实现了自主追光实现自供能，无需人为提供能量；提高了数据采集与用户交互的效率，更好的达到了人机交互的效果；主机系统与辅助系统智慧联动，异常情况系统自动处理；提供了低功耗模式的设计与人为管理。
本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：本发明填补了国内对远程水质监测的不足，以及设备不能长期在恶劣环境下工作和设备不能对异常水质进行处理。
本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：解决了市场在监测水质高成本的行业痛点；解决了设备不能在各种环境下长时间工作的难题；解决了水产养殖用户只能人工改变水质麻烦，解决了数据远程传输慢、数据丢失的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的自动追踪的远程水质监测系统总体方案图；
图2是本发明实施例提供的自动追踪的远程水质监测系统实例图；
图3是本发明实施例提供的自动追踪的远程水质监测装置顶部箱体开口示意图；
图4是本发明实施例提供的自动追踪的远程水质监测装置U型架、舵机结构示意图。
图中：1、箱体；2、圆盘；3、太阳能板；4、U型架；5、舵机。
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。
为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
如图1、图2所示，本发明实施例提供了一种自动追踪的自供能远程水质监测系统，所述自动追踪的自供能远程水质监测系统包括：
云平台，包括腾讯云，用于数据传输；
控制与传输节点模块，包括NUCLEO-L4R5ZIT6和广和通ADP-L610，所述NUCLEO-L4R5ZIT6为主控，所述广和通ADP-L610为4G通讯模组，用于控制模块以及数据传输；
太阳能追踪调控节点模块，包括舵机5、太阳能板3和光敏传感器，用于追踪太阳能实现自功能；
水质监控节点模块，包括pH传感器，TDS传感器，温度传感器以及溶解氧传感器，用于采集水质指标数据，包括pH值、固体溶解物含量、水温、氧含量；
散热除湿调控节点模块，包括风扇、蜂鸣器以及指示灯，用于散热以及除湿；
辅助系统，包括增氧机和水泵，用于水质调控、自动喂养。
通过ADC_DMA方式以内存到存储，实时将水质监控节点模块采集的水质数据不经过单片机直接上传云平台，减少了单片机的运算量，再通过WiFi模块的协助，将手机和腾讯云联通，实现电脑手机两者都可操控；采集的数据通过广和通ADP-L610，内部协议采用MQTT网络协议，用AT指令的收发，实现数据远程传输到云平台，并在平台利用数据流形成水质状况数据，绑定手机后可随时查看；异常情况下，系统将异常提醒通过腾讯云发送信息到手机，并提供养殖建议，提高应急系数；追踪太阳能通过太阳能板3上方的十字隔板进行分区域遮光处理，再利用中四个光敏传感器采集到的不同光强并进行差位运算，算出光强最大的方向；光强数据通过DMA方式传到NUCLEO-L4R5ZIT6芯片，芯片再通过换算，改变PWM波以此控制U型架4右侧凹槽安装的舵机5进行上下转动和箱体顶部2凹槽处安装的舵机5进行左右转动，达到全方位转动的目的；数据监测完成后，系统将进行数据分析并比对，若此时水质达不到设置的养殖水质，则利用辅助系统调节水质，辅助系统将自动打开水泵阀门进行换水，或者打开增氧机进行供氧，当水质达标，则自动停止；系统还设置有定时投料，达到自动喂养目的；系统以低功耗的L4芯片作为主控，利用芯片的二级休眠功能和在休眠开启前，控制继电器关断整个电路，减少待机电流，以此进入低功耗，将使得待机电流更小，同时在函数内部加入了中断模式，手机可以通过腾讯云发送AT指令唤醒或者休眠L4芯片；结合动态追踪的自供能以及低功耗，可以大幅度的解决用电问题。
控制与传输节点模块
进一步，所述控制与传输节点模块通过ADC_DMA方式实时将所述水质监控节点模块采集的水质指标数据上传云平台，并通过腾讯云，连通手机，实现电脑手机两者都可操控。
进一步，所述数据传输过程为：
采集的数据通过所述4G通讯模组，用AT指令的收发，实现数据远程传输到所述云平台，并形成水质状况数据，绑定手机后可随时查看。
进一步，所述追踪太阳能的具体过程为：
首先，通过太阳能板3上方的十字隔板中的四个光敏传感器采集光强并进行差位运算，算出光强最大的方向；
其次，通过控制U型架4右侧凹槽安装的舵机5进行上下转动和底部圆盘2凹槽处安装的舵机5进行左右转动，达到全方位转动的目的，以此实现能量采集的最大化。
进一步，所述系统以低功耗的L4芯片作为主控，再通过芯片的二级休眠功能，配合继电器实现整个电路的间隔式休眠；
在低功耗模式开启前，芯片控制继电器关断整个电路，再进入低功耗，使得待机电流更小，以此来达到能量消耗的最小化，同时搭载了手机控制休眠模式；
当不使用系统时，可以通过手机控制系统进入休眠，结合动态追踪的自供能以及低功耗，可以大幅度的解决用电问题。
进一步，所述系统还包括：
水质状况数据监测完成后，系统将进行数据分析并比对，若此时水质不适合养殖，则利用所述辅助系统调节水质，所述辅助系统将自动打开水泵阀门进行换水，或者打开增氧机进行供氧；所述系统还设置有定时投料，达到自动喂养目的。
水质状况数据异常时，所述系统将异常提醒通过所述腾讯云发送信息到手机，并提供养殖建议，提高应急系数
本发明实施例还提供了一种自动追踪的远程水质监测方法包括：
利用水质监控节点模块采集水质指标数据，包括pH值、固体溶解物含量、水温、氧含量，并将水质指标数据通过所述4G通讯模组，用AT指令的收发，远程传输到所述云平台，并形成水质状况数据；
所述系统将进行数据分析并比对，若此时水质不适合养殖，则利用所述辅助系统调节水质，所述辅助系统将自动打开水泵阀门进行换水，或者打开增氧机进行供氧；所述系统还设置有定时投料，达到自动喂养目的；
当水质异常时，所述系统将异常提醒通过所述腾讯云发送信息到手机，并提供养殖建议，提高应急系数。
为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
如图4所示，本发明实施例提供了一种动态追踪自供能的构架，包括箱体1、舵机5、圆盘2、太阳能板3以及U型架4；
顶部箱体1开口如图3所示，所述箱体1设于一长方形开口和多个小方形开口；所述长方形开口用以安装舵机5，所述小方形用以支撑上方圆盘2；
所述U型架4右侧开口安装所述舵机5，用于上下转动以及固定太阳能板3，中间开孔用于连接圆盘2，左侧开孔用于固定太阳能板3；
所述圆盘2，圆心处打孔，用于连接所述舵机5；
所述箱体1后侧，留有集线槽用于上方光敏传感器、舵机5和箱体内部芯片的连线；
所述箱体1左右侧，留有两个圆形开口，用于安装散热风扇，以达到对装置的散热处理；
所述装置，通过箱体1顶部承载舵机5的螺丝与圆盘2以及U型架4连接，实现全方位转动。
本发明实施例的控制与传输节点模块通过ADC_DMA方式实时将水质监控节点模块采集的水质指标数据上传云平台，并通过腾讯云，连通手机，实现电脑手机两者都可操控；采集的数据通过4G通讯模组，用AT指令的收发，实现数据远程传输到云平台，并形成水质状况数据，绑定手机后可随时查看；异常情况下，系统将异常提醒通过腾讯云发送信息到手机，并提供养殖建议，提高应急系数；追踪太阳能通过太阳能板3上方的十字隔板中的多个光敏传感器采集光强并进行差位运算，算出光强最大的方向；通过控制U型架4右侧凹槽安装的舵机5进行上下转动和底部圆盘2凹槽处安装的舵机5进行左右转动，达到全方位转动的目的，以此实现能量采集的最大化；数据监测完成后，系统将进行数据分析并比对，若此时水质不适合养殖，则利用辅助系统调节水质，辅助系统将自动打开水泵阀门进行换水，或者打开增氧机进行供氧；系统还设置有定时投料，达到自动喂养目的；系统以低功耗的L4芯片作为主控，再通过芯片的二级休眠功能，让整个电路的通断通过继电器控制；在低功耗模式开启前，芯片控制继电器关断整个电路，再进入低功耗，使得待机电流更小，以此来达到能量消耗的最小化，同时搭载了手机控制休眠模式；当不使用系统时，可以通过手机控制系统进入休眠，结合动态追踪的自供能以及低功耗，可以大幅度的解决用电问题。
应当注意，本发明的实施方式的方法部分可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种自动追踪的远程水质监测系统，其特征在于，所述自动追踪的远程水质监测系统包括：
云平台，包括腾讯云，用于数据传输；
控制与传输节点模块，包括NUCLEO-L4R5ZIT6和广和通ADP-L610，所述NUCLEO-L4R5ZIT6为主控，所述广和通ADP-L610为4G通讯模组，用于控制模块以及数据传输；
太阳能追踪调控节点模块，包括舵机、太阳能板和光敏传感器，用于追踪太阳能实现自供能；
水质监控节点模块，包括pH传感器，TDS传感器，温度传感器以及溶解氧传感器，用于采集水质指标数据，包括pH值、固体溶解物含量、水温、氧含量；
散热除湿调控节点模块，包括风扇、蜂鸣器以及指示灯，用于散热以及除湿；
辅助系统，包括增氧机和水泵，用于水质调控、自动喂养。
2.如权利要求1所述自动追踪的远程水质监测系统，其特征在于，所述控制与传输节点模块通过ADC_DMA方式将所述水质监控节点模块采集的水质数据上传云平台，并通过腾讯云，连通手机。
3.如权利要求1所述自动追踪的远程水质监测系统，其特征在于，所述数据传输过程为：
采集的数据通过所述4G通讯模组，用AT指令的收发，将数据远程传输到所述云平台，并形成水质状况数据，绑定手机后查看。
4.如权利要求1所述自动追踪的远程水质监测系统，其特征在于，所述追踪太阳能的具体过程为：
首先，通过太阳能板上方的十字隔板中的多个光敏传感器采集光强并进行差位运算，算出光强最大的方向；
其次，通过控制U型架右侧凹槽安装的舵机进行上下转动和底部圆盘凹槽处安装的舵机进行左右转动，全方位转动使能量采集最大化。
5.如权利要求1所述自动追踪的远程水质监测系统，其特征在于，所述系统以NUCLEO-L4R5ZIT6芯片作为主控，再通过芯片的二级休眠功能，配合继电器完成整个电路的间隔式休眠；
在低功耗模式开启前，所述芯片控制继电器关断整个电路，再进入低功耗，使得待机电流更小，能量消耗最小化，同时搭载了手机控制休眠模式；
当不使用系统时，通过手机控制系统进入休眠。
6.如权利要求1所述自动追踪的远程水质监测系统，其特征在于，所述系统还包括：
当水质状况数据监测完成后，系统将进行数据分析并比对，若此时水质不适合养殖，则利用所述辅助系统调节水质，所述辅助系统自动打开水泵阀门进行换水，或者打开增氧机进行供氧；
所述辅助系统还设置有定时投料进行自动喂养。
7.如权利要求1所述自动追踪的远程水质监测系统，其特征在于，所述系统还包括：
当水质数据异常情况下，所述系统将异常提醒通过所述腾讯云发送信息到手机，并提供养殖建议。
8.一种实施如权利要求1-7任意一项所述自动追踪的远程水质监测系统的自动追踪的远程水质监测方法，其特征在于，所述自动追踪的远程水质监测方法包括：
利用所述水质监控节点模块采集水质指标数据，包括pH值、固体溶解物含量、水温、氧含量，并将水质指标数据通过所述4G通讯模组，用AT指令的收发，远程传输到所述云平台，并形成水质状况数据；
所述系统进行数据分析及比对，若水质不适合养殖，则利用所述辅助系统调节水质，所述辅助系统自动打开水泵阀门进行换水，或者打开增氧机进行供氧；
当水质异常时，所述系统将异常提醒通过所述腾讯云发送信息到手机，并提供养殖建议。
9.一种实施如权利要求1-7任意一项所述自动追踪的远程水质监测系统的自动追踪的远程水质监测装置，其特征在于，所述自动追踪的远程水质监测装置，包括箱体、舵机、圆盘、太阳能板以及U型架；
所述箱体设于一长方形开口和多个小方形开口；所述长方形开口用以安装舵机，所述小方形用以支撑上方圆盘，以及转动U型架；
所述U型架右边开口安装所述舵机，用于上下转动；
所述圆盘，底部凹槽处安装的舵机，用于左右转动；
所述箱体左方开个小孔，用以固定太阳能板；
所述箱体中间开孔，配合舵机上的螺丝用以连接圆盘和U型架，实现全方位转动。
10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求1-7任意一项所述自动追踪的远程水质监测系统。
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| CN202211273887.2A CN115454152A (zh) | 2022-10-18 | 2022-10-18 | 一种自动追踪的自供能远程水质监测系统、方法及装置 |
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