CN201569904U - 一种蓝藻水华实时监控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种蓝藻水华实时监控装置，属无线监控领域。该装置主要包括GPRS模块、射频无线通信模块、处理器控制单元、执行器模块、传感器模块和12V输出电源及36V输出电源，执行器模块包括超声电源及超声波换能器、电动气泵及水下曝气管、步进电机及其驱动器，传感器模块包括气象传感器、多参数水质传感器及藻类传感器，电源主要由太阳能电池板及蓄电池构成。本装置能实时对所测水域的水质进行监测，并将采集的信息经初步处理后通过GPRS或射频通信技术传送给监控中心进行分析，监控中心将处理信号下达回对应节点，节点结合监测结果利用执行器对蓝藻生长进行抑制。本装置布点灵活、监测精度高、监测范围广，除藻方式环保且成本低。

Description

一种蓝藻水华实时监控装置

技术领域

本实用新型涉及一种实时监控装置，尤其涉及一种应用于水环境保护的蓝藻水华实时监控装置，属于无线监控领域。

背景技术

随着全球经济的发展和人类活动影响的扩大，湖泊富营养化日趋严重。富营养化的水体极易导致蓝藻水华的暴发，这已成为世界性的水环境问题之一。蓝藻水华的暴发具有周期性，通过实时的监测预警并辅以有效的控制措施，可以防止蓝藻大量繁殖，减轻其带来的危害。

研究表明，影响蓝藻生长的主要环境条件为光照、水温、PH值、溶解氧、营养盐浓度、风浪扰动等。一旦环境形成，在营养物和空间尺度不受限制的初期，藻类会进入一个指数增长阶段，水华将在“一夜之间”全面暴发，导致难以控制的局面，以至于后期需要花费大量的人力物力进行打捞清理，因此对于蓝藻监测预警和控制的实时性显得尤为重要。

目前主要采用的监测方式有三种：人工现场观测、卫星遥感监测和水质自动在线监测。定期的人工现场视觉和味觉观测是一种有效且直观的监测方法，但监测周期长，对技术人员的经验要求高；卫星遥感监测技术具有宏观、动态等显著特点，但遥感图像的获取成本高，处理分析要求的技术含量高，通常应用于大型湖泊和水库；目前水质和气象参数自动检测仪均分别在水质自动监测站和自动气象站得到应用，然而受建站条件的限制，通常二者的分布位置和密度均不一致，导致采样数据不能准确反映同一片水域的环境因素，影响预测精度，并且由于各部门职责分工不同，各参数的获取对环保、水利和气象部门之间的合作提出了较高要求。

每个湖泊的水环境状况不同，在蓝藻水华发生机理并不清楚的情况下进行评价是比较困难的，这种局限性引起的预测准确率低下很可能导致暴发初期预警发布的滞后以及控制措施的拖延，延误了最佳控制时期。

蓝藻防治最有效、最科学的方法是采用生态治理，恢复水体的自净能力。完整的生态链可增强水体自身的修复能力：水生湿生植物及鱼类、贝类等水生动物不仅能消耗水中的有机污染，还能抑制藻类生长。然而这是一种长期的综合性治理，需要建立在外源污染得到控制且具备自净能力的基础上，对于已被污染的水体，其环境已经阻碍了水生动植物的正常生长，导致生物链的不完整，因此必须采用清除措施。

国内外对于蓝藻的清除方法已经有很多研究，主要有化学法、生物法、物理法等。其中化学法能够高效除藻，但是使用的化学药剂极易对水体造成二次污染，现在发达国家基本上已不再使用；生物法易造成引进的高等水生植物过度繁殖，对湖泊生物种群结构、航运、景观等带来不利影响；传统的物理方法有机械清除、过滤、曝气、遮光、挖掘底泥等，需要大型的机械设备和有经验的操作人员，对于大面积水体费时费力。

超声灭藻装置在国外得到了成功应用，国内部分高校也做了相关研究，但尚未进入产品化阶段。政府和环保部门主要致力于大型湖泊和重要水源地的保护和治理，而现有的超声灭藻装置依赖于电力的供应，布线不易，并受自身移动和有效作用范围的限制，目前主要被局限于小面积水体的蓝藻治理。

现有的超声除藻装置可化分为固定型和移动型。前者多将超声电源与换能器分离，二者通过防水的信号线连接，电源安装在陆地上，换能器通过标杆或绳索固定于水下，仅能对前方的扇形水域定向辐照，换能器的波束角和声功率决定有效辐照面的大小。为了扩大移动范围，也有人将整套超声灭藻装置安装在小型船舶上，由电缆或船载的发电机供电，这种方法依赖于长时间的人工操作，且设备体积大、成本高。

实用新型内容

本实用新型针对背景技术中对蓝藻的监测和除藻技术存在的缺陷，而提出一种监测精度高、除藻方式环保且布点灵活的蓝藻水华实时监控装置。

本实用新型的蓝藻水华实时监控装置，其结构包括：GPRS模块、处理器控制单元、射频通信单元、射频天线、执行器模块、传感器模块、电源监控电路及电源模块1和电源模块2，所述执行器模块包括超声电源、超声波换能器、电动气泵、水下曝气管、步进电机驱动器和步进电机，超声电源、电动气泵和步进电机驱动器的输出端分别对应连接超声波换能器、水下曝气管和步进电机的输入端，其中：电源模块1分别给GPRS模块、射频通信单元、处理器控制单元、传感器模块及执行器模块中的步进电机驱动器供电；电源模块2的输出端一路通过电源监控电路与处理器控制单元的输入端连接，另一路给执行模块中的超声电源和电动气泵供电；射频天线连接射频通信单元，射频通信单元、GPRS模块和传感器模块均与处理器控制单元双向相连；处理器控制单元的输出端分别与执行器模块中的超声电源、电动气泵和步进电机驱动器的输入端连接；超声波换能器与步进电机连接以完成全向旋转。

本实用新型的设计结合了无线通信、多参数传感器集成、全向超声波除藻和曝气增氧技术，克服了现有蓝藻水华监测技术监测周期长、实效性差、劳动强度大、监测水域范围小、运营成本高、除藻不环保等问题，具体有益效果如下：

1、网络容量大，监测密度高、范围广。基于GPRS模块的通信方式利用了成熟、稳定的公共无线网络，可以跨越很大的物理空间，增大覆盖的监测区域，减少洞穴或盲区；

2、短距离射频通信模块为传感器节点的网络化提供了物理层和MAC层的支持，组网后可使系统具有很强的容错性和自愈功能；

3、从不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比，通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测精度，降低对单个节点传感器的精度要求；

4、布点灵活，无需布线，建站成本低，适应性广；

5、气象、多参数水质传感器解决了传统测量法测量周期长、测量参数少、测量点分布不一等问题，提高了监测数据的及时性、有效性，增强了预警的准确性、可靠性；

6、采用超声除藻技术，全向式设计使换能器的作用区域突破了自身波束角的限制，没有盲区；装置由太阳能供电，解决了供电难问题，绿色能源的应用使除藻过程更加环保，无需人工参与，降低了运营成本；

7、在除藻的同时可以利用超声波对水下传感器探头进行自动清洗，延长了探头的使用寿命。

8、曝气装置促进了已杀死的蓝藻细胞的加速分解与水体恢复。

附图说明

图1是本实用新型的模块结构框图，图中太阳能电池板I、II、III、IV即太阳能电池板1、2、3、4。

图2是本实用新型实施例整体三维结构图，图中标号名称：1、2、3、4均为太阳能电池板；5为外仪器舱；6为风速传感器；7为照度传感器；8为射频天线；9为温湿度传感器；10为环形浮筒；11为浮筒内仪器舱；12为步进电机及旋转控制装置；13为水质传感器及藻类传感器，其中：13-1为传感器探头，13-2为声波反射板；14为36V电动气泵；15为电机与换能器的连接轴和防水套管；16为超声波换能器；17为导气管。

图3是步进电机旋转控制机构的原理结构图，图中标号名称：1’为步进电机；2’为触发旋转控制信号的金属杆；3’为步进电机转轴；4’为微动开关；5’为微动开关输出导线。

图4是本实用新型实施例中外仪器舱的分层结构示意图，图中：(a)为外仪器舱上层结构示意图；(b)为外仪器舱中层结构示意图；(c)为外仪器舱下层结构示意图。

图5是本实用新型的工作流程示意图。

具体实施方式

本实用新型的模块连接结构如图1所示，包括GPRS模块、处理器控制单元、射频通信单元、射频天线、执行器模块、传感器模块、电源监控电路及电源模块1和电源模块2，所述执行器模块包括超声电源、超声波换能器、电动气泵、水下曝气管、步进电机驱动器和步进电机，超声电源、电动气泵和步进电机驱动器的输出端分别对应连接超声波换能器、水下曝气管和步进电机的输入端，其中：电源模块1分别给GPRS模块、射频通信单元、处理器控制单元、传感器模块及执行器模块中的步进电机驱动器供电；电源模块2的输出端一路通过电源监控电路与处理器控制单元的输入端连接，另一路给执行模块中的超声电源和电动气泵供电；射频天线连接射频通信单元，射频通信单元、GPRS模块和传感器模块均与处理器控制单元双向相连；处理器控制单元的输出端分别与执行器模块中的超声电源、电动气泵和步进电机驱动器的输入端连接；超声波换能器与步进电机连接以完成全向旋转。

电源模块1由太阳能电池板1、太阳能充电控制器1、蓄电池1和DC-DC转换器构成，太阳能电池板1和蓄电池1均连接太阳能充电控制器1，太阳能充电控制器1的输出端连接DC-DC转换器的输入端，DC-DC转换器的输出端构成电源模块1的输出端；所述电源模块2由三块太阳能电池板、三个蓄电池和太阳能充电控制器2构成，三块太阳能电池板即太阳能电池板2、太阳能电池板3、太阳能电池板4，三个蓄电池即蓄电池2、蓄电池3、蓄电池4，三块太阳能电池板和三个蓄电池均连接太阳能充电控制器2，太阳能充电控制器2的输出端构成电源模块2的输出端。

下面对图1中的模块应用分别进行详细介绍：

本实用新型中的处理器控制单元采用TI公司的CC2430低功耗无线单片机，它结合了行业领先的射频2.4GHz收发器CC2420以及工业级、小体积的8051单片机，具有集成度高、功耗低的特点。收发器支持的IEEE 802.15.4协议采用了CSMA-CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，增强了无线通信的可靠性。

CC2430为处理器控制单元核心，其内置的8051单片机担负着以下任务：1)用于控制射频通信模块、GPRS模块与其他节点及监控中心间的通信；2)采集气象、水质和藻类传感器的数据，并做简单的分析处理，同时结合监控中心下达的预警等级对执行器是否工作及工作强度作出判断；3)对两个太阳能电源进行电源管理，包括电源电压的监控，执行器电源供给的通断和超声、曝气装置供电的切换；4)对步进电机转速的调节及旋转方向的检测与控制。

射频通信单元由CC2430片内的CC2420收发器及少量外围元件组成，它与8051单片机之间通过SPI接口通信，并和射频天线共同构成短距离无线通信模块。

GPRS模块与8051单片机之间是通过RS-232串口进行通信，通信速率最快可达115200b/s。该模块与8051间的通信协议是AT命令集，除了串口发送(TX)、串口接收(RX)之外，8051与GPRS模块之间还有一些硬件握手信号，如DTR、CTS、DCD等。为了简化单片机的控制，硬件设计时不需要使用全部的硬件握手信号，而只使用数据载波检测(Data Carrier Detect，DCD)和终端准备(Data Terminal Ready，DTR)信号。

传感器模块包括气象传感器、水质传感器和藻类生物量传感器，其中：气象传感器又包括温湿度传感器、照度传感器和风速传感器，水质传感器又包括溶解氧传感器、水温传感器、浊度传感器、PH值传感器和电导率传感器。

对于气象参数，主要测量温湿度、照度和风速风向。温湿度测量采用DHT22数字信号输出的温湿度复合传感器，该传感器已经过校准，测温、测湿的精度分别为0.1℃和0.1％RH，它与CC2430之间通过单总线方式连接，节省端口且时序简单；照度测量采用ZD-01型照度变送器，它采用了对弱光也有较高灵敏度的硅兰光伏探测器作为传感元件，将光照强度转换为电流信号，再经过运算放大器转换为0～5V的标准信号经处理器内置的ADC采样，再换算为照度值，测量范围为1Lux～20000Lux，精度为±5％；风速风向测量采用FC-5SX风速风向传感器，传感器的风杯、风标由高耐候性、高强度、防腐蚀和防水合金制造，壳体使用铝镁合金成形，内部电路均经过喷涂三防漆处理，具有很好的耐恶劣环境的适应性，其输出为0～5V电压信号，由ADC采样并转换为风速风向值，风速测量范围为0～50M/S，风向测量范围为32方位角。

多参数水质传感器采用如下方法自动测量水质参量：采用防水型DS18B20数字温度传感器测量水温；采用玻璃电极法测量PH值；采用电化学探头法测量溶解氧；采用散射法测量浊度；采用电极法测量电导率。

藻类生物量传感器采用荧光分析法进行测量，蓝绿藻中的藻蓝素接收波长为590nm的照射光后可发出波长为650nm的荧光，发出荧光的强度与水中藻蓝素的数量成正比，通过测量光强度间接测量蓝绿藻的含量。

水质和藻类传感器输出的电压信号在变送器内被放大，经协处理器采样并转换为对应物理量的数字信号，通过RS-232接口送至处理器单元。由于目前国内在集成化的水质参数传感器的研发方面与发达国家仍有一定差距，考虑到对精度、可靠性和使用寿命的需求，在实施例中采用美国HACH公司的HYDROLAB DS5水质多功能探头，它是一款便携式监测仪器，可同时测量15个甚至更多的参数，由于其稳定性高，使用方便，在国外被广泛应用于湖泊、水库、流域和海域的水质监测。

本装置采用两个太阳能电源，给大功率的执行器模块与小功率的传感器模块独立供电，减小相互干扰，提高稳定性。电源模块1采用一块太阳能电池板给一个蓄电池充电，电源输出为12V，并利用DC-DC转换器将其转换成处理器控制单元、传感器模块和步进电机旋转控制单元所需的电压；电源模块2采用三块太阳能电池板给三个蓄电池充电，输出36V电压给执行器模块中的超声装置和曝气装置供电，该模块通过电源监控电路转换成ADC接受的标准电压，由处理器监控。上述太阳能电池板均采用10W、18V的太阳能电池板，上述蓄电池均采用12V、7.2Ah的蓄电池。

超声波换能器采用防水型水下功率超声波换能器，输出功率10W～20W，有效辐射范围为50m～100m，水平浸没于水面下10～20cm处。换能器的连接机构与步进电机轴相连，在单片机的控制下进行转速可调的往复全向旋转，旋转的角度由与电机轴垂直连接的转向触发金属杆和两组微动开关的位置决定。电机采用步距角为1.8度的混合式步进电机，工作电压为12V，电流为0.4A，其细分驱动器采用TA8435设计，可以整步、半步、4细分和8细分工作，它的使能、方向和驱动脉冲三个隔离输入端由CC2430的I/O接口直接控制。

超声波换能器由超声电源驱动。超声电源采用他激式结构，分为小信号模块、功放模块、阻抗匹配模块和反馈控制网络模块四部分。由于藻类细胞结构的不同，其在不同频率的超声波作用下表现出的效果也不同，通常采用的超声波的频率范围为20～150kHz。他激式结构相比自激式功放具有模块分明、信号级联的特点，通过更换部分变压器和电感可改变功率源的频率带宽。小信号模块以一片ATmega-8L单片机为核心，利用内部定时器输出频率和占空比可变的PWM波形，其频率为换能器的谐振频率，占空比反映了平均输出功率的大小，即采用PDM(脉冲比例调制)法控制输出功率，该PWM波形由一片TPS2811放大并输出两路反相信号，经过隔离变压器耦合后驱动全桥逆变电路中MOSFET管IRF840的开关。逆变电路由蓄电池提供36V直流供电，放大输出的两路反相信号在阻抗匹配变压器的初级线圈处叠加并耦合至次级线圈，最后通过串联的匹配电感传输至换能器。

36V供电电源的输出电压和电流大小为超声电源消耗的电功率，当换能器工作于谐振状态时输出功率最大。ATmega-8L通过1A的电流互感器检测输出电流作为反馈信号，可以实现换能器谐振频率的扫频搜索和动态频率跟踪，以提高超声功率源的效率。超声装置的工作时长由ATmega-8L定时实现，参数通过SPI接口从主处理器CC2430处获得。

曝气装置中的电动气泵由36V蓄电池供电，向通下水中的导气管送气，导气管与水体具有较大的接触面积，上面的多组插孔安装带有软管的曝气头，曝气软管的长度根据水体的深浅选择。

超声和曝气装置不同时工作，工作状态由处理器控制单元内的双刀双掷继电器控制。

本实用新型实施例的整体结构如图2所示。在实施时，由环形浮筒10将整个装置承托漂浮于水面上，水上部分包括太阳能电池板1～4和外仪器舱5，水下部分包括导气管17、水质及藻类传感器13和超声波换能器16。

太阳能电池板共有四块，呈十字形水平放置，保证从各角度都可以接收到太阳的辐照。四块电池板的四条短边围成的正方形即为外仪器舱5的顶部，其上安装有风速传感器6和照度传感器7以及用于无线通信的射频天线8，上述三种器件互不遮挡，并且较高的离地距离可以使通信距离更远，外仪器舱5顶层盖板与三种器件的连接处密封以防渗水。三种器件的正下方为处理器控制单元，在靠近外仪器舱5舱壁的一侧安装有温湿度传感器9，与该传感器紧贴的舱壁，即在太阳能电池板2的正下方舱壁中心处开有气孔，以便温湿度传感器9在测量外界空气的湿度和温度时不被阳光直射和雨水淋湿。三种气象传感器和射频通信模块直接由处理器的I/O接口控制。

环形浮筒10由中空或实心的橡胶(如充气的汽车轮胎)、高强度塑料或轻质的复合材料构成。在环的内部嵌套了圆柱形的内仪器舱11，该仪器舱的上沿有外圈，其直径大于环形浮筒10的内径，保证内仪器舱11不会从中滑落，在上述外圈四周分布有用于安装盖板的螺孔和排水孔。外仪器舱5固定于内仪器舱11的盖板上，连接处密封以防水防腐蚀，盖板的中心开孔，供导线通过。浮筒内仪器舱11内部安装有步进电机及旋转控制装置12、多参数水质及藻类传感器13和36V电动气泵14。如图3所示是步进电机旋转控制机构的原理结构图，步进电机1’轴朝下固定于舱体的中心位置，步进电机转轴3’与底面的圆同心，并与超声波换能器16的连接杆通过联轴器相连。换能器16的信号线和连接杆穿过与内仪器舱11底板密封联接的防水套管内，信号线预留的长度保证旋转360度所需。仪器舱内设备的摆放要保证整个浮体的平衡，即浮体中心线与重心线重合，必要时可以在舱内固定配重物，使装置浮于水面时不发生倾斜。

多参数水质及藻类传感器13包含了传感器探头13-1、水下声波反射板13-2和仪器舱内的变送器。由于超声波换能器16安装在内仪器舱11的正下方，可以进行旋转，而传感器探头13-1集中位于一侧，为了使传感器探头13-1的每个角度都可以接收到辐照，在换能器与探头轴线方向的外侧安装了声波反射板13-2，反射的超声波使探头的外表面也得到清洗。

曝气装置由36V直流气泵14、水下的导气管17以及多组曝气软管和曝气头构成。带有软管连接孔的导气管17采用PVC管制作成正方的“C”型，四个顶点通过弯管接头和三通连接无孔的水管，并固定于内仪器舱11的底部。四个固定点中，起始点为进气口，与电动气泵14相连，其余三口均密封。当本装置在陆地上放置时，导气管17起到支架的作用，其高度要高于传感器探头13-1、反射板13-2和换能器16的高度。

在图3中，步进电机1’的转轴3’上垂直固定一根金属杆2’，并在金属杆2’扫过范围内的同一垂直高度上反向固定一对微动开关4’，当电机转轴3’逆时针转动到该角度时触发内侧的开关，微动开关输出导线5’接通，输出一个开关量，处理器即控制步进电机1’转向，反之亦然。

图4是本实用新型实施例中外仪器舱的分层结构示意图。(a)、(b)、(c)分别对应外仪器舱5的上、中、下三层，三层采用隔板分离，隔板中心留有导线孔，各层的模块固定在如图所示位置。上层中：5-1-1为12V太阳能充电控制器，5-1-2为处理器单元，5-1-3为36V太阳能充电控制器，5-1-4为步进电机驱动器；中层为是电池舱，四个12V蓄电池分别为5-2-1至5-2-4，其中蓄电池5-2-2与5-2-3及5-2-4串联构成36V电源，与三块串联的太阳能电池板及充电控制器5-1-3配套使用；蓄电池5-2-1单独与一块太阳能电池板和充电控制器5-1-1配套构成12V电源；下层安放超声电源，其中：5-3-1为超声电源小信号板，5-3-2为超声电源功放板，5-3-3为超声电源阻抗匹配模块，5-3-4为超声电源输出接口及反馈控制网络模块。

图5所示为本实用新型的工作流程图。装置上电开始工作后，首先对串口、定时器、中断、射频模块等进行初始化，选择合适的波特率、定时唤醒周期和通信信道，然后尝试和监控中心建立连接，连接成功后中心将该节点装置加入监控网络，节点通过本地定时和外部查询的方式工作，当没有上述事件触发中断时，处理器单元进入空闲状态以降低功耗；如果检测到中断触发，则判断中断类型；如果是本地的定时中断，则首先判断是否有正在执行的除藻任务，任务是否完成：完成则检测藻类的生物量，判断是否需要继续灭藻；没有完成，则执行器继续工作；当检测到监控中心发来的指令时，根据指令类型进行相应的除藻或传感器读取和数据发送工作。

Claims (4)

1.一种蓝藻水华实时监控装置，其特征在于：包括GPRS模块、处理器控制单元、射频通信单元、射频天线、执行器模块、传感器模块、电源监控电路及电源模块1和电源模块2，所述执行器模块包括超声电源、超声波换能器、电动气泵、水下曝气管、步进电机驱动器和步进电机，超声电源、电动气泵和步进电机驱动器的输出端分别对应连接超声波换能器、水下曝气管和步进电机的输入端，其中：电源模块1分别给GPRS模块、射频通信单元、处理器控制单元、传感器模块及执行器模块中的步进电机驱动器供电；电源模块2的输出端一路通过电源监控电路与处理器控制单元的输入端连接，另一路给执行模块中的超声电源和电动气泵供电；射频天线连接射频通信单元，射频通信单元、GPRS模块和传感器模块均与处理器控制单元双向相连；处理器控制单元的输出端分别与执行器模块中的超声电源、电动气泵和步进电机驱动器的输入端连接；超声波换能器与步进电机连接以完成全向旋转。

2.根据权利要求1所述的蓝藻水华实时监控装置，其特征在于：所述电源模块1由太阳能电池板I、太阳能充电控制器1、蓄电池1和DC-DC转换器构成，太阳能电池板I和蓄电池1均连接太阳能充电控制器1，太阳能充电控制器1的输出端连接DC-DC转换器的输入端，DC-DC转换器的输出端构成电源模块1的输出端；所述电源模块2由三块太阳能电池板、三个蓄电池和太阳能充电控制器2构成，三块太阳能电池板即太阳能电池板II、太阳能电池板III、太阳能电池板IV，三个蓄电池即蓄电池2、蓄电池3、蓄电池4，三块太阳能电池板和三个蓄电池均连接太阳能充电控制器2，太阳能充电控制器2的输出端构成电源模块2的输出端。

3.根据权利要求1所述的蓝藻水华实时监控装置，其特征在于：所述传感器模块包括气象传感器、水质传感器和藻类传感器，其中：气象传感器又包括温湿度传感器、照度传感器和风速传感器，水质传感器又包括溶解氧传感器、水温传感器、浊度传感器、PH值传感器和电导率传感器。

4.根据权利要求2所述的蓝藻水华实时监控装置，其特征在于：所述太阳能电池板I、太阳能电池板II、太阳能电池板III、太阳能电池板IV均为18V太阳能电池板；所述蓄电池1、蓄电池2、蓄电池3、蓄电池4均为12V蓄电池；所述太阳能充电控制器1为12V太阳能充电控制器；所述太阳能充电控制器2为36V太阳能充电控制器。

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