CN203824983U - 一种云端在线水质综合分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种云端在线水质综合分析仪，包括数据采集节点和近程终端，所述采集节点包括水质传感器、数据采集接口、CORTEX-M3微处理器以及Zigbee模块，提供一种水质多数据采集系统及管理，该系统及管理对水质浊度、温度、溶氧电极、ORP、PH、电导率等数据采集分析，并对水质数据近程显示和通过GPRS无线传输数据到远程中心服务器，以及通过备用GPS、ZigBee紫蜂通信模块、浮飘伺服马达驱动电路、太阳能供电，实现宽水域全天候精准位置水质的采集，报警检测及其控制电路还为云端在线水质综合分析仪提供自身安全防卫保障。

Description

一种云端在线水质综合分析仪

技术领域

本实用新型涉及一种云端在线水质综合分析仪，属于环境污染检测以及无线传感网络

技术领域。

背景技术

  水是人类赖以生存的自然资源，随着社会经济的发展以及工业化、城市化近程的加快，人类活动所造成的水体污染正在不断加剧，而水质检测是水资源管理与保护的重要基础，水质的检测和治理关系到各行各业的生产和人民的生活，因此人们对水质检测仪也提出了更好的要求。

对于采样频率较低的水质检测区域，一般采用云端在线水质综合分析仪人工采样、实验室分析的方式。这种水质检测仪通常由多参数水质传感器 ( 大概 5-6 种参数 ) 和近程仪组成，检测时，在近程仪上接入传感器便可对水质进行采样，通过近程仪显示所采集的水质数据并进行存储。采用这种方式只能检测少量的水质参数，无法全面反映所检测水域的水体质量，所检测参数固定，不能根据需求进行扩展，并且检测时传感器与近程仪不能分离，给检测带来了不便。

实用新型内容

     为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种云端在线水质综合分析仪，通过短距 离无线网络技术，克服了传统检测仪检测方式的缺陷，不仅在检测项目方面更全面，还可实现数据采集部分与近程终端的分离，检测更为灵活。

本实用新型采取的技术方案是 ：一种云端在线水质综合分析仪，其特征是，包括数据采集节点和近程终端，所述采集节点包括水质传感器、数据 采集接口、CORTEX-M3 微处理器以及 Zigbee 模块，所述近程终端包括 Zigbee 协调器和数据处理模块，所述 CORTEX-M3 微处理器通过所述数据采集接口读取所述传感器采集的水质数据，由所述Zigbee 模块将采集水质数据传输至所述 Zigbee 协调器，所述数据处理模块对所述Zigbee 协调器接收到的水质数据进行分析、保存和显示。

 进一步，所述数据采集 节点为多个，每个数据采 集节点均通过各自的 Zigbee 模块形成 Zigbee 网络与所述近程终端的 Zigbee 协调器进行数据传送。

进一步，所述数据采集节点的 CORTEX-M3 微处理器为 STM32F107 芯片。

   进一步，所述近程终端 还包括 GPRS 模块，所述近程终端 的数据处理模块通过所述GPRS 模块将水质数据传送至远程服务端。

进一步，所述近程终端还包括 GIS 模块，所述 GIS 模块采集当前地理信息并将当前地理信息加入所述水质数据中。

  进一步，所述近程终端采用 Windows Mobile 操作系统，配有 4.1寸触控屏，所述近程终端的 Zigbee 协调器采用串口通信与所述数据采集节点的 Zigbee 模块通信。

进一步，所述云端在线水质综合分析仪还包括电源模块，所述电源模块为所述云端在线水质综合分析仪提供电能，所述电源模块包括太阳能电板、电源控制单元和蓄电池。

本实用新型的有益效果是：本新型采用Zigbee近距离无线网络技术，检测时，数据采集节点和近程终端相互分离，从而降低了仪器的开发难度和成本。节点与近程终端通过 Zigbee 网络即可实现数据的无线传输，整个检测过程更快捷、方便和直观，用户无需长时间处于待测点便可完成水质数据的取样工作，从而人身安全亦得到一定的保障，近程终端采用 Windows Mobile 系统，其具备良好的人机界面，用户可对其进行触摸操作，查看采集的水质参数值并进行存储。此外，近程终端自带的 GPRS 模块还可实现远程通信，而 GIS 电子地 图系统的开发，使整个检测更为直观，该近程终端给用户的使用带来了极大的方便。

附图说明：               

附图 1 是本实用新型的整体框架结构示意图 ；

附图 2 是数据采集节点的模块化结构图 ；

附图 3 是太阳能供电系统总体架构图 ；

附图 4 是电源控制模块工作流程示意图 ；

附图 5 是近程终端的软件功能模块图 ；

附图 6 是本水质检测流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型一种云端在线水质综合分析仪的具体实施方式作详细说明。

近些年来随着无线传感网络技术、无线通信技术、嵌入式技术和计算机技术的飞

速发展，无线传感网络技术也逐步应用与水质检测领域。

本实用新型为基于近距离无线传感网络技术、无线通信技术 (GPRS)、配合移动式近程终端和数据库开发所提出的一种常规水质检测方法，检测时，通过数据采集节点和近程终端两部分共同实现对待测水质的检测工作。数据采集节点包含水质传感器、数据采集接口、CORTEX-M3 微处理器以及 Zigbee 模块，CORTEX-M3 通过数据采集接口读取传感器采集的水质参数值，由Zigbee 模块将采集数据传输至近程终端。数据采集节点设计有多种传感器接口，如常见的总线接口、模拟量传感器接口、数字信号接口等，用户可根据自身需要选择相应的传感器，以完成水体取样。移动式近程终端软件通过 WinCE 开发，用于接收、处理和存储节点采集的水质数据，并实施显示所测得水质参数值，其带有 GPRS 模块，可通过无线通信方式将采集的水质数据传输至远程服务端。此外，工作人员可通过近程终端的用户界面对其上的水质数据库进行操作，如查看历史数据、简单的数据分析等。

本实用新型的便携式水质检测仪包括数据采集节点和近程终端，采集节点包括水质传感器、数据采集接口、CORTEX-M3 微处理器以及 Zigbee 模 块，CORTEX-M3 微处理器选用 STM32F107 芯 片。近程终端包括 Zigbee 协调器和数据处理模块，CORTEX-M3微处理器通过数据采集接口读取传感器采集的水质数据，由 Zigbee模块 将采集水质数据传输至 Zigbee 协调器，数据处理模块对Zigbee 协调器接收到的水质数据进行分析、保存和显示。当数据采集节点为多个时，每个数据采集节点均通过各自的 Zigbee 模块形成 Zigbee 网络与近程终端的Zigbee 协调器进行数据传送。持终端还可包括GIS模块和GPRS模块，GPS模块采集当时地理信息作为水质数据的一部分，近程终端的数据处理模块通过GPRS模块将水质数据传送至远程服务端。

下面对各部分内容作详细介绍：

参见附图 1，该图为本实用新型所提出的水质检测方法整体架构图，其主要由相互分离

的数据采集节点和近程终端组成，其中数据采集节点可根据用户需求柔性增加，以完成 多钟参数的检测，通过 Zigbee 完成自动组网功能。数据采集节点包含多种传感器接口，传感器采集的数据 经 CORTEX-M3 简单处理后，通过 Zigbee 网络形式向接有 Zigbee 协调器的近程终端发送水质数据 ( 如溶解氧、浊度、KMnO4 指数、COD 信息等 )。近程终端数据处理中间件对接收数据进行预处理后( 数据过滤、乱码处理等)，存入所设计的水质数据库中，近程终端的用户软件可实现与数据库的交互，用户通过界面便可访问数据库中的水质数据，如对采集数据的实时显示、历史数据的查询等。检测时，近程终端的GPS模块可完成检测点地理信息的采集，并通过近程终端的电子地图完成标识，以显示其在整个水域的实际地理位置，使整个检测更直观，从而提高了检测过程的可视化程度。此外，因近程终端自带GPRS模块，用户还可根据具体情况选择是否将所采集的水质数据传输至远程监测端，以便及时完成数据的分析工作。由于数据采集节点和近程终端之间通过 Zigbee无线网络完成数据传输，其可完成自动组网工作，当所需检测的水质参数较多时，用户可根据需求进行扩展，采用多个节点

完成水质项目的取样工作。其主要特征在于：数据采集节点和近程终端的相互分离、近程终端的GIS电子地图标示、通用性的传感器接口以及WinCE嵌入式用户软件开发。

  参见附图 2，数据采集节点包括CORTEX-M3 微处理器、各种总线协议传感器接口、数字信号传感器接口、模拟量 感器接口及相应的信号处理 单元、电池供电单元、时钟和复 、位模块以及 Zigbee 无线射频模块。在水质数据采集部分，对于SDI-12 传感器，通过 SDI-12 总线协议读取传感器采集的水质数据；对于总线协议传感器信号，相应的通信协议获取其采集的水质数据；对于工业标 模拟量输出信号，通过多路开关实现在所接入传感器之间的相互转换，经由I/V 转换电路和通用的信号调理电路后输出 CORTEX-M3 能采样的电压信号，进而由单片机内部的 AD 模块转换成单片机能处理的数字信号。上述水质数据经单片机处理后，按照自定义的数据格式进行封装，然后通过 Zigbee 传送至近程终端。数据采集节点向近程终端发送的数据主要包括节点地址、检测项目标识符和水质数据等部分组成。本检测方法中，将采用统一的数据协议，因此不仅提高了数据传输速度，其准确度和稳定性也有所加强。

本实用新型数据采集节点结构简单、体积较小、便于携带，同时检测时易于放置，方便取样。

 参见附图 3，数据采集节点既可采用电池供电，亦可使用自行设计的太阳能供电电

源，前者主要用于便携式 检测，而后者则使得数据采集节点的应用更为广泛和灵活，进一步应用于大范围的在线水质监测中。电源模块部分的太阳能供电部分主要分为 太阳能电板、稳压 电容、电源 控制模块、DC/DC 变换电路 以及蓄电 池与其 充电电路组成的电源储能 单元等。其中，电源控制模块是整个太阳能供电系统的核心部分，它能够将太阳能电池板转化而来的波动较大的直流电转化为稳定的直流或者交流电，并实 现供电系统的开关控制、保护检测等，实现太阳能电池板能量的控制与转移，保证供电系统的可靠持续性工作。电源控制模块主要包括电源检测电路模块和电源切换电路模块两部分，其中电压检测主要检测太阳能电池板的输出电压和蓄电池的电压状态，电流检测电路主要是检测蓄电池充电电流，温度检测用于检测电源系统的内部温度，将采集的温度数据给单片机，由单片机实现温度数据的处理与温度补偿的控制，而电源切换电路主要指各路开关电路 ( 光伏电池、板供电电路、蓄电池充电开关电路、蓄电池供电开关电路 ) 及单片机外围电路 ( 温度检测电路、电压检测电路、电流检测电路、蓄电池电压检测电路 )。

     参见附图 4和附图 5，近程终端硬件采用工业级的近程终端，配有 4.1寸触控屏、GPS、GPRS、大容量电池，以及模块接入接口。近程终端与 Zigbee 协调器采用串口通信，通过接入 Zigbee 模块，近程终端通过电平控制给模块上电，使模块供电，正常工作，并向近程终端发送数据，近程仪接收到数据，通过解析处理，在近程终端上实时显示，并将其存储在本地数据库上，进而近程终端对数据进行处理和封装，通过 TCP/IP 协议采 用 GPRS 将数据传入远程监测端的服务器，将数据存储归档。近程终端系统采用 WinCE 开发平台，监测终端程序采用 C# 编写，主要包括以下几个功能模块 ：系统设置模块、数 据处理模块、数据分析模块、GIS 地理信息模块。系统设置模块主要包括用户的添加删改、权限的管理，以及一些系统参数的设置，如数据存储间隔时间，水质参数的报警阈值等。数据处理模块主要负责处理通过数据采集节点发送过来的数据，按照规定的协议将检测数据进行解析，并通过图表显示出来。数据分析模块则是通过数据库调取所需的历史数据，对历史数据做统计处理，得出平均值、最大值、最小值等参考数据，并导出周、月、年水质信息统计表，用图表指示出水质的变化趋势，并通过一定的处理的出水质的参考质量等级，做出水质质量分析。GIS 地理信息模块是采用电子地图，近程终端自带 的 GPS 模块对地理信息进行采集，将其位置直接于地图上标示出来，而检测点的水质信息也可直接显示在电子地图上，从而直观的显示该区域的水质分布情 况，并且可以通过各种专题地图形式来展示水质情况，如水温专题地图、溶解氧专题地图等。近程终端采用 Windows Mobile 操作系统，其如同一台小型的计算机，具备文件系统、应用程序等模块，在水质检测 应用程序中，设计了良好的人机界面，采用触摸式操作，不仅可查看采集的水质参数值，还能将其存储于近程终端的本地数据库中或通过 GPRS 模块传输至水质监测中心。此外，近程终端应用程序中的 GIS 电子地图系统可 标记出各数据采集节点的具体位置，使检测更直观，给用户带来了极大的方便。

  参见附图 6，首先按照需求将数据采集节点放置在检测点，通过用户接入的传感器采集水质数据，然后节点的微处理器对采集的数据进行处理，并封装成自定义的数据格式，通过 Zigbee 模块发送至 近程终端。近程终端的 Zigbee 协 调器接收来自节点的 水质数据，一方面通过近程终端的数据处理中间件对各类数据进行处理，然后存入近程终端的数据库中，另一方面用户可从界面中观察到各参数的实时值、对数据库进行操 作、查 看电子地图等。 例如，用户点击界面上的远程传输按钮便可将数据通过 GPRS 传送到远程监测端，以供有关部门使用；打开GIS 地理信息系统，检测点的位置可直接标记在电子地图上，通过点击标记便可查看该节点的水质参数值，用户还可设定参数，导出特定的水质参数专题地图 ；而进入数据分析板块后，点击数据查询，可通过条件查询某段时间某个参数的详细数据信息，并通过图表显示出来，当输入所需参数，点击统计分析，系统可以自动计算出所需的统计信息，也可以通过表格或者图表直观的显示出来。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种云端在线水质综合分析仪，其特征在于：包括数据采集节点和近程终端，所述采集节点包括水质传感器、数据采集接口、CORTEX-M3 微处理器以及 Zigbee 模块，所述近程终端包括Zigbee 协调器和数据处理模块，所述CORTEX-M3 微处理器通过所述数据采集接口读取所述传感器采集的水质数据，由所述 Zigbee 模块将采集水质数据传输至所述 Zigbee 协调器，所述数据处理模块对所述Zigbee 协调器接收到的水质数据进行分析、保存和显示。

2.根据权利要求 1 所述的云端在线水质综合分析仪，其特征在于：所述数据采集节点为多个，每个数据采集节点均通过各自的 Zigbee 模块形成 Zigbee 网络与所述近程终端的 Zigbee协调器进行数据传送。

3.根据权利要求 1 或 2 所述的一种云端在线水质综合分析仪，其特征在于：所述数据采集节点的CORTEX-M3 微处理器为STM32F107 芯片。

4.根据权利要求 1 或 2 所述的一种云端在线水质综合分析仪，其特征在于：所述近程终端还包括GPRS 模块，所述近程终端的数据处理模块通过所述 GPRS 模块将水质数据传送至远程服务端。

5.根据权利要求 1 或 2 所述的一种云端在线水质综合分析仪，其特征在于：所述近程终端还包括GIS 模块，所述 GIS 模块采集当前地理信息并将当前地理信息加入所述水质数据中。

6.根据权利要求 5 所述的一种云端在线水质综合分析仪，其特征在于 ：所述近程终端采用 Windows Mobile 操作系统，配有 4.1寸触控屏，所述近程终端的 Zigbee 协调器采用串口通信与所述数据采集节点的 Zigbee 模块通信。

7.根据权利要求 1 或 2 所述的便携式水质检测仪，其特征在于：所述云端在线水质综合分析仪还包括电源模块，所述电源模块为所述云端在线水质综合分析仪提供电能，所述电源模块包括太阳能电板、电源控制单元和蓄电池。