CN208255062U - 一种水下移动式水质监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水下移动式水下移动式水质监测系统，包括水质监测装置、数据转发浮标以及控制终端，水质监测装置包括框架，框架包括上层和下层，上层框架设有耐压舱、浮潜推进器以及探照灯，耐压舱内设有电子系统；下层框架设有电源、传感器系统以及转向推进器；浮潜推进器、转向推进器、传感器系统、探照灯受控于电子系统，电源为水质监测装置提供电能；同时耐压舱内设有电力线通信模块，电力线通信模块通过零浮力线缆与数据转发浮标的电力线通信接收模块相连接以进行数据交互；数据转发浮标通过无线网络连接控制终端，该系统弥补了传统水质监测设备的缺点，具有应用范围广、扩展性强、立体分层监测、自动化程度高、成本低等优点。

Description

一种水下移动式水质监测系统

技术领域

本实用新型涉及水质监测装置技术领域，尤其涉及一种水下移动式水质监测系统。

背景技术

随着工业化和城市化的推进，全球水资源环境的恶化日益成为人们关注的焦点，我国经济发展和人民生活对水资源的需求逐渐加大，人们对各种水域环境的安全性要求与日俱增，人们对水域环境改善的要求越来越迫切。然而，我国水资源匮乏且水污染严重，水环境状况比较严峻。中国水污染已经呈现了局部向整个流域发展的特征，导致各流域从单纯到复合性的水质退化，所以对于水域环境的监测也变得异常重要。与此同时，随着我国海洋强国战略的持续推进，使得在将来很长一段时间内，高性价比的水域监测设备的市场需求是非常大的，因此，开发一种功能多样化且性价比较高的智能化水域监测设备是十分必要的。

实用新型内容

鉴以此，本实用新型的目的在于提供一种水下移动式水质监测系统，以至少解决以上问题。

一种水下移动式水质监测系统，包括水质监测装置、数据转发浮标以及控制终端，所述水质监测装置包括框架，所述框架包括上层和下层，上层框架设有耐压舱、浮潜推进器以及探照灯，所述耐压舱内设有电子系统；所述下层框架设有电源、传感器系统以及转向推进器；所述浮潜推进器、转向推进器、传感器系统、探照灯受控于所述电子系统，所述电源为水质监测装置提供电能；同时所述耐压舱内设有电力线通信模块，所述电力线通信模块通过零浮力线缆与数据转发浮标的电力线通信接收模块相连接以进行数据交互；数据转发浮标通过无线网络连接所述控制终端。

进一步的，所述耐压舱舱体为圆柱形，舱体两端设有密封法兰，其中一端的密封法兰连接圆顶球罩，另一端的密封法兰连接光面端盖。

进一步的，所述圆顶球罩、光面端盖与密封法兰连接处均设有O型圈。

进一步的，所述电子系统包括Raspberry Pi微型电脑、Arduino开发板以及摄像机，所述摄像机与Raspberry Pi微型电脑相连接以进行数据交互；所述浮潜推进器、转向推进器、传感器系统、探照灯受控于所述Arduino开发板；所述电力线通信模块通过RJ45接口连接Raspberry Pi微型电脑；Arduino开发板通过串口与Raspberry Pi微型电脑进行通信。

进一步的，所述传感器系统包括姿态传感器、压力传感器以及水质传感器。

进一步的，所述水质传感器包括PH传感器以及浊度传感器。

进一步的，所述数据转发浮标包括浮标本体，所述浮标上设有通信缆板、路由器以及太阳能电池板，所述通信缆板包括电力线通信接收模块以及电源模块，所述电力线通信接收模块与所述路由器通过RJ45接口相连接；所述电源模块与电力线通信接收模块相连以提供稳定电压；所述太阳能电池板用于为数据转发浮标提供电能。

进一步的，所述控制终端为计算机。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供一种水下移动式水质监测系统，其水质监测装置可以对水域进行立体分层监测，获取水域不同深度水体的水质数据，使监测结果更加客观，利于监测人员掌握水域整体水质情况；水质监测装置可以根据用户的需求搭载不同类型的传感器以采集相应数据；整套系统具有应用监测范围广、扩展性强、立体分层监测、自动化程度高、成本低等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的优选实施例，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是本实用新型实施例的水质监测装置顶部整体结构示意图。

图2是本实用新型实施例的水质监测装置正面整体结构示意图。

图3是本实用新型实施例的系统整体结构示意图。

图中，1是框架，2是耐压舱，3是浮潜推进器，4是探照灯，5是电源，6是传感器系统，7是转向推进器，10是控制终端，21是舱体，22是密封法兰，23是圆顶球罩，24是光面端盖，81是Raspberry Pi微型电脑，82是Arduino开发板，83是摄像机，84是电力线通信模块，92是路由器，93是太阳能电池板，911是电力线通信接收模块，912是电源模块。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所列举实施例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

本实用新型提供一种水下移动式水质监测系统，所述系统包括水质监测装置、数据转发浮标以及控制终端10。所述水质监测装置用于监测水域水质情况；所述数据转发浮标作为数据中转站实现所述水质监测装置与控制终端10的数据通信；所述控制终端用于查看水质监测装置传回的监测数据、控制水质监测装置。

参照图1、图2，所述水质监测装置包括3D打印制成的框架1，所述框架1分为上层和下层，上层框架设有耐压舱2、探照灯4以及浮潜推进器3，下层框架设有电源5、传感器系统6以及转向推进器7。所述耐压舱2内设有用以控制水下监测装置、处理数据的电子系统8；所述浮潜推进器3用于控制水质监测装置的上浮和下潜，所述转向推进器7用于控制水质监测装置的前进、后退与转向；所述探照灯4、浮潜推进器3、转向推进器7以及传感器系统6均受控于所述电子系统8，所述电源5用于为水下监测设备提供电能。

所述耐压舱2包括舱体21，所述舱体21为圆柱形，舱体21的两端均设有密封法兰22，其中一端的密封法兰22使用排气螺栓固定连接圆顶球罩23，另一端的密封法兰22使用排气螺栓固定连接光面端盖24。在本实用新型的其中一个实施例中，所述圆顶球罩23、光面端盖24与密封法兰22连接处均设有O型圈，经过压力测试，采用此种结构的耐压舱2可达到30米的耐压深度，完全满足近海探测所需，且其成本不足市面上一般耐压舱的一半。

参照图3，耐压舱2内设有电子系统以及电力线通信模块84，所述电子系统包括Raspberry Pi微型电脑81、Arduino开发板82、摄像头83，所述摄像机83与Raspberry Pi微型电脑81相连接以进行数据交互；所述浮潜推进器3、转向推进器7、传感器系统6、探照灯4受控于所述Arduino开发板82；所述电力线通信模块84通过RJ45接口连接Raspberry Pi微型电脑81；Arduino开发板82通过串口与Raspberry Pi微型电脑81进行通信。

所述摄像头83设在所述耐压舱2的圆顶球罩23内，通过搭配俯仰云台可以实现多角度拍摄水下画面，所采集的视频数据传输至所述Raspberry Pi微型电脑81进行处理。

所述传感器系统6包括姿态传感器、压力传感器以及水质传感器，各个传感器均与所述Arduino开发板82相连接。

在本发明的其中一个实施例中，所述姿态传感器采用MPU9150型姿态传感器，该型号姿态传感器将含三轴陀螺仪与三轴加速度计的MPU6050传感器与AK8975三轴电子罗盘整合在4mm×4mm×1mm的封装内，体积小集成度高，测量数据精准度较高且功耗小。

所述压力传感器采用MS5803-01BA型压力传感器，由压强公式P＝ρgh，可以近似把水的密度看成不变，水压与水深成线性关系，从而可以借助压力传感器通过测量水压值来得出水下监测装置工作的水深。MS5803-01BA型压力传感器是一种高分辨率的专业测量传感器，兼容SPI与IIC总线接口，既可测量压力值也可测量温度，该型号传感器可以连接到绝大多数微控制器，通讯协议简单，无需对设备内部寄存器进行编程。

所述水质传感器包括浊度传感器以及PH值传感器。所述浊度传感器利用光学原理，通过测量水体透光率和散射率来综合判断浊度情况，从而达到监测水质的目的。所述浊度传感器提供模拟信号和数字信号两种输出模式，可直连Arduino开发板82，免除二次接线的麻烦，简单实用。

PH值是衡量水质的一个重要指标，本实用新型采用了基于Arduino开发板设计的模拟PH计，具有连线简单、方便实用、寿命长、可长期在线监测等特点，其电极采用低阻抗敏感玻璃膜制成，能应用于各种条件的PH值测量，具有回应快、热稳定性好的特点，并具有良好的再现性，不易水解，基本消除了碱误差。

所述传感器系统6所采集的水质数据传输至所述Arduino开发板82，Arduino开发板82是一款简单灵活、功能强大的开源电子原型平台，不但负责控制各个传感器进行相应数据的采集，同时还负责对采集到的数据进行解析、整合，并实现数据的存储与发送。本实用新型实施例中采用Arduino Mega2560型开发板，具有54路数字输入/输出口(其中16路可作为PWM输出)，16路模拟输入，4路UART接口，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个ICSPheader和一个复位按钮。Arduino开发板82输入接口多，可以根据用户需求接入不同的传感器采集多种数据；其自带A/D转换模块，可将模拟信号转换为数字信号。Arduino开发板82通过串口通信向所述Raspberry Pi微型电脑81传输水质监测数据。

本实用新型的实施例中，所述Raspberry Pi微型电脑81采用了Raspberry Pi三代B型微型电脑，它是一款基于ARM架构的微型电脑，以SD卡作为内存硬盘，搭载有1.2GHz的64位4核处理器，具有4个USB接口、4路立体声输出和复合视频端口，支持多种编码和解码格式，能实现百兆以太网传输。Raspberry Pi微型电脑81和Arduino开发板82为水质监测装置进行数据处理的核心组件，Raspberry Pi微型电脑81处理性能强，且体积十分小巧，Arduino开发板82扩展性能好，两者相结合可以更好地实现系统的功能。

所述摄像头83所拍摄视频数据以及Arduino开发板82传回的水质监测数据经过Raspberry Pi微型电脑81解析处理后通过所述数据转发浮标9发送至控制终端10进行实时显示。

由于无线电波在水下衰减严重，因此本实用新型中水质监测装置与数据转发浮标9之间的数据传输采用电力线载波的方式。电力线载波通信是指利用电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式，将附有信息的高频信号加载于电流，然后通过电力线进行信号传输，信息接收端再将高频信号从电流中分离出来以实现信息的传递。

本实用新型的实施例中，所述数据转发浮标包括浮标本体，所述浮标上设有通信缆板、路由器92以及太阳能电池板93，所述通信缆板包括电力线通信接收模块911以及电源模块912，所述电力线通信接收模块911与所述路由器92通过RJ45接口相连接；所述电源模块912与电力线通信接收模块911相连以提供稳定电压；所述太阳能电池板93用于为数据转发浮标9提供电能。

所述电力线通信模块84与所述电力线通信接收模块911通过零浮力线缆相连接，水质监测装置所采集的视频数据以及水质监测数据以电力线载波方式由水质监测装置传输至数据转发浮标，所述控制终端10通过访问路由器92建立的局域网获取数据，构成数据传输网络。

所述控制终端10采用计算机一类的设备，可通过可视化界面向用户实时展示水质监测装置传回的监控视频以及水质监测数据。同时用户还可以通过控制终端10向水质监测装置发送控制指令，所述Raspberry Pi微型电脑81接收到控制指令后，可根据指令内容控制所述摄像头83的拍摄角度，同时将控制指令通过串口通信发送至Arduino开发板82进行处理，Arduino开发板82通过PWM信号控制所述浮潜推进器3以及转向推进器7以实现对水质监测装置前、后、左、右、升、潜、悬停、功率增减的运动控制，在此过程中所述姿态传感器会同步采集水质监测装置的运动姿态信息供Arduino开发板82分析、供用户查看，从而保证水质监测装置的平稳运行。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水下移动式水质监测系统，其特征在于，所述系统包括水质监测装置、数据转发浮标以及控制终端，所述水质监测装置包括框架，所述框架包括上层和下层，上层框架设有耐压舱、浮潜推进器以及探照灯，所述耐压舱内设有电子系统；所述下层框架设有电源、传感器系统以及转向推进器；所述浮潜推进器、转向推进器、传感器系统、探照灯受控于所述电子系统，所述电源为水质监测装置提供电能；同时所述耐压舱内设有电力线通信模块，所述电力线通信模块通过零浮力线缆与数据转发浮标的电力线通信接收模块相连接以进行数据交互；数据转发浮标通过无线网络连接所述控制终端。

2.根据权利要求1所述的一种水下移动式水质监测系统，其特征在于，所述耐压舱舱体为圆柱形，舱体两端设有密封法兰，其中一端的密封法兰连接圆顶球罩，另一端的密封法兰连接光面端盖。

3.根据权利要求2所述的一种水下移动式水质监测系统，其特征在于，所述圆顶球罩、光面端盖与密封法兰连接处均设有O型圈。

4.根据权利要求1所述的一种水下移动式水质监测系统，其特征在于，所述电子系统包括Raspberry Pi微型电脑、Arduino开发板以及摄像机，所述摄像机与Raspberry Pi微型电脑相连接以进行数据交互；所述浮潜推进器、转向推进器、传感器系统、探照灯受控于所述Arduino开发板；所述电力线通信模块通过RJ45接口连接Raspberry Pi微型电脑；Arduino开发板通过串口与Raspberry Pi微型电脑进行通信。

5.根据权利要求1所述的一种水下移动式水质监测系统，其特征在于，所述传感器系统包括姿态传感器、压力传感器以及水质传感器。

6.根据权利要求5所述的一种水下移动式水质监测系统，其特征在于，所述水质传感器包括PH传感器以及浊度传感器。

7.根据权利要求1所述的一种水下移动式水质监测系统，其特征在于，所述数据转发浮标包括浮标本体，所述浮标上设有通信缆板、路由器以及太阳能电池板，所述通信缆板包括电力线通信接收模块以及电源模块，所述电力线通信接收模块与所述路由器通过RJ45接口相连接；所述电源模块与电力线通信接收模块相连以提供稳定电压；所述太阳能电池板用于为数据转发浮标提供电能。

8.根据权利要求1所述的一种水下移动式水质监测系统，其特征在于，所述控制终端为计算机。