CN213715115U - 一种微生物电化学传感器双模式转换型无线原位监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种微生物电化学传感器双模式转换型无线原位监测系统，实现了将采集信号通过无线互联网方式传输到服务端，实现水质监测和预警。该监测系统包括微生物燃料电池信号采集模块，电解池供电和采集模块，生物电信号放大，滤波模块和无线传输模块。利用无线互联技术和生物电采集技术结合，实现对新型微生物燃料电池和电解池在水质监测数据的采集，分析和上传。大大压缩了旧式水质监测造成的人力和资源的浪费，实现水质监测和预警的自动化，智能化。针对新型微生物电化学传感器的特性，设置10个采集通道，提升了对水质监测的准确性。同时将供电系统设置为220V交流供电系统，延长了传感器的使用寿命，减少了人力维护传感器的成本。

Description

一种微生物电化学传感器双模式转换型无线原位监测系统

技术领域

本实用新型针对微生物在微生物燃料电池和电解池中表现的不同电学特性，提出了一套完整的基于无线互联网的电化学传感器方案，该实用新型通过设计一套完整的线路板与软件系统，使其能对微生物燃料电池和电解池中微生物在生长环境变化而导致的不同电化学信号进行采集和记录。特别说明的是，在微生物电化学传感器领域，该传感器可为电解池提供可变直流电源作为电解池电能源供应，并通过无线互联网技术，将数据发送至远端客户端，如电脑或手机等。完成对环境污染程度全天候记录和分析，并对异常信号做预警处理。

背景技术

淡水是地球上一直的重要资源之一，淡水资源在近些年的人类生产生活中急剧减少，其中污水的任意排放是重中之重，污水处理厂作为淡水资源恢复的关键环节，对已处理污水污染指标的监测非常重要。目前，利用微生物在不同生长环境中表现不同的电化学特性监测排放已处理污水指标，正走向成熟。如专利201910771900.9所讲，可以通过特定微生物制备电解池对水质环境进行监测。专利201810821003.X中提及，利用微生物燃料电池方式可对水质环境进行监测。而以上两个专利，均未涉及对特定微生物不同电化学信号的采集和信号处理。

在应用电解池传感器进行水质监测过程中，电解池需要外部电源提供恒压源，而在微生物燃料电池监测水质过程中，对环境的电学表征体现在对外部输出的电流和电压上。目前市面上均针对一种传感器设计，应用领域较窄，且在环境监测领域的传感器大多集中体现在实验室环境中，缺点为配套设置多，环境要求苛刻，对指定室外水质环境监测滞后性较大等，并没有集微生物燃料电池与电解池传感器于一体的信号采集、分析模块。

实用新型内容

鉴于上述问题，设计一套可在线实时监测并能够实现微生物燃料电池和电解池运行模式互相转换的硬件系统，可以解决以上关于过度依赖人工，数据上传不及时，传感器电化学系统兼容性差的短板。

本实用新型的技术方案是一种微生物电化学传感器双模式转换型无线原位监测系统,通过功能转换单元实现两种微生物电化学传感器运行模式调转，进而通过滤波，模数转换和数据打包操作，将水质监测的数据接入互联网，在远端系统完成实时监测、数据记录和预警工作；

其中硬件系统包括，将市电交流220V转换为0.1-0.8V伏的三级电能转换单元；

软件系统设计包括用于将放大后的电压采集值转化为稳定的低通滤波器设计；

将微生物在不同污染物浓度大环境下的电化学特性通过电压和电流表征，并将微弱的电化学信号，通过放大，滤波信号处理方式得到当前环境污染的表征数据，并通过TCP/IP或者 UDP协议，将数据组包发送到远端，在TCP服务端实现对数据的实时存储和分析，以完成对相关水域的水质实时性监测。

所述三级电能转换单元使用产品型号为HLK10M05的交流转直流模块，实现将220V交流电转化为5V的直流电，供电能力为10V；

通过型号为LM1117-2.5的线性稳压芯片，实现将5V直流电压降压为2.5V，供电能力为 2.5W；

通过型号为LT3088的线性稳压芯片，将2.5V电压转换为0.1-0.8V直流电源，供电能力为0.08-0.64W，用于能源电路提供给电解池阴极和阳极；

电流传感器采用精度为±1％的采样电阻和型号为MAX9934的电流采集芯片，实现将微小电流信号转化为电压信号。

所述功能转换单元通过型号为ESP32的硬件主控单元，实现主动电源使能，在针对电解池传感器使用时，打开主动电源，并对电解池传感器和当前传感器电流进行采集处理，在针对微生物燃料电池传感器时，关闭主动电源，并采集当前微生物电池对外释放的电流和电压。

所述信号放大单元基于所述MAX9934与其外围电路，将采集弱电压信号放大到硬件系统识别范围0-3.3V和使用型号为MCP6001的放大器及外围电路实现将微生物电池电压放大到硬件系统识别范围。

附图说明

图1为硬件系统框图；

图2为硬件设计原理图；

附图标记：1-传感器接口通道；2-电流电压转换，放大电路；3-核心处理器；4-三级电能转换单元；5-电源接口；6-电源开关。

具体实施方式

以下对本实用新型作进一步的说明。

本实用新型设计了一套完整的硬件采集系统和软件系统，通过功能转换单元实现两种微生物电化学传感器运行模式调转，进而通过滤波，模数转换和数据打包操作，将水质监测的数据接入互联网，在远端系统完成实时监测、数据记录和预警工作。

其中硬件系统(图1)包括，用于连接10路采集线的传感器接口通道1。

用于转换生物电为电气系统识别范围的电流电压转换，放大电路2。

用于将10路信号采集，滤波并实现数据编码，组包的核心处理器3。

用于将市电交流220V转换为0.1-0.8V伏的三级电能转换单元4。

用于硬件系统与市电220V连接的电源接口5。

用于管理硬件采集系统电源管理总开关的电源开关6。

软件系统设计包括用于将放大后的电压采集值转化为稳定的低通滤波器设计。

用于将通过主控制器采集和计算，转换的绝对电流值通过组包等方式实现互联网传输的设计，本设计电气连接原理图如图2所示。

本实用新型通过将微生物在不同污染物浓度大环境下的电化学特性通过电压和电流表征，并将微弱的电化学信号，通过放大，滤波等信号处理方式得到当前环境污染的表征数据，并通过TCP/IP或者UDP协议，将数据组包发送到远端，在TCP服务端实现对数据的实时存储和分析，已完成对相关水域的水质实时性监测。

所述传感器接口通道1，设计为标准BNC(φ9.6mm)接口，对外用于连接微生物燃料电池和电解池。

所述信号放大单元2基于所述MAX9934与其外围电路，将采集弱电压信号放大到硬件系统识别范围(0-3.3V)和使用型号为MCP6001的放大器及外围电路实现将微生物电池电压放大到硬件系统识别范围(同上)；电流传感器采用精度为±1％的采样电阻和型号为MAX9934的电流采集芯片，实现将微小电流信号转化为电压信号；

通过采用数字电位计模块作为电解池功能可变负载；

所述核心处理器3，通过型号为ESP32的硬件主控单元，实现主动电源使能，在针对电解池传感器使用时，打开主动电源，并对电解池传感器和当前传感器电流进行采集处理，在针对微生物燃料电池传感器时，关闭主动电源，并采集当前微生物电池对外释放的电流和电压；

所述三级电能转换单元4使用产品型号为HLK10M05的交流转直流模块，实现将220V交流电转化为5V的直流电，供电能力为10V；

通过型号为UF10.5共模电感，275V/0.1uF安规电容和250VAC/0.1A的保险管实现硬件系统的电路保护；

通过型号为LM1117-2.5的线性稳压芯片，实现将5V直流电压降压为2.5V，供电能力为2.5W；

通过型号为LT3088的线性稳压芯片，将2.5V电压转换为0.1-0.8V直流电源，供电能力为0.08-0.64W，用于能源电路提供给电解池阴极和阳极；

所述电源接口5采用间距为3.5mm的标准交流电源接口，用于连接220V电源；

所述电源开关6通过型号为SS12D10，实现220V电源通断；

所述软件系统首先完成对传感器工作模式的配置；

通过指令端口选择工作模式为电解池或微生物电池传感器；

通过指令端口选择通信协议为TCP/IP或者UDP；

通过指令端口配置用于无线网络连接的基本信息，包括：

用于连接无线互联网的路由器名称(SSID)和密码(password)，用于接收数据服务端的 IP(互联网协议地址)，可用端口号；

所述软件系统在根据配置信息完成上述配置，并在指令端口反馈配置状态信息；

软件系统基于以上配置信息后，开始传感器的初始化工作，首先进行模数转换软件模块的配置和启动工作，实现传感器10路信号采集的模数转换功能的正常工作；

模数转换后，启动传感器自校正，完成传感器的零点校正，实现传感器在不同使用场景下，弱信号零点漂移带来的传感器数据错误等问题；

传感器自校正还包括对模数转换模块的线性分析，在软件启动的模拟微生物传感器校正模块，实现模数转换模块线性区和死区的校正分析。并通过线性补偿算法，降低电气部分传感器因模数转换非线性因素带来的干扰；

模数转换模块的校正在工作模式为微生物电池模式下，同样对电池电压信号的采集实现零点和线性校正；

本实用新型提出的针对微生物电化学传感器产生的信号实时采样，基于此处电化学信号的低频特性，软件系统中上述滤波器采用截止频率为2赫兹的低通滤波器，将电信号中高频的无效信号去除，以保留有效信号；

传感器启动工作流程完成后，将采集到的信号，利用互联网协议，对数据进行打包处理，实现将电气传感器采集到的数据传送到指定IP地址的服务端，用于远程的水质监测和预警。

软件系统中为传感器设计状态机，通过计时器触发状态机，实现指令端口配置，错误信息输出，无线网络传输配置，信号采集和无线网络传输的功能；

使用定时器触发是为了保证信号采集在固定时间间隔的时间线上进行，确保传感系统的信号指令不收因采集时间间隔变化，避免滤波器去除有效信号，确保采集，上传信号的有效性。

Claims (4)

1.一种微生物电化学传感器双模式转换型无线原位监测系统,其特征在于,通过功能转换单元实现两种微生物电化学传感器运行模式调转，进而通过滤波，模数转换和数据打包操作，将水质监测的数据接入互联网，在远端系统完成实时监测、数据记录和预警工作；

其中硬件系统包括，将市电交流220V转换为0.1-0.8V伏的三级电能转换单元；

软件系统设计包括用于将放大后的电压采集值转化为稳定的低通滤波器设计；

将微生物在不同污染物浓度大环境下的电化学特性通过电压和电流表征，并将微弱的电化学信号，通过信号放大单元进行放大，滤波信号处理方式得到当前环境污染的表征数据，并通过TCP/IP或者UDP协议，将数据组包发送到远端，在TCP服务端实现对数据的实时存储和分析，以完成对相关水域的水质实时性监测。

2.根据权利要求1所述的一种微生物电化学传感器双模式转换型无线原位监测系统,其特征在于,所述三级电能转换单元使用产品型号为HLK10M05的交流转直流模块，实现将220V交流电转化为5V的直流电，供电能力为10V；

通过型号为LM1117-2.5的线性稳压芯片，实现将5V直流电压降压为2.5V，供电能力为2.5W；

通过型号为LT3088的线性稳压芯片，将2.5V电压转换为0.1-0.8V直流电源，供电能力为0.08-0.64W，用于能源电路提供给电解池阴极和阳极；

电流传感器采用精度为±1％的采样电阻和型号为MAX9934的电流采集芯片，实现将微小电流信号转化为电压信号。

3.根据权利要求1所述的一种微生物电化学传感器双模式转换型无线原位监测系统,其特征在于,所述功能转换单元通过型号为ESP32的硬件主控单元，实现主动电源使能，在针对电解池传感器使用时，打开主动电源，并对电解池传感器和当前传感器电流进行采集处理，在针对微生物燃料电池传感器时，关闭主动电源，并采集当前微生物电池对外释放的电流和电压。

4.根据权利要求2所述的一种微生物电化学传感器双模式转换型无线原位监测系统,其特征在于,所述信号放大单元基于所述MAX9934与其外围电路，将采集弱电压信号放大到硬件系统识别范围0-3.3V和使用型号为MCP6001的放大器及外围电路实现将微生物电池电压放大到硬件系统识别范围。

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