WO2022217734A1 - 基于微生物燃料电池的水质监测装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于微生物燃料电池的水质监测装置，属于水质监测技术领域，主机体（4）中设有蓄电池模块，提供电源；主机体（4）可在水环境中进行移动，以检测水环境中不同区域的水质；在主机体（4）上设置有集成传感器模块（3）和微生物燃料电池模块；集成传感器模块（3）采集水环境中的pH值；微生物燃料电池模块通过滑模控制对蓄电池模块进行持续稳定的充电，并采集水环境产生的电流随时间变化的数据；其中，电流随时间变化的数据用以判断水环境的重金属污染状况。该水质监测装置将微生物燃料电池与水质监测系统相结合，实现对水资源质量的改善，而且还能够长时间提供稳定电源，实现水质长时间的实时监测，具有较大的技术和市场发展空间，有显著的社会效益，经济效益与环境效益。
Description
本发明涉及水质监测技术领域，具体涉及一种基于微生物燃料电池的水质监测装置。
水质污染严重增大了水资源短缺的矛盾，并且容易导致事故不断发生，不仅使工厂停产、农业减产甚至绝收，而且造成了不良的社会影响和较大的经济损失，严重地威胁了社会的可持续发展，威胁了人类的生存。因此，急需对水质情况进行实时监测，防止水污染的再次加剧，改善水资源的质量。
目前已有的水质监测相关技术，很多情况下需要人工采样，难以实现大范围、长时间的检测，无法分析水质的污染情况和及时报警。因此，如何减少人力，并且对水质进行综合分析监测是急需解决的问题。
现有的传统水质监测设备，以漂浮在水面的太阳能充电浮标作为能量来源，并且无法在水下进行长时间监测和对水域的高效的巡航监测。对于现在的水质监测系统来说，不能长时间对水质进行实时监测和综合分析是急需改进的一个方面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于微生物燃料电池的水质监测装置，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
本发明提供一种基于微生物燃料电池的水质监测装置，包括：
主机体；主机体中设有蓄电池模块，所述蓄电池模块为所述基于微生物燃料电池的水质监测装置提供电源；所述主机体可在水环境中进行移动，以检测水环境中不同区域的水质；
在所述主机体上设置有集成传感器模块和微生物燃料电池模块；
所述集成传感器模块，用于采集水环境中的pH值和温度；
所述微生物燃料电池模块，用于通过边界层滑模控制对所述蓄电池模块进行持续稳定的充电，并采集水环境产生的电流随时间变化的数据；其中，所述电流随时间变化的数据用以判断水体重金属污染状况。
优选的，所述主机体上方固定有旋翼支架，所述旋翼支架上对称连接有多个螺旋桨机构；所述主机体下方连接有所述微生物燃料电池模块，所述旋翼支架的顶部安装有所述集成传感器模块。
优选的，所述微生物燃料电池模块包括微生物燃料电池产电单元和微生物燃料电池传感器，所述微生物燃料电池产电单元用于对所述蓄电池模块进行持续稳定的充电；所述微生物燃料电池传感器用于采集利用水环境产生的电流随时间变化的数据。
优选的，所述微生物燃料电池产电单元的一侧设有进液蠕动泵；所述微生物燃料电池模块的两侧分别固定有出液蠕动泵和储罐，所述出液蠕动泵固定在储罐的出口；其中，每个储罐存储有用于调整水环境的pH值的溶液。
优选的，所述微生物燃料电池产电单元包括有产电阳极和产电阴极，所述微生物燃料电池传感器包括传感器阳极和传感器阴极。
优选的，所述产电阳极、所述传感器阳极、所述产电阴极和所述传感器阴极均为碳布制作，所述产电阴极和所述传感器阴极均涂抹铂作为催化剂。
优选的，所述主机体内部还设有微处理器和BDS定位模块；
所述BDS定位模块将位置信息传送给微处理器，微处理器根据接收到的位置信息进行主机体的路径规划，控制主机体的移动；
所述微处理器，判断采集的pH值是否超过预设的范围，若超过，则控制相应储罐的出液蠕动泵，泵出该储罐中的溶液，对水环境的pH值进行调整。
优选的，所述边界层滑模控制通过控制稀释率保持输出电压的稳定，微处理器通过控制进液蠕动泵的开合度控制外界水环境进入微生物燃料电池产电单元的流量，从而控制稀释率。
其中，所述边界层滑模控制包括：
通过微生物与电化学动力学，建立微生物燃料电池的数学模型；
确定滑模控制中的滑模函数，定义一个Lyapunov函数作为收敛函数来保证滑模函数的收敛，构建滑模趋近率，使收敛函数始终不大于0，求解滑模趋近率得到滑模控制器；
在滑模控制器的基础上，在控制率上进行边界层设计，采用饱和函数替代控制率中的符号函数，最终得到边界层滑模控制器。
优选的，还包括：无线通讯模块以及远程服务器；所述无线通信模块设于所述主机体的内部，所述微处理器通过无线通讯模块将电流随时间变化的数据传送到远程服务器，在远程服务器中通过分析电流随时间变化曲线，以供判断水环境的重金属污染状况。
优选的，所述螺旋桨机构包括与所述旋翼支架连接的连接杆，所述连接杆的端部连接有驱动电机，所述驱动电机的驱动轴连接有螺旋桨。
本发明有益效果：将微生物燃料电池与水质监测系统相结合，实现对水资源质量的改善，而且还能够长时间提供稳定电源，实现水质长时间的实时监测，具有较大的技术和市场发展空间，有显著的社会效益，经济效益与环境效益。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明的一些实施例，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为本发明实施例所述的基于微生物燃料电池的水质监测装置结构图。
图2为本发明实施例所述的基于微生物燃料电池的水质监测装置对pH值进行调整的工作原理示意图。
图3为本发明实施例所述的基于微生物燃料电池的水质监测装置的巡航工作原理示意图。
其中：1-螺旋桨；2-驱动电机；3-传感器模块；4-主机体；5-储罐；6-出液蠕动泵；7-产电阴极；8-微生物燃料电池产电单元；9-进液蠕动泵；10-产电阳极；11-微生物燃料电池传感器；12-传感器阳极；13-传感器阴极；14-旋翼支架；15-连接杆。
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特 征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
实施例1
生物燃料电池作为一种清洁能源电池，可以将化学能转化为相应的电能，对于现在社会来说具有较大经济和社会效益，我们现在面对的问题是如何采取 一定的措施，对生物燃料电池进行更好的应用，以实现经济效益、环境效益、社会效益的辩证统一。基于此，本发明实施例1提供一种基于微生物燃料电池的水质监测装置。
如图1所示，基于微生物燃料电池的水质监测装置，包括：
主机体4；主机体4中设有蓄电池模块，所述蓄电池模块为所述基于微生物燃料电池的水质监测装置提供电源；所述主机体可在水环境中进行移动，以检测水环境中不同区域的水质；
在所述主机体4上设置有集成传感器模块3和微生物燃料电池模块；
所述集成传感器模块3，用于采集水环境中的pH值和温度；
所述微生物燃料电池模块，用于通过边界层滑模控制对所述蓄电池模块进行持续稳定的充电，并采集水环境产生的电流随时间变化的数据；其中，所述电流随时间变化的数据用以判断水体重金属污染状况。
所述主机体4上方固定有旋翼支架14，所述旋翼支架14上对称连接有多个螺旋桨机构；所述主机体下方连接有所述微生物燃料电池模块，所述旋翼支架14的顶部安装有所述集成传感器模块3。
所述螺旋桨机构包括与所述旋翼支架14连接的连接杆15，所述连接杆15的端部连接有驱动电机2，所述驱动电机2的驱动轴连接有螺旋桨1。
所述微生物燃料电池模块包括微生物燃料电池产电单元8和微生物燃料电池传感器11，所述微生物燃料电池产电单元8用于对所述蓄电池模块进行持续稳定的充电；所述微生物燃料电池传感器11用于采集利用水环境产生的电流随时间变化的数据。
所述微生物燃料电池产电单元8的一侧设有进液蠕动泵9；所述微生物燃料电池模块的两侧分别固定有出液蠕动泵6和储罐5，所述出液蠕动泵6固定在储罐5的出口；其中，每个储罐5存储有用于调整水环境的pH值的溶液。
所述微生物燃料电池产电单元8包括有产电阳极10和产电阴极7，所述微生物燃料电池传感器11包括传感器阳极12和传感器阴极13。
所述主机体内部还设有微处理器和BDS定位模块；
所述BDS定位模块将位置信息传送给微处理器，微处理器根据接收到的位置信息进行主机体的路径规划，控制主机体的移动；
所述微处理器，判断采集的pH值是否超过预设的范围，若超过，则控制相应储罐的出液蠕动泵，泵出该储罐中的溶液，对水环境的pH值进行调整。
所述滑模控制通过控制稀释率保持输出电压的稳定，微处理器通过控制进液蠕动泵9的开合度控制外界水环境进入微生物燃料电池产电单元8的流量，从而控制稀释率。
其中，所述边界层滑模控制包括：
通过微生物与电化学动力学，建立微生物燃料电池的数学模型；
确定滑模控制中的滑模函数，定义一个Lyapunov函数作为收敛函数来保证滑模函数的收敛，构建滑模趋近率，使收敛函数始终不大于0，求解滑模趋近率得到滑模控制器；
在滑模控制器的基础上，在控制率上进行边界层设计，采用饱和函数替代控制率中的符号函数，最终得到边界层滑模控制器。
基于微生物燃料电池的水质监测装置还包括：无线通讯模块以及远程服务器；所述无线通信模块设于所述主机体的内部，所述微处理器通过无线通讯模块将电流随时间变化的数据传送到远程服务器，在远程服务器中通过分析电流随时间变化曲线，以供判断水体重金属污染状况。
实施例2
如图1所示，本发明实施例2提供一种基于微生物燃料电池的水质监测装置，该装置的综合性能更好、监测效率更高。将生物燃料电池与水质监测系统相结合，不仅可以实现对水资源质量的改善，而且还能够实现水下长时间实时监测，具有较大的技术和市场发展空间，有显著的社会效益，经济效益与环境效益。
基于微生物燃料电池的水质监测装置，包括主机体和设置于所述主机体内部的微处理器、锂电池模块(蓄电池模块)、升压模块、无线通讯模块和BDS定位模块。
所述机体上方固定一个旋翼支架14，所述四旋翼支架14上方中心处固定一个集成传感器模块3，集成传感器模块3包括PH传感器和温度传感器，分别采集水质pH值和水温度。
所述旋翼支架14的四个对角分别设置有螺旋桨机构，螺旋桨机构包括连接杆15、螺旋桨1、驱动马达(驱动电机2)以及相匹配的电调；主机体4下方包括一个与机体同等大小的微生物燃料电池模块，所述微生物燃料电池模块包含微生物燃料电池产电单元8和微生物燃料电池传感器11，二者之间相互隔开。
所述微生物燃料电池模块的两侧分别固定出液蠕动泵6和储罐5，所述出液蠕动泵6固定在储罐5的出口处；所述微生物燃料电池产电单元8侧面连通一个进液蠕动泵9。
所述旋翼支架14呈方形结构，在所述旋翼支架内侧开设有用于连接所述螺旋桨机构的通孔，通过通孔，利用螺栓连接所述连接杆15，所述驱动电机连接在连接杆15的端部，所述螺旋桨连接驱动电机的驱动轴。
所述锂电池模块为水质监测机器人提供能源。
所述微生物燃料电池是通过阳极和阴极之间的厌氧微生物分解有机物产生电能。所述微生物燃料电池产电单元和微生物燃料电池传感器的区别在于，微生物燃料电池产电单元的作用是对锂电池持续充电；微生物燃料电池传感器的作用是通过观察其产生电流随时间变化曲线，估算水域中的重金属含量。
所述微生物燃料电池产电单元，在阴极和阳极之间产生的电压是不稳定的，无法实现对锂电池的直接充电，因此，在本实施例2中设计一种边界层滑模控制方法用于保持电压稳定是有必要的。
所述边界层滑模控制方法的设计包括以下步骤：
步骤一：通过微生物与电化学动力学，建立微生物燃料电池的数学模型：
V＝E
n-R
m[ln x
1-19ln x
3]
其中，E
n和R
m均为模型中常数，V表示微生物燃料电池输出电压，x
1、x
2、x
3和x
4是模型中的状态变量，其中x
1表示底物浓度，x
2表示微生物浓度，x
3表示
离子的浓度，x
4表示H
+浓度，S
0表示初始底物浓度，K
S为半饱和常数，u为稀释率，q
max为最大底物消耗速率，μ
max表示微生物生长速率。
步骤二：设计滑模控制中的滑模函数s＝ce，其中，s为滑模面，c为自适应常数，e为跟踪误差，e＝V-Z，Z为系统的跟踪值。
步骤三：滑模函数的收敛意味着跟踪误差的收敛，为此设计一个Lyapunov函数V
L来保证滑模函数的收敛，Lyapunov函数V
L设计为：
对V
L求导得到：
其中：
a为一个具体的常数。
步骤四：设计一个合适的滑模控制器u保证V
L始终是不大于0的，滑模控制器的设计可以通过具体的滑模趋近率得到，选择趋近率为：
其中，ε为系统运动点趋近滑模函数的速率。
求解趋近率得到滑模控制器：
步骤五：在以上描述的滑模控制的基础上，为了减少抖振，在控制率上进行边界层设计，采用饱和函数
替代控制率中的符号函数sgn(s)，
为边界层厚度饱和函数定义为：
通过以上设计步骤，设计出了一个具有边界层的控制器，存在难以直接获取的状态变量x
1、x
2和x
3，为此，本实施例2中设计了如下方法用于间接估计它们的值。
x
3和x
4在状态方程模型中初始浓度均为0，可以得到x
3和x
4存在函数关系x
3＝a×x
4，x
4表示H
+浓度，H
+浓度可以通过PH值得到，二者之间存在如下关系：
因此，通过PH传感器得到H
+浓度，进而通过x
3和x
4之间的关系可以估计x
3为：
x
3＝ae
-pH
x
1表示底物浓度,根据数学模型中的电压V的表达方程，在已经得知x
3的情况下，可以反推出：
x
2表示微生物浓度，在监测水质过程中，假设微生物浓度只受控制器u，即稀释率的影响，那么根据x
2的状态方程可以得到：
解得：
其中，u(-1)为上次稀释率的控制效果，x
2的初始值为b，t为时间
通过以上估计方法，仅仅通过测量PH以及电压值便可以估计x
1、x
2和x
3的值，进而通过滑模控制器保证微生物电池产电模块输出电压的稳定。
所述滑模控制器u具体通过控制稀释率保持输出电压的稳定，稀释率的具体控制装置为进液蠕动泵，进液蠕动泵连接于微生物燃料电池产电模块与外界水域之间，进液蠕动泵的开合度与控制器u存在线性关系。
所述微生物燃料电池产电模块经滑模控制得到稳定的输出电压。
所述微生物燃料电池产生的稳定电压较小，经过升压模块升压后对锂电池持续充电。
所述水质监测机器人的能源全部来自锂电池，所述锂电池可以实现同时充放电。
所述水质监测机器人得到稳定的能源供应后，集成传感器开始工作，检测得到水域中PH及水域温度数据缓存在微处理器中，每隔2小时由2无线通讯模块传送到远程服务器。
所述水质监测机器人得到稳定的能源供应后，驱动微生物燃料电池传感器，其产生的电流随时间变化数据在微处理器中进行缓存，每隔一段时间由无线通讯模块传送到远程服务器，在远程服务器中通过分析电流随时间变化曲线，得到水域的重金属污染状况。
所述远程服务器通过微生物燃料电池产生的电流与重金属离子含量呈正相关的特性得知水质重金属污染情况。电流越大表明水质污染越严重。
所述PH传感器测得水质具体PH值，所述水质监测机器人根据测试水质的PH值对水质进行中和，设定PH正常阈值，当检测到的PH值高于正常阈值时，控制左侧出液蠕动泵释放左侧储水罐中的酸性溶液，直到PH达到正常阈值，关闭出液蠕动泵；当检测到的PH小于正常阈值时，控制右侧出液蠕动泵释放右侧 储水罐中的碱性溶液，直到PH达到正常阈值之间。为了保证PH测量准确，每隔一段时间读取一次PH值，当最近的几次结果均方差小于一定值后，读取当前PH，作为最终的PH检测结果。
当测量完当前区域水质，利用BDS定位模块找到当前位置和下一个测量点的位置。
所述BDS定位模块将位置信息传送给微处理器，微处理器根据接收到的位置信息进行路径规划。
微处理器根据规划好的路径，进一步控制四个电机，转动螺旋桨到达下一个水质监测地点，其中水质监测机器人的水平和垂直方向上的移动是通过控制四个电机的正反转及旋转速度实现的。
实施例3
如图1至图3所示，在本发明实施例3中，提供一种基于微生物燃料电池的水质监测装置，包括主机体4和设置于所述主机体内部的微处理器、锂电池模块、升压模块、无线通讯模块和BDS定位模块。所述机体上方固定一个四旋翼支架14，所述四旋翼支架上方中心处固定一个集成传感器模块3，集成传感器模块包括PH传感器，温度传感器；所述四旋翼支架四个对角分别设置有螺旋桨机构，螺旋桨机构包括螺旋桨1、驱动马达2以及相匹配的电调；机体下方包括一个与机体同等大小的微生物燃料电池，其特征在于，所述微生物燃料电池包含微生物燃料电池产电单元8和微生物燃料电池传感器11，二者之间相互隔开；所述微生物燃料电池两侧分别固定出液蠕动泵6和储水罐5，所述出液蠕动泵6固定在储水罐5出水口；所述微生物燃料电池产电单元侧面连通一个进液蠕动泵9。
所述四旋翼支架14呈方形结构，在所述四旋翼支架内侧开设有用于容纳所述螺旋桨机构的通孔，所述螺旋桨1和驱动电机2都容置于所述通孔中。所述锂电池模块为水质监测机器人提供能源。所述微生物燃料电池是通过阳极和阴极之间的厌氧微生物分解有机物产生电能。
所述微生物燃料电池产电单元8和微生物燃料电池传感器11的区别在于，微生物燃料电池产电单元8的作用是对锂电池持续充电；微生物燃料电池传感器11的作用是通过观察其产生电流随时间变化曲线，估算水域中的重金属含量。所述微生物燃料电池产电单元8和微生物燃料电池传感器11均选取碳布作为阳极和阴极，阴极碳布涂抹少量铂作为催化剂。
所述微生物燃料电池产电单元8，在阴极和阳极之间产生的电压是不稳定的，无法实现对锂电池的直接充电，因此，本实施例3中设计边界层滑模控制方法用于保持电压稳定是有必要的，包括以下步骤：
步骤一：通过微生物与电化学动力学，建立微生物燃料电池的数学模型：
V＝E
n-R
m[ln x
1-19ln x
3]
其中，E
n和R
m均为模型中常数，V表示微生物燃料电池输出电压，x
1、x
2、x
3和x
4是模型中的状态变量，其中x
1表示底物浓度，x
2表示微生物浓度，x
3表示
离子的浓度，x
4表示H
+浓度，S
0表示初始底物浓度，K
S为半饱和常数，u为稀释率，q
max为最大底物消耗速率，μ
max表示微生物生长速率。
步骤二：设计滑模控制中的滑模函数s＝ce，其中，s为滑模面，c为自适应常数，e为跟踪误差，e＝V-Z，Z为系统的跟踪值。
步骤三：滑模函数的收敛意味着跟踪误差的收敛，为此设计一个Lyapunov函数V
L来保证滑模函数的收敛，Lyapunov函数V
L设计为：
对V
L求导得到：
其中：
a为一个具体的常数。
步骤四：设计一个合适的滑模控制器u保证V
L始终是不大于0的，滑模控制器的设计可以通过具体的滑模趋近率得到，选择趋近率为：
其中，ε为系统运动点趋近滑模函数的速率。
求解趋近率得到滑模控制器：
步骤五：在以上描述的滑模控制的基础上，为了减少抖振，在控制率上进行边界层设计,采用饱和函数
替代控制率中的符号函数sgn(s)，
为边界层厚度饱和函数定义为：
通过以上设计步骤，设计出了一个具有边界层的控制器，存在难以直接获取的状态变量x
1、x
2和x
3，为此，本实施例2中设计了如下方法用于间接估计它们的值。
x
3和x
4在状态方程模型中初始浓度均为0，可以得到x
3和x
4存在函数关系x
3＝a×x
4，x
4表示H
+浓度，H
+浓度可以通过PH值得到，二者之间存在如下关系：
因此，通过PH传感器得到H
+浓度，进而通过x
3和x
4之间的关系可以估计x
3为：
x
3＝ae
-pH
x
1表示底物浓度,根据数学模型中的电压V的表达方程，在已经得知x
3的情况下，可以反推出：
x
2表示微生物浓度，在监测水质过程中，假设微生物浓度只受控制器u，即稀释率的影响，那么根据x
2的状态方程可以得到：
解得：
其中，u(-1)为上次稀释率的控制效果，x
2的初始值为b，t为时间
通过以上估计方法，仅仅通过测量PH以及电压值便可以估计x
1、x
2和x
3的值，进而通过滑模控制器保证微生物电池产电模块输出电压的稳定。
所述滑模控制器u具体通过控制稀释率保持输出电压的稳定，稀释率的具体控制装置为进液蠕动泵，进液蠕动泵连接于微生物燃料电池产电模块与外界水域之间，进液蠕动泵的开合度与控制器u存在线性关系。
所述微生物燃料电池产电模块8经滑模控制得到稳定的输出电压。
所述微生物燃料电池产生的稳定电压较小，经过升压模块S-882Z24和S-83378AJA升压后对锂电池持续充电。
所述水质监测机器人的能源全部来自锂电池，所述锂电池可以实现同时充放电。
所述水质监测机器人得到稳定的能源供应后，集成传感器3开始工作，检测得到水域中PH及水域温度数据缓存在微处理器中，每隔2小时由2.4G无线通讯模块传送到远程服务器。
所述水质监测机器人得到稳定的能源供应后，驱动微生物燃料电池传感器11开始工作，传感器阳极12和传感器阴极13分别作为微生物燃料电池传感器的 阳极和阴极，其产生的电流随时间变化数据在微处理器中进行缓存，每隔2小时由2.4G无线通讯模块传送到远程服务器，在远程服务器中通过分析电流随时间变化曲线，得到水域的重金属污染状况。
所述远程服务器通过微生物燃料电池产生的电流与重金属离子含量呈正相关的特性得知水质重金属污染情况。当水质正常时，电流基本维持在0.014～0.015mA之间，电流越大表明水质污染越严重，当电流大于0.015mA但不超过0.04mA时为轻度污染，大于0.04mA时定为重度污染。
所述水质监测机器人根据测试水质的PH值对水质进行中和，设定PH正常阈值为6.5-8.5之间，当检测到的PH值高于8.5时，控制左侧出液蠕动泵6释放左侧储水罐5中的HCL溶液，直到PH达到7-8之间，关闭出液蠕动泵；当检测到的PH小于6.5时，控制右侧出液蠕动泵6释放右侧储水罐5中的NaOH溶液，直到PH达到7-8之间。为了保证PH测量准确，每10分钟读取一次PH值，当最近的五次结果均方差小于0.3后，读取当前PH，作为最终的PH检测结果。
当测量完当前区域水质，利用BDS定位模块找到当前位置和下一个测量点的位置。所述BDS定位模块将位置信息传送给微处理器，微处理器根据接收到的位置信息进行路径规划。微处理器根据规划好的路径，进一步控制四个驱动电机2，转动螺旋桨1到达下一个水质监测地点，其中水质监测机器人的水平和垂直方向上的移动是通过控制四个电机的正反转及旋转速度实现的。
综上所述，本发明实施例所述的基于微生物燃料电池的水质监测装置，利用微生物燃料电池产电，实现水域中能量的回收，同时不会对水域造成污染，延长了所述监测机器人水下工作时间。通过边界层滑模控制，保证了所述微生物燃料电池输出电压的稳定。微生物燃料电池作为水下重金属传感器，其搭建简单，成本低的同时保证了检测精度。针对中小型水域，设计了一种自适应控制释放酸碱溶液的水质改善装置，根据水的PH释放酸碱溶液有效改善水质。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
- 一种基于微生物燃料电池的水质监测装置，其特征在于，包括：主机体(4)；主机体(4)中设有蓄电池模块，所述蓄电池模块为所述基于微生物燃料电池的水质监测装置提供电源；所述主机体可在水环境中进行移动，以检测水环境中不同区域的水质；在所述主机体(4)上设置有集成传感器模块(3)和微生物燃料电池模块；所述集成传感器模块(3)，用于采集水环境中的pH值和温度；所述微生物燃料电池模块，用于通过边界层滑模控制对所述蓄电池模块进行持续稳定的充电，并采集水环境产生的电流随时间变化的数据；其中，所述电流随时间变化的数据用以判断水体重金属污染状况。
- 根据权利要求1所述的基于微生物燃料电池的水质监测装置，其特征在于，所述主机体上方固定有旋翼支架(14)，所述旋翼支架(14)上对称连接有多个螺旋桨机构；所述主机体下方连接有所述微生物燃料电池模块，所述旋翼支架(14)的顶部安装有所述集成传感器模块(3)。
- 根据权利要求2所述的基于微生物燃料电池的水质监测装置，其特征在于，所述微生物燃料电池模块包括微生物燃料电池产电单元(8)和微生物燃料电池传感器(11)，所述微生物燃料电池产电单元(8)用于对所述蓄电池模块进行持续稳定的充电；所述微生物燃料电池传感器(11)用于采集利用水环境产生的电流随时间变化的数据。
- 根据权利要求3所述的基于微生物燃料电池的水质监测装置，其特征在于，所述微生物燃料电池产电单元(8)的一侧设有进液蠕动泵(9)；所述微生物燃料电池模块的两侧分别固定有出液蠕动泵(6)和储罐(5)，所述出液蠕动泵(6)固定在储罐(5)的出口；其中，每个储罐(5)存储有用于调整水环境的pH值的溶液。
- 根据权利要求3所述的基于微生物燃料电池的水质监测装置，其特征在于，所述微生物燃料电池产电单元(8)包括有产电阳极(10)和产电阴极 (7)，所述微生物燃料电池传感器(11)包括传感器阳极(12)和传感器阴极(13)。
- 根据权利要求5所述的基于微生物燃料电池的水质监测装置，其特征在于，所述产电阳极(10)、所述传感器阳极(12)、所述产电阴极(7)和所述传感器阴极(13)均为碳布制作，所述产电阴极(7)和所述传感器阴极(13)均涂抹铂作为催化剂。
- 根据权利要求5所述的基于微生物燃料电池的水质监测装置，其特征在于：所述主机体内部还设有微处理器和BDS定位模块；所述BDS定位模块将位置信息传送给微处理器，微处理器根据接收到的位置信息进行主机体的路径规划，控制主机体的移动；所述微处理器，判断采集的pH值是否超过预设的范围，若超过，则控制相应储罐的出液蠕动泵，泵出该储罐中的溶液，对水环境的pH值进行调整。
- 根据权利要求7所述的基于微生物燃料电池的水质监测装置，其特征在于，所述边界层滑模控制通过控制稀释率保持输出电压的稳定，微处理器通过控制进液蠕动泵(9)的开合度控制外界水环境进入微生物燃料电池产电单元(8)的流量，从而控制稀释率；其中，所述边界层滑模控制包括：通过微生物与电化学动力学，建立微生物燃料电池的数学模型；确定滑模控制中的滑模函数，定义一个Lyapunov函数作为收敛函数来保证滑模函数的收敛，构建滑模趋近率，使收敛函数始终不大于0，求解滑模趋近率得到滑模控制器；在滑模控制器的基础上，在控制率上进行边界层设计，采用饱和函数替代控制率中的符号函数，最终得到边界层滑模控制器。
- 根据权利要求7所述的基于微生物燃料电池的水质监测装置，其特征在于，还包括：无线通讯模块以及远程服务器；所述无线通信模块设于所述主机 体的内部，所述微处理器通过无线通讯模块将电流随时间变化的数据传送到远程服务器，在远程服务器中通过分析电流随时间变化曲线，以供判断水环境的重金属污染状况。
- 根据权利要求2所述的基于微生物燃料电池的水质监测装置，其特征在于，所述螺旋桨机构包括与所述旋翼支架(14)连接的连接杆(15)，所述连接杆(15)的端部连接有驱动电机(2)，所述驱动电机(2)的驱动轴连接有螺旋桨(1)。
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| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
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