低功耗水质在线监测装置及系统的制作方法

1.本实用新型涉及水质监测领域，特别涉及一种低功耗水质在线监测装置及系统。


背景技术：

2.人类的生存和进行生产活动离不开水。动物、植物、微生物都必须依赖水才能生存。近一百多年来，工业生产迅速发展，工业生产过程中产生的大量排放物已造成严重的水污染。有害的污染物进入河流、湖泊、海洋或地下水中，使水质和底泥的物理、化学性质或生物群落变化，造成水质恶化，严重危害人体健康或者破坏生态环境。目前，全世界已有80多个国家缺水，地球上的淡水总共为400万立方公里，每年被污染的淡水达到400立方公里，人类及时发现、大力治理水污染已成当务之急。
3.传统的水质监测方法需要人工提取水样后送至实验室进行化验分析，这种方式效率低且人力成本高。因此一些厂商研发了能够漂浮在水面上，通过传感器进行水质监测的水质在线监测装置，但是现有的水质在线监测装置存在以下问题：1、传感器容易被水草等水中的杂物污染或覆盖，导致监测精度下降；2、为了提高水质监测的全面性和真实性，水质监测装置需要安装多种类型的传感器，然而传感器数量增多后为了保持正常运行需要一直开启，导致装置的功耗增大。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种低功耗水质在线监测装置及系统，能够避免传感器被水中的杂物污染或覆盖，并且具备低功耗模式，能够保证多传感器的正常运行同时减小功耗。
5.根据本实用新型第一方面实施例的低功耗水质在线监测装置，包括：传感器单元，传感器单元包括过滤网和多个传感器，所述过滤网环绕一圈形成用于容纳所述传感器的腔体；信号处理箱，所述信号处理箱内设置有数据采集控制板，所述传感器单元固定在所述信号处理箱的底部，多个所述传感器的信号输出端分别电性连接所述数据采集控制板的信号输入端；多个与所述传感器一一对应的开关电路，所述数据采集控制板分别通过一个开关电路电性连接对应传感器的供电端；漂浮装置，所述信号处理箱固定在所述漂浮装置上。
6.根据本实用新型第一方面实施例的低功耗水质在线监测装置，至少具有如下有益效果：
7.本实用新型实施方式在传感器外设置有一圈过滤网，通过过滤网形成一个容纳传感器的腔体，避免水草等杂物进入，使传感器表面不会被水草等杂物覆盖，能够保持传感器的监测精度。此外每个传感器单独配置一个开关电路，数据采集控制板通过开关电路分别控制对应传感器的供电，需要采集某个传感器的数据时控制开关电路给该传感器供电，从而进行该传感器的数据采集，完成后给传感器断电，数据采集控制板在轮询所有传感器后可以关闭所有传感器的供电进入低功耗状态直到下一次的采集周期。采用这种轮询的方式既能够保证正常的数据采集，同时能够极大的降低装置的功耗。
8.根据本实用新型的一些实施例，还包括太阳能电池板，所述太阳能电池板安装在所述信号处理箱顶部，所述信号处理箱上设置有供电接口，所述太阳能电池板的输出端电性连接所述供电接口。
9.根据本实用新型的一些实施例，所述信号处理箱内还设置有电源控制器和电池，所述电池和所述供电接口分别连接所述电源控制器，所述电源控制器用于给电池充电并实现太阳能电源和电池电源的切换。
10.根据本实用新型的一些实施例，所述信号处理箱上方设置有防雨罩。
11.根据本实用新型的一些实施例，所述信号处理箱的底部设置有一挂杆，所述挂杆位于所述腔体内，多个所述传感器皆安装在所述挂杆上。
12.根据本实用新型的一些实施例，所述开关电路包括三极管q1、三极管q4和二极管d2，所述数据采集控制板的一个电源控制信号输出端连接所述三极管q4的基极，所述三极管q4的发射极接地，所述三极管q4的集电极通过电阻r26连接所述数据采集控制板的供电端，所述三极管q4的集电极通过电阻r29连接所述三极管q1的基极，所述三极管q1的发射极连接所述数据采集控制板的电源输出端，所述三极管q1的集电极通过二极管d2连接对应传感器的电源输入端。
13.根据本实用新型的一些实施例，所述数据采集控制板的电源控制信号输出端与三极管q4的基极之间设置有rc电路。
14.根据本实用新型的一些实施例，多个所述传感器包括温度传感器、ph传感器、浊度传感器、电导率传感器、溶氧量传感器、微生物传感器中的一种或多种。
15.根据本实用新型的一些实施例，还包括增氧泵，多个所述传感器中至少包括溶氧量传感器，所述数据采集控制板连接所述增氧泵的控制端以用于调节水中的溶氧量。
16.根据本实用新型第二方面实施例的低功耗水质在线监测系统，包括上述的低功耗水质在线监测装置和监测主站，所述低功耗水质在线监测装置与所述监测主站通讯连接。
17.根据本实用新型第二方面实施例的低功耗水质在线监测系统，至少具有如下有益效果：
18.本实用新型实施方式在传感器外设置有一圈过滤网，通过过滤网形成一个容纳传感器的腔体，避免水草等杂物进入，使传感器表面不会被水草等杂物覆盖，能够保持传感器的监测精度。此外每个传感器单独配置一个开关电路，数据采集控制板通过开关电路分别控制对应传感器的供电，需要采集某个传感器的数据时控制开关电路给该传感器供电，从而进行该传感器的数据采集，完成后给传感器断电，数据采集控制板在轮询所有传感器后可以关闭所有传感器的供电进入低功耗状态直到下一次的采集周期。采用这种轮询的方式既能够保证正常的数据采集，同时能够极大的降低装置的功耗。
19.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
20.下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明，其中：
21.图1为本实用新型实施例中低功耗水质在线监测装置的剖视图；
22.图2为本实用新型实施例中信号处理箱的接口示意图；
23.图3为本实用新型实施例中信号处理箱的内部元器件的布局图；
24.图4为本实用新型实施例中开关电路的电路原理图。
25.附图标号：
26.传感器单元100、过滤网110、传感器120、挂杆130、信号处理箱200、箱体201、传感器接口202、数据采集控制板210、供电接口220、电源控制器230、电池240、电池固定架241、底板250、漂浮装置300、太阳能电池板400、太阳能支架410、防雨罩500。
具体实施方式
27.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
28.在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
29.在本实用新型的描述中，多个指的是两个以上。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
30.本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
31.参照图1所示，一种低功耗水质在线监测装置，包括：传感器单元100、信号处理箱200、开关电路和漂浮装置300。信号处理箱200通过漂浮装置300漂浮在水面上，可以避免信号处理箱200内的电子元件进水导致短路等故障，本实用新型实施例中漂浮装置300采用聚乙烯制成的圆形塑料浮圈，信号处理箱200通过支架固定在圆形塑料浮圈的中间，当然漂浮装置300也可以采用其他材料制成的漂浮装置300，漂浮装置300的形状也不限于圆形塑料浮圈，任意形状的漂浮装置均可，例如将多个独立的漂浮块固定在信号处理箱200的侧壁上。传感器单元100固定在信号处理箱200下方且伸入水中，传感器单元100包括过滤网110和多个传感器120，过滤网110环绕一圈形成柱形的腔体，多个传感器120皆位于腔体内，通过过滤网110将水草等杂物国旅在腔体外，可以有效避免传感器120表面被污染覆盖导致的精度下降。
32.其中，信号处理箱200包括箱体201和设置在箱体201内的数据采集控制板210，本实用新型实施例中数据采集控制板210的主要功能是采集传感器120的数据并给传感器120供电。本实用新型实施例中数据采集控制板210采用内置stm32l031k6t6的功能板实现，功能板上还配置有无线通信模块实现数据上传功能，可以理解的是，无线通信模块可以采用4g模块、5g模块或wifi模块等等，在布线方便的地区也可以采用有线通信模块数据上传功能，另外部分区域也可以配置成本地监控模式，在数据采集控制板210上内置数据存储器，在信号处理箱200上配置显示屏和按键从而实现监测数据的本地查询。多个传感器120的信
号输出端分别电性连接数据采集控制板210的信号输入端，参考图2，箱体201的一个侧面上设置有一排传感器接口202，每个传感器120分别连接一个传感器接口202。开关电路的数量与传感器120的数量相同，每个传感器120分别对应一个开关电路，数据采集控制板210分别通过一个开关电路电性连接对应传感器120的供电端，使得，数据采集控制板210可以独立控制每个传感器120的供电，实现轮询采集。
33.本实用新型实施方式在传感器120外设置有一圈过滤网110，通过过滤网110形成一个容纳传感器120的腔体，避免水草等杂物进入，使传感器120表面不会被水草等杂物覆盖，能够保持传感器120的监测精度。此外每个传感器120单独配置一个开关电路，数据采集控制板210通过开关电路分别控制对应传感器120的供电，需要采集某个传感器120的数据时控制开关电路给该传感器120供电，从而进行该传感器120的数据采集，完成后给传感器120断电，数据采集控制板210在轮询所有传感器120后可以关闭所有传感器120的供电进入低功耗状态直到下一次的采集周期。采用这种轮询的方式既能够保证正常的数据采集，同时能够极大的降低装置的功耗。数据采集控制板210可以设置数据采集时间与数据上报时间，在轮询所有传感器120后硬件进入低功耗休眠状态，直到设置的下一次数据采集时间为止唤醒，以上功能都是stm32l031k6t6自身软件能够实现的功能，本实用新型不涉及对软件的改进。
34.本技术既可以外接电源供电也可以采用自主供电的方式。在一些不方便布线的场合，例如偏远的水源地中只能采用自主供电，因此本实用新型实施例中还包括太阳能电池板400，太阳能电池板400通过太阳能支架410固定在信号处理箱200的顶部，箱体201上设置有供电接口220，太阳能电池板400的输出端电性连接供电接口220。参考图3，信号处理箱200内还设置有电源控制器230和电池240，电池240和供电接口220分别连接电源控制器230，太阳能电池板400板将太阳能转换为电能再通过电源控制器230的控制稳压提供系统电源以及给电池240充电。电源控制器230输出12v电源经过12v转3.7v的dc-dc模块输出3.7v电源给数据采集控制板210供电。电池240直接与电源控制器230相连，在太阳能电池板400的供电充足时，由电源控制器230控制太阳能电池板400给电池240充电，保证电池240满容量，在太阳能电池板400的供电不足时，由电源控制器230控制电池240给装置提供稳定的电源，保证装置的正常工作。
35.下面参考图1-图3来本实用新型实施例中信号处理箱200的具体结构，箱体201的内侧壁上固定有环氧树脂板，起到支撑和固定的作用，箱体201的底部设置有一底板250，底板250通过六方铜柱固定在箱体201的底部，数据采集控制板210、电源控制器230和电池240皆安装在底板250上，参考图3，数据采集控制板210位于底板250的右侧区域下方，电源控制器230位于底板250的右侧区域上方，电池240通过电池固定架241安装在底板250的左侧区域。参考图2所示，本实用新型实施例中传感器接口202和供电接口220皆采用航空插头，具有一定的防水性能并且连接牢固。
36.参考图1所示，为了进一步提高信号处理箱200的防水性能，本实用新型实施例中在箱体201上方设置有防雨罩500，防雨罩500通过防雨罩支架固定在太阳能电池板400和箱体201之间，既能够避免雨水进入信号处理箱200，又不会干扰到太阳能电池板400的正常工作。
37.参考图1所示，为了便于悬挂更多的传感器，箱体201底部设置有一挂杆130，挂杆
130位于过滤网110形成的腔体的中轴线上，多个传感器120环绕固定安装在挂杆130上，互不干扰并且结构稳定。
38.参考图4所示，本实用新型实施例中的开关电路包括三极管q1、三极管q4和二极管d2，数据采集控制板210的一个电源控制信号输出引脚out1_power_control通过一个rc电路连接三极管q4的基极，rc电路起到延时上电的作用，三极管q4的发射极接地，三极管q4的集电极通过电阻r26连接数据采集控制板210上的电源端vcc，三极管q4的集电极通过电阻r29连接三极管q1的基极，三极管q1的发射极连接数据采集控制板210的电源端vcc，数据采集控制板210的供电端三极管q1的集电极通过二极管d2连接对应传感器120的电源输入端。数据采集控制板210通过三极管q1控制三极管q2的导通，从而控制传感器120的供电，实现需要采集某个传感器120的数据时给该传感器120供电进行数据采集，完成后给传感器120断电的轮询采集功能。
39.其中，为了提高水质监测的真实性和可靠性，本实用新型实施例中传感器120包括温度传感器、ph传感器、浊度传感器、电导率传感器、溶氧量传感器和微生物传感器，当然本领域技术人员也可以根据实际需要对传感器的类型进行增加和减少。
40.需要说明的是，本实用新型实施例中还可以增加联动设备，例如增氧泵，增氧泵可以与溶氧量传感器配合实现联动功能，数据采集控制板210连接增氧泵的控制端，当数据采集控制板210监测到以用于调节水中的溶氧量低于预警值时启动增氧泵改变水中的溶氧量，当溶氧量回到正常值时再关闭设备。当然，本领域技术人员也可以根据实际需要增加其他的联动设备与其他传感器联动来实现水质的自动调节。
41.本实用新型实施例还包括一种低功耗水质在线监测系统，包括上述实施例的低功耗水质在线监测装置和监测主站，低功耗水质在线监测装置通过无线模块与监测主站通讯连接。能够通过监测主站远程对低功耗水质在线监测装置进行数据读取，实时采集，参数下发，设备运行状态监控等功能。无需前往现场，节省人力。
42.上面结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。