專利名稱：一種藍藻水華實時監(jiān)控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種實時監(jiān)控裝置，尤其涉及一種應(yīng)用于水環(huán)境保護的藍藻水華 實時監(jiān)控裝置，屬于無線監(jiān)控領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展和人類活動影響的擴大，湖泊富營養(yǎng)化日趨嚴重。富營養(yǎng)化 的水體極易導致藍藻水華的暴發(fā)，這已成為世界性的水環(huán)境問題之一。藍藻水華的暴發(fā)具 有周期性，通過實時的監(jiān)測預(yù)警并輔以有效的控制措施，可以防止藍藻大量繁殖，減輕其帶 來的危害。研究表明，影響藍藻生長的主要環(huán)境條件為光照、水溫、PH值、溶解氧、營養(yǎng)鹽濃 度、風浪擾動等。一旦環(huán)境形成，在營養(yǎng)物和空間尺度不受限制的初期，藻類會進入一個指 數(shù)增長階段，水華將在“一夜之間”全面暴發(fā)，導致難以控制的局面，以至于后期需要花費大 量的人力物力進行打撈清理，因此對于藍藻監(jiān)測預(yù)警和控制的實時性顯得尤為重要。目前主要采用的監(jiān)測方式有三種人工現(xiàn)場觀測、衛(wèi)星遙感監(jiān)測和水質(zhì)自動在線 監(jiān)測。定期的人工現(xiàn)場視覺和味覺觀測是一種有效且直觀的監(jiān)測方法，但監(jiān)測周期長，對技 術(shù)人員的經(jīng)驗要求高；衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)具有宏觀、動態(tài)等顯著特點，但遙感圖像的獲取成 本高，處理分析要求的技術(shù)含量高，通常應(yīng)用于大型湖泊和水庫；目前水質(zhì)和氣象參數(shù)自動 檢測儀均分別在水質(zhì)自動監(jiān)測站和自動氣象站得到應(yīng)用，然而受建站條件的限制，通常二 者的分布位置和密度均不一致，導致采樣數(shù)據(jù)不能準確反映同一片水域的環(huán)境因素，影響 預(yù)測精度，并且由于各部門職責分工不同，各參數(shù)的獲取對環(huán)保、水利和氣象部門之間的合 作提出了較高要求。每個湖泊的水環(huán)境狀況不同，在藍藻水華發(fā)生機理并不清楚的情況下進行評價是 比較困難的，這種局限性引起的預(yù)測準確率低下很可能導致暴發(fā)初期預(yù)警發(fā)布的滯后以及 控制措施的拖延，延誤了最佳控制時期。藍藻防治最有效、最科學的方法是采用生態(tài)治理，恢復(fù)水體的自凈能力。完整的生 態(tài)鏈可增強水體自身的修復(fù)能力水生濕生植物及魚類、貝類等水生動物不僅能消耗水中 的有機污染，還能抑制藻類生長。然而這是一種長期的綜合性治理，需要建立在外源污染得 到控制且具備自凈能力的基礎(chǔ)上，對于已被污染的水體，其環(huán)境已經(jīng)阻礙了水生動植物的 正常生長，導致生物鏈的不完整，因此必須采用清除措施。國內(nèi)外對于藍藻的清除方法已經(jīng)有很多研究，主要有化學法、生物法、物理法等。 其中化學法能夠高效除藻，但是使用的化學藥劑極易對水體造成二次污染，現(xiàn)在發(fā)達國家 基本上已不再使用；生物法易造成引進的高等水生植物過度繁殖，對湖泊生物種群結(jié)構(gòu)、航 運、景觀等帶來不利影響；傳統(tǒng)的物理方法有機械清除、過濾、曝氣、遮光、挖掘底泥等，需要 大型的機械設(shè)備和有經(jīng)驗的操作人員，對于大面積水體費時費力。超聲滅藻裝置在國外得到了成功應(yīng)用，國內(nèi)部分高校也做了相關(guān)研究，但尚未進 入產(chǎn)品化階段。政府和環(huán)保部門主要致力于大型湖泊和重要水源地的保護和治理，而現(xiàn)有的超聲滅藻裝置依賴于電力的供應(yīng)，布線不易，并受自身移動和有效作用范圍的限制，目前 主要被局限于小面積水體的藍藻治理。現(xiàn)有的超聲除藻裝置可化分為固定型和移動型。前者多將超聲電源與換能器分 離，二者通過防水的信號線連接，電源安裝在陸地上，換能器通過標桿或繩索固定于水下， 僅能對前方的扇形水域定向輻照，換能器的波束角和聲功率決定有效輻照面的大小。為了 擴大移動范圍，也有人將整套超聲滅藻裝置安裝在小型船舶上，由電纜或船載的發(fā)電機供 電，這種方法依賴于長時間的人工操作，且設(shè)備體積大、成本高。

實用新型內(nèi)容本實用新型針對背景技術(shù)中對藍藻的監(jiān)測和除藻技術(shù)存在的缺陷，而提出一種監(jiān) 測精度高、除藻方式環(huán)保且布點靈活的藍藻水華實時監(jiān)控裝置。本實用新型的藍藻水華實時監(jiān)控裝置，其結(jié)構(gòu)包括GPRS模塊、處理器控制單元、 射頻通信單元、射頻天線、執(zhí)行器模塊、傳感器模塊、電源監(jiān)控電路及電源模塊1和電源模 塊2，所述執(zhí)行器模塊包括超聲電源、超聲波換能器、電動氣泵、水下曝氣管、步進電機驅(qū)動 器和步進電機，超聲電源、電動氣泵和步進電機驅(qū)動器的輸出端分別對應(yīng)連接超聲波換能 器、水下曝氣管和步進電機的輸入端，其中電源模塊1分別給GPRS模塊、射頻通信單元、處 理器控制單元、傳感器模塊及執(zhí)行器模塊中的步進電機驅(qū)動器供電；電源模塊2的輸出端 一路通過電源監(jiān)控電路與處理器控制單元的輸入端連接，另一路給執(zhí)行模塊中的超聲電源 和電動氣泵供電；射頻天線連接射頻通信單元，射頻通信單元、GPRS模塊和傳感器模塊均 與處理器控制單元雙向相連；處理器控制單元的輸出端分別與執(zhí)行器模塊中的超聲電源、 電動氣泵和步進電機驅(qū)動器的輸入端連接；超聲波換能器與步進電機連接以完成全向旋 轉(zhuǎn)。本實用新型的設(shè)計結(jié)合了無線通信、多參數(shù)傳感器集成、全向超聲波除藻和曝氣 增氧技術(shù)，克服了現(xiàn)有藍藻水華監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測周期長、實效性差、勞動強度大、監(jiān)測水域范 圍小、運營成本高、除藻不環(huán)保等問題，具體有益效果如下1、網(wǎng)絡(luò)容量大，監(jiān)測密度高、范圍廣。基于GPRS模塊的通信方式利用了成熟、穩(wěn)定 的公共無線網(wǎng)絡(luò)，可以跨越很大的物理空間，增大覆蓋的監(jiān)測區(qū)域，減少洞穴或盲區(qū)；2、短距離射頻通信模塊為傳感器節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)化提供了物理層和MAC層的支持，組 網(wǎng)后可使系統(tǒng)具有很強的容錯性和自愈功能；3、從不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比，通過分布式處理大量的采集信 息能夠提高監(jiān)測精度，降低對單個節(jié)點傳感器的精度要求；4、布點靈活，無需布線，建站成本低，適應(yīng)性廣；5、氣象、多參數(shù)水質(zhì)傳感器解決了傳統(tǒng)測量法測量周期長、測量參數(shù)少、測量點分 布不一等問題，提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時性、有效性，增強了預(yù)警的準確性、可靠性；6、采用超聲除藻技術(shù)，全向式設(shè)計使換能器的作用區(qū)域突破了自身波束角的限 制，沒有盲區(qū)；裝置由太陽能供電，解決了供電難問題，綠色能源的應(yīng)用使除藻過程更加環(huán) 保，無需人工參與，降低了運營成本；7、在除藻的同時可以利用超聲波對水下傳感器探頭進行自動清洗，延長了探頭的 使用壽命。[0020]8、曝氣裝置促進了已殺死的藍藻細胞的加速分解與水體恢復(fù)。
圖1是本實用新型的模塊結(jié)構(gòu)框圖，圖中太陽能電池板I、II、III、IV即太陽能電池板 1、2、3、4。圖2是本實用新型實施例整體三維結(jié)構(gòu)圖，圖中標號名稱1、2、3、4均為太陽能電 池板；5為外儀器艙；6為風速傳感器；7為照度傳感器；8為射頻天線；9為溫濕度傳感器； 10為環(huán)形浮筒；11為浮筒內(nèi)儀器艙；12為步進電機及旋轉(zhuǎn)控制裝置；13為水質(zhì)傳感器及藻 類傳感器，其中13_1為傳感器探頭，13-2為聲波反射板；14為36V電動氣泵；15為電機與 換能器的連接軸和防水套管；16為超聲波換能器；17為導氣管。圖3是步進電機旋轉(zhuǎn)控制機構(gòu)的原理結(jié)構(gòu)圖，圖中標號名稱1’為步進電機；2’為 觸發(fā)旋轉(zhuǎn)控制信號的金屬桿；3’為步進電機轉(zhuǎn)軸；4’為微動開關(guān)；5’為微動開關(guān)輸出導線。圖4是本實用新型實施例中外儀器艙的分層結(jié)構(gòu)示意圖，圖中(a)為外儀器艙上 層結(jié)構(gòu)示意圖；(b)為外儀器艙中層結(jié)構(gòu)示意圖；(c)為外儀器艙下層結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本實用新型的工作流程示意圖。
具體實施方式
本實用新型的模塊連接結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括GPRS模塊、處理器控制單元、射頻通 信單元、射頻天線、執(zhí)行器模塊、傳感器模塊、電源監(jiān)控電路及電源模塊1和電源模塊2，所 述執(zhí)行器模塊包括超聲電源、超聲波換能器、電動氣泵、水下曝氣管、步進電機驅(qū)動器和步 進電機，超聲電源、電動氣泵和步進電機驅(qū)動器的輸出端分別對應(yīng)連接超聲波換能器、水下 曝氣管和步進電機的輸入端，其中電源模塊1分別給GPRS模塊、射頻通信單元、處理器控 制單元、傳感器模塊及執(zhí)行器模塊中的步進電機驅(qū)動器供電；電源模塊2的輸出端一路通 過電源監(jiān)控電路與處理器控制單元的輸入端連接，另一路給執(zhí)行模塊中的超聲電源和電動 氣泵供電；射頻天線連接射頻通信單元，射頻通信單元、GPRS模塊和傳感器模塊均與處理 器控制單元雙向相連；處理器控制單元的輸出端分別與執(zhí)行器模塊中的超聲電源、電動氣 泵和步進電機驅(qū)動器的輸入端連接；超聲波換能器與步進電機連接以完成全向旋轉(zhuǎn)。電源模塊1由太陽能電池板1、太陽能充電控制器1、蓄電池1和DC-DC轉(zhuǎn)換器構(gòu) 成，太陽能電池板1和蓄電池1均連接太陽能充電控制器1，太陽能充電控制器1的輸出端 連接DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入端，DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出端構(gòu)成電源模塊1的輸出端；所述電源模 塊2由三塊太陽能電池板、三個蓄電池和太陽能充電控制器2構(gòu)成，三塊太陽能電池板即太 陽能電池板2、太陽能電池板3、太陽能電池板4，三個蓄電池即蓄電池2、蓄電池3、蓄電池 4，三塊太陽能電池板和三個蓄電池均連接太陽能充電控制器2，太陽能充電控制器2的輸 出端構(gòu)成電源模塊2的輸出端。下面對圖1中的模塊應(yīng)用分別進行詳細介紹本實用新型中的處理器控制單元采用TI公司的CC2430低功耗無線單片機，它結(jié) 合了行業(yè)領(lǐng)先的射頻2. 4GHz收發(fā)器CC2420以及工業(yè)級、小體積的8051單片機，具有集成 度高、功耗低的特點。收發(fā)器支持的IEEE 802. 15. 4協(xié)議采用了 CSMA-CA的碰撞避免機制， 同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；MAC 層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，增 強了無線通信的可靠性。[0032]CC2430為處理器控制單元核心，其內(nèi)置的8051單片機擔負著以下任務(wù)1)用于控制射頻通信模塊、GPRS模塊與其他節(jié)點及監(jiān)控中心間的通信；2)采集氣象、水質(zhì)和藻類傳 感器的數(shù)據(jù)，并做簡單的分析處理，同時結(jié)合監(jiān)控中心下達的預(yù)警等級對執(zhí)行器是否工作 及工作強度作出判斷；3)對兩個太陽能電源進行電源管理，包括電源電壓的監(jiān)控，執(zhí)行器 電源供給的通斷和超聲、曝氣裝置供電的切換；4)對步進電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)及旋轉(zhuǎn)方向的檢 測與控制。射頻通信單元由CC2430片內(nèi)的CC2420收發(fā)器及少量外圍元件組成，它與8051單 片機之間通過SPI接口通信，并和射頻天線共同構(gòu)成短距離無線通信模塊。GPRS模塊與8051單片機之間是通過RS-232串口進行通信，通信速率最快可達 115200b/s。該模塊與8051間的通信協(xié)議是AT命令集，除了串口發(fā)送(TX)、串口接收(RX) 之外，8051與GPRS模塊之間還有一些硬件握手信號，如DTR、CTS、D⑶等。為了簡化單片機的 控制，硬件設(shè)計時不需要使用全部的硬件握手信號，而只使用數(shù)據(jù)載波檢測(Data Carrier Detect, DCD)和終端準備(Data Terminal Ready, DTR)信號。傳感器模塊包括氣象傳感器、水質(zhì)傳感器和藻類生物量傳感器，其中氣象傳感器 又包括溫濕度傳感器、照度傳感器和風速傳感器，水質(zhì)傳感器又包括溶解氧傳感器、水溫傳 感器、濁度傳感器、PH值傳感器和電導率傳感器。對于氣象參數(shù)，主要測量溫濕度、照度和風速風向。溫濕度測量采用DHT22數(shù) 字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，該傳感器已經(jīng)過校準，測溫、測濕的精度分別為0. TC 和0. RH，它與CC2430之間通過單總線方式連接，節(jié)省端口且時序簡單；照度測量采用 ZD-Ol型照度變送器，它采用了對弱光也有較高靈敏度的硅蘭光伏探測器作為傳感元件，將 光照強度轉(zhuǎn)換為電流信號，再經(jīng)過運算放大器轉(zhuǎn)換為0 5V的標準信號經(jīng)處理器內(nèi)置的 ADC采樣，再換算為照度值，測量范圍為ILux 20000LUX，精度為士 5% ；風速風向測量采 用FC-5SX風速風向傳感器，傳感器的風杯、風標由高耐候性、高強度、防腐蝕和防水合金制 造，殼體使用鋁鎂合金成形，內(nèi)部電路均經(jīng)過噴涂三防漆處理，具有很好的耐惡劣環(huán)境的適 應(yīng)性，其輸出為0 5V電壓信號，由ADC采樣并轉(zhuǎn)換為風速風向值，風速測量范圍為0 50M/S，風向測量范圍為32方位角。多參數(shù)水質(zhì)傳感器采用如下方法自動測量水質(zhì)參量采用防水型DS18B20數(shù)字溫 度傳感器測量水溫；采用玻璃電極法測量PH值；采用電化學探頭法測量溶解氧；采用散射 法測量濁度；采用電極法測量電導率。藻類生物量傳感器采用熒光分析法進行測量，藍綠藻中的藻藍素接收波長為 590nm的照射光后可發(fā)出波長為650nm的熒光，發(fā)出熒光的強度與水中藻藍素的數(shù)量成正 比，通過測量光強度間接測量藍綠藻的含量。水質(zhì)和藻類傳感器輸出的電壓信號在變送器內(nèi)被放大，經(jīng)協(xié)處理器采樣并轉(zhuǎn)換為 對應(yīng)物理量的數(shù)字信號，通過RS-232接口送至處理器單元。由于目前國內(nèi)在集成化的水質(zhì) 參數(shù)傳感器的研發(fā)方面與發(fā)達國家仍有一定差距，考慮到對精度、可靠性和使用壽命的需 求，在實施例中采用美國HACH公司的HYDROLAB DS5水質(zhì)多功能探頭，它是一款便攜式監(jiān)測 儀器，可同時測量15個甚至更多的參數(shù)，由于其穩(wěn)定性高，使用方便，在國外被廣泛應(yīng)用于 湖泊、水庫、流域和海域的水質(zhì)監(jiān)測。本裝置采用兩個太陽能電源，給大功率的執(zhí)行器模塊與小功率的傳感器模塊獨立供電，減小相互干擾，提高穩(wěn)定性。電源模塊1采用一塊太陽能電池板給一個蓄電池充電，電源輸出為12V，并利用DC-DC轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成處理器控制單元、傳感器模塊和步進電機 旋轉(zhuǎn)控制單元所需的電壓；電源模塊2采用三塊太陽能電池板給三個蓄電池充電，輸出36V 電壓給執(zhí)行器模塊中的超聲裝置和曝氣裝置供電，該模塊通過電源監(jiān)控電路轉(zhuǎn)換成ADC接 受的標準電壓，由處理器監(jiān)控。上述太陽能電池板均采用10W、18V的太陽能電池板，上述蓄 電池均采用12V、7. 2Ah的蓄電池。超聲波換能器采用防水型水下功率超聲波換能器，輸出功率IOW 20W，有效輻射 范圍為50m 100m，水平浸沒于水面下10 20cm處。換能器的連接機構(gòu)與步進電機軸相 連，在單片機的控制下進行轉(zhuǎn)速可調(diào)的往復(fù)全向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度由與電機軸垂直連接的 轉(zhuǎn)向觸發(fā)金屬桿和兩組微動開關(guān)的位置決定。電機采用步距角為1.8度的混合式步進電 機，工作電壓為12V，電流為0. 4A，其細分驅(qū)動器采用TA8435設(shè)計，可以整步、半步、4細分和 8細分工作，它的使能、方向和驅(qū)動脈沖三個隔離輸入端由CC2430的I/O接口直接控制。超聲波換能器由超聲電源驅(qū)動。超聲電源采用他激式結(jié)構(gòu)，分為小信號模塊、功放 模塊、阻抗匹配模塊和反饋控制網(wǎng)絡(luò)模塊四部分。由于藻類細胞結(jié)構(gòu)的不同，其在不同頻率 的超聲波作用下表現(xiàn)出的效果也不同，通常采用的超聲波的頻率范圍為20 150kHz。他激 式結(jié)構(gòu)相比自激式功放具有模塊分明、信號級聯(lián)的特點，通過更換部分變壓器和電感可改 變功率源的頻率帶寬。小信號模塊以一片ATmega-SL單片機為核心，利用內(nèi)部定時器輸出 頻率和占空比可變的PWM波形，其頻率為換能器的諧振頻率，占空比反映了平均輸出功率 的大小，即采用PDM(脈沖比例調(diào)制)法控制輸出功率，該PWM波形由一片TPS2811放大并 輸出兩路反相信號，經(jīng)過隔離變壓器耦合后驅(qū)動全橋逆變電路中MOSFET管IRF840的開關(guān)。 逆變電路由蓄電池提供36V直流供電，放大輸出的兩路反相信號在阻抗匹配變壓器的初級 線圈處疊加并耦合至次級線圈，最后通過串聯(lián)的匹配電感傳輸至換能器。36V供電電源的輸出電壓和電流大小為超聲電源消耗的電功率，當換能器工作于 諧振狀態(tài)時輸出功率最大。ATmega-SL通過IA的電流互感器檢測輸出電流作為反饋信號， 可以實現(xiàn)換能器諧振頻率的掃頻搜索和動態(tài)頻率跟蹤，以提高超聲功率源的效率。超聲裝 置的工作時長由ATmega-SL定時實現(xiàn)，參數(shù)通過SPI接口從主處理器CC2430處獲得。曝氣裝置中的電動氣泵由36V蓄電池供電，向通下水中的導氣管送氣，導氣管與 水體具有較大的接觸面積，上面的多組插孔安裝帶有軟管的曝氣頭，曝氣軟管的長度根據(jù) 水體的深淺選擇。超聲和曝氣裝置不同時工作，工作狀態(tài)由處理器控制單元內(nèi)的雙刀雙擲繼電器控 制。本實用新型實施例的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。在實施時，由環(huán)形浮筒10將整個裝置 承托漂浮于水面上，水上部分包括太陽能電池板1 4和外儀器艙5，水下部分包括導氣管 17、水質(zhì)及藻類傳感器13和超聲波換能器16。太陽能電池板共有四塊，呈十字形水平放置，保證從各角度都可以接收到太陽的 輻照。四塊電池板的四條短邊圍成的正方形即為外儀器艙5的頂部，其上安裝有風速傳感 器6和照度傳感器7以及用于無線通信的射頻天線8，上述三種器件互不遮擋，并且較高的 離地距離可以使通信距離更遠，外儀器艙5頂層蓋板與三種器件的連接處密封以防滲水。 三種器件的正下方為處理器控制單元，在靠近外儀器艙5艙壁的一側(cè)安裝有溫濕度傳感器9，與該傳感器緊貼的艙壁，即在太陽能電池板2的正下方艙壁中心處開有氣孔，以便溫濕度傳感器9在測量外界空氣的濕度和溫度時不被陽光直射和雨水淋濕。三種氣象傳感器和 射頻通信模塊直接由處理器的I/O接口控制。環(huán)形浮筒10由中空或?qū)嵭牡南鹉z(如充氣的汽車輪胎)、高強度塑料或輕質(zhì)的復(fù) 合材料構(gòu)成。在環(huán)的內(nèi)部嵌套了圓柱形的內(nèi)儀器艙11，該儀器艙的上沿有外圈，其直徑大于 環(huán)形浮筒10的內(nèi)徑，保證內(nèi)儀器艙11不會從中滑落，在上述外圈四周分布有用于安裝蓋板 的螺孔和排水孔。外儀器艙5固定于內(nèi)儀器艙11的蓋板上，連接處密封以防水防腐蝕，蓋 板的中心開孔，供導線通過。浮筒內(nèi)儀器艙11內(nèi)部安裝有步進電機及旋轉(zhuǎn)控制裝置12、多 參數(shù)水質(zhì)及藻類傳感器13和36V電動氣泵14。如圖3所示是步進電機旋轉(zhuǎn)控制機構(gòu)的原 理結(jié)構(gòu)圖，步進電機1’軸朝下固定于艙體的中心位置，步進電機轉(zhuǎn)軸3’與底面的圓同心， 并與超聲波換能器16的連接桿通過聯(lián)軸器相連。換能器16的信號線和連接桿穿過與內(nèi)儀 器艙11底板密封聯(lián)接的防水套管內(nèi)，信號線預(yù)留的長度保證旋轉(zhuǎn)360度所需。儀器艙內(nèi)設(shè) 備的擺放要保證整個浮體的平衡，即浮體中心線與重心線重合，必要時可以在艙內(nèi)固定配 重物，使裝置浮于水面時不發(fā)生傾斜。多參數(shù)水質(zhì)及藻類傳感器13包含了傳感器探頭13-1、水下聲波反射板13-2和儀 器艙內(nèi)的變送器。由于超聲波換能器16安裝在內(nèi)儀器艙11的正下方，可以進行旋轉(zhuǎn)，而傳 感器探頭13-1集中位于一側(cè)，為了使傳感器探頭13-1的每個角度都可以接收到輻照，在換 能器與探頭軸線方向的外側(cè)安裝了聲波反射板13-2，反射的超聲波使探頭的外表面也得到清洗。曝氣裝置由36V直流氣泵14、水下的導氣管17以及多組曝氣軟管和曝氣頭構(gòu)成。 帶有軟管連接孔的導氣管17采用PVC管制作成正方的“C”型，四個頂點通過彎管接頭和三 通連接無孔的水管，并固定于內(nèi)儀器艙11的底部。四個固定點中，起始點為進氣口，與電動 氣泵14相連，其余三口均密封。當本裝置在陸地上放置時，導氣管17起到支架的作用，其 高度要高于傳感器探頭13-1、反射板13-2和換能器16的高度。在圖3中，步進電機1’的轉(zhuǎn)軸3’上垂直固定一根金屬桿2’，并在金屬桿2’掃過 范圍內(nèi)的同一垂直高度上反向固定一對微動開關(guān)4’，當電機轉(zhuǎn)軸3’逆時針轉(zhuǎn)動到該角度 時觸發(fā)內(nèi)側(cè)的開關(guān)，微動開關(guān)輸出導線5’接通，輸出一個開關(guān)量，處理器即控制步進電機 1，轉(zhuǎn)向，反之亦然。圖4是本實用新型實施例中外儀器艙的分層結(jié)構(gòu)示意圖。(a)、(b)、(c)分別對 應(yīng)外儀器艙5的上、中、下三層，三層采用隔板分離，隔板中心留有導線孔，各層的模塊固定 在如圖所示位置。上層中5-1_1為12V太陽能充電控制器，5-1-2為處理器單元，5-1-3為 36V太陽能充電控制器，5-1-4為步進電機驅(qū)動器；中層為是電池艙，四個12V蓄電池分別 為5-2-1至5-2-4，其中蓄電池5-2-2與5_2_3及5_2_4串聯(lián)構(gòu)成36V電源，與三塊串聯(lián)的 太陽能電池板及充電控制器5-1-3配套使用；蓄電池5-2-1單獨與一塊太陽能電池板和充 電控制器5-1-1配套構(gòu)成12V電源；下層安放超聲電源，其中5-3-1為超聲電源小信號板， 5-3-2為超聲電源功放板，5-3-3為超聲電源阻抗匹配模塊，5-3-4為超聲電源輸出接口及 反饋控制網(wǎng)絡(luò)模塊。圖5所示為本實用新型的工作流程圖。裝置上電開始工作后，首先對串口、定時 器、中斷、射頻模塊等進行初始化，選擇合適的波特率、定時喚醒周期和通信信道，然后嘗試和監(jiān)控中心建立連接，連接成功后中心將該節(jié)點裝置加入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò) ，節(jié)點通過本地定時和 外部查詢的方式工作，當沒有上述事件觸發(fā)中斷時，處理器單元進入空閑狀態(tài)以降低功耗； 如果檢測到中斷觸發(fā)，則判斷中斷類型；如果是本地的定時中斷，則首先判斷是否有正在執(zhí) 行的除藻任務(wù)，任務(wù)是否完成完成則檢測藻類的生物量，判斷是否需要繼續(xù)滅藻；沒有完 成，則執(zhí)行器繼續(xù)工作；當檢測到監(jiān)控中心發(fā)來的指令時，根據(jù)指令類型進行相應(yīng)的除藻或 傳感器讀取和數(shù)據(jù)發(fā)送工作。
權(quán)利要求一種藍藻水華實時監(jiān)控裝置，其特征在于包括GPRS模塊、處理器控制單元、射頻通信單元、射頻天線、執(zhí)行器模塊、傳感器模塊、電源監(jiān)控電路及電源模塊1和電源模塊2，所述執(zhí)行器模塊包括超聲電源、超聲波換能器、電動氣泵、水下曝氣管、步進電機驅(qū)動器和步進電機，超聲電源、電動氣泵和步進電機驅(qū)動器的輸出端分別對應(yīng)連接超聲波換能器、水下曝氣管和步進電機的輸入端，其中電源模塊1分別給GPRS模塊、射頻通信單元、處理器控制單元、傳感器模塊及執(zhí)行器模塊中的步進電機驅(qū)動器供電；電源模塊2的輸出端一路通過電源監(jiān)控電路與處理器控制單元的輸入端連接，另一路給執(zhí)行模塊中的超聲電源和電動氣泵供電；射頻天線連接射頻通信單元，射頻通信單元、GPRS模塊和傳感器模塊均與處理器控制單元雙向相連；處理器控制單元的輸出端分別與執(zhí)行器模塊中的超聲電源、電動氣泵和步進電機驅(qū)動器的輸入端連接；超聲波換能器與步進電機連接以完成全向旋轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藍藻水華實時監(jiān)控裝置，其特征在于所述電源模塊1由太 陽能電池板I、太陽能充電控制器1、蓄電池1和DC-DC轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，太陽能電池板I和蓄 電池1均連接太陽能充電控制器1，太陽能充電控制器1的輸出端連接DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸 入端，DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出端構(gòu)成電源模塊1的輸出端；所述電源模塊2由三塊太陽能電池 板、三個蓄電池和太陽能充電控制器2構(gòu)成，三塊太陽能電池板即太陽能電池板II、太陽能 電池板III、太陽能電池板IV，三個蓄電池即蓄電池2、蓄電池3、蓄電池4，三塊太陽能電池 板和三個蓄電池均連接太陽能充電控制器2，太陽能充電控制器2的輸出端構(gòu)成電源模塊2 的輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藍藻水華實時監(jiān)控裝置，其特征在于所述傳感器模塊包括 氣象傳感器、水質(zhì)傳感器和藻類傳感器，其中氣象傳感器又包括溫濕度傳感器、照度傳感 器和風速傳感器，水質(zhì)傳感器又包括溶解氧傳感器、水溫傳感器、濁度傳感器、PH值傳感器 和電導率傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的藍藻水華實時監(jiān)控裝置，其特征在于所述太陽能電池板I、 太陽能電池板II、太陽能電池板III、太陽能電池板IV均為18V太陽能電池板；所述蓄電池 1、蓄電池2、蓄電池3、蓄電池4均為12V蓄電池；所述太陽能充電控制器1為12V太陽能充 電控制器；所述太陽能充電控制器2為36V太陽能充電控制器。
專利摘要本實用新型公開了一種藍藻水華實時監(jiān)控裝置，屬無線監(jiān)控領(lǐng)域。該裝置主要包括GPRS模塊、射頻無線通信模塊、處理器控制單元、執(zhí)行器模塊、傳感器模塊和12V輸出電源及36V輸出電源，執(zhí)行器模塊包括超聲電源及超聲波換能器、電動氣泵及水下曝氣管、步進電機及其驅(qū)動器，傳感器模塊包括氣象傳感器、多參數(shù)水質(zhì)傳感器及藻類傳感器，電源主要由太陽能電池板及蓄電池構(gòu)成。本裝置能實時對所測水域的水質(zhì)進行監(jiān)測，并將采集的信息經(jīng)初步處理后通過GPRS或射頻通信技術(shù)傳送給監(jiān)控中心進行分析，監(jiān)控中心將處理信號下達回對應(yīng)節(jié)點，節(jié)點結(jié)合監(jiān)測結(jié)果利用執(zhí)行器對藍藻生長進行抑制。本裝置布點靈活、監(jiān)測精度高、監(jiān)測范圍廣，除藻方式環(huán)保且成本低。
文檔編號C02F7/00GK201569904SQ200920256719
公開日2010年9月1日 申請日期2009年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者張家華, 張振, 王慧斌, 黃煒 申請人:河海大學