小水域水质检测机器人装置设计

小水域水质检测机器人装置设计

小型水域水质检测机器人装置主要由浮台、电源、警报装置、数据采集装置、控制器、数据处理装置和云平台组成。该装置利用太阳能电池板通过太阳的光能转化为电能供电，利用多参数传感器测量多种水质参数，使小水域水环境得到全面的监控，并将传感器采集的数据通过无线的方式传输到云平台，实现远程控制，当装置发生偏移或者丢失，脱离一定的范围还会发出警报。本设计解决了如何实时检测指定水域内水质的技术问题，适用于小水域的水质检测，对于当前环境污染严重的情况下，淡水资源的保护和治理有着非常重要的意义。1目前我国水质检测系统存在的问题随着经济的发展，水环境污染问题日益突出，小水域水质的检测显得尤为重要。水质检测系统在20世纪国外就已迅速发展，早在1970年一些先进国家美国、英国、日本、德国都先后建立了水质自动检测系统，且已经有相当规模并被广泛使用。随着社会的发展、检测项目的不断增加，美国、英国、日本、德国等一些先进国家在水质检测技术方面已有了全面发展，检测手段更加完备，检测项目越来越广。相比这些先进国家，我国的发展要晚十几年，技术方面还存在一定差距，还仍然处于发展初级阶段，技术相对还不太成熟，面对一些先进国家的检测技术方面和我国的形势和需求，仍存在一些需要解决的问题：（1）水质检测信息处理及时性，针对性差，检测数据的处理仍然以手工为主，各级中心建立的检测数据库结构不统一，标准化程度低，信息处理的软硬件落后，不能实现按流域，按功能区的水量水质综合分析评价体系，不能满足新时期水资源管理与保护，水资源行政管理的要求；（2）检测数据缺乏准确性应用受到局限，且水质检测数据利用面不广、共享性不高，信息安全得不到保障；（3）研究开发能力比较低，常规的实验室水质检测和检测仪器性能不稳定，一致性较差，使用寿命短，故障率高，不能适应市场的需求；（4）自动水质检测站数量太少，缺乏自动测报能力，无法获得对重点水功能区主要水质检测的实时数据，更没有对突发性污染事故的预测、预报能力；（5）目前，国内所使用的在线检测设备大多仍依赖于进口，价格昂贵；如未经二次开发和技术转化而直接使用进口设备，不仅难以满足我国复杂水体及日益多样化的污染检测要求，还会影响数据的准确性及仪器的稳定性。因此，我国应当加大力度开发适合国内水质特征的在线检测设备。2数据采集装置本设计的小水域水质检测机器人装置结构框图如图1所示，其主要包括：浮台、电源、警报装置、数据采集装置、控制器、数据传输装置和云平台，浮台包括浮桶和内桶，电源、警报装置、数据采集装置、控制器和数据传输装置固定在内桶内，数据采集装置、警报装置和数据传输装置分别与控制器连接，电源与控制器连接，数据传输装置与云平台连接。其中，电源包括太阳能电池方阵，蓄电池、稳压装置和充放电控制器，太阳能电池方阵、稳压装置和充放电控制器均与蓄电池连接，充放电控制器与控制器连接。警报装置包括GPS装置和警报发生器，GPS装置和警报发生器均与控制器连接。数据采集装置包括多个水质多参数测量传感器，水质多参数测量传感器固定在浮台内部。浮台包括防水半球和浮桶，防水半球与浮桶的顶部活动连接，浮桶内设有泡沫内芯，防水半球的内部设有太阳能半球，太阳能半球表面固定有太阳能电池组，内桶设置在浮桶内，数据采集装置固定在内筒内。蓄电池固定在浮桶的底部。在使用该小水域水质检测机器人时，将浮台放置在需要测试水质的水域中，控制器控制设置在浮台中的数据采集装置采集水质数据，并通过数据传输装置将采集到的水质数据传输到云平台，用户通过云平台查看水质数据，实现实时监测指定水域的水质的技术问题，设置警报装置后，当机器人在水域中进行水质检测的途中，发生被水流带走的情况时，能够通过警报装置得知机器人偏离预设的水域，避免测得的数据不准确。另外，此装置还包括定时器，定时器分别与电源和控制器连接，控制器用于在数据采集装置工作7min后，将数据采集装置转换到休眠状态，并在23min后将数据采集装置重复转换到工作状态。防水板球的顶部设有信号灯，信号灯包括3种预设状态，3种状态包括正常工作状态、休眠状态和异常状态，信号灯与所述控制器连接。其立体结构示意图如图2所示。2.1电源系统设计本设计电源系统主要依靠太阳能电池板将太阳能转化为直流电，通过充放电控制器一部分供系统负载直接使用，另一部分存储到蓄电池中，供装置在夜晚或者阴天下雨没有太阳光的情况下使用。电源包括太阳能电池方阵，蓄电池、稳压装置和充放电控制器，本设计中的电源还包括MPPT智能太阳能充电控制器，其光伏输入电压范围为14-25V，输出到蓄电池电压为13.8V(供12V蓄电池充电)，PWM转换效率可达97%MAX；稳压装置包括3.3V、5V以及12-24V三个类型，12V转3.3V、5V采用同一类型的降压模块，12V转24V的升压模块；蓄电池为蓄电池组，具体为两块12V、12AH的铅酸蓄电池；太阳能电池方阵为单片规格为0.5W/2V/250MA的太阳能电池片，在忽略充电损耗的情况下，按每天有效日照时间6h计算，则单块太阳能电池板的日发电量为：0.5W*6h=3WH，其中，本设计中的机器人日耗电量为P=24WH，因此需要至少8块0.5w的太阳能电池片组成太阳能电池组。电源系统的核心部分太阳能充放电控制器的设计，与系统工作的电压和太阳能电池充电电流相关，充放电控制器的工作电压不能小于系统的工作电压，且电流不低于电池充电电流。另外太阳能充放电控制器的设计充电快、稳定性相对高，且具有电路保护功能。2.2预报装置警报装置包括GPS装置和警报发生器，GPS装置和警报发生器均与控制器连接。警报装置在机器人脱离预设范围后，会发出警报提示用户，其中，警报发生器可以为蜂鸣器，具体为FSR-1404L蜂鸣器，GPS装置为GT720定位终端。在机器人的位置发生偏移或者丢失后，能够在发出警报的同时提示机器人的方位。2.3采集模块的设计数据采集装置包括6个水质多参数测量传感器，水质多参数测量传感器固定在浮台内部。本设计中的水质多参数测量传感器所测的参数可以包括pH、NH4-N、电导率、温度、盐度、浊度、NTU、叶绿素a、藻蓝蛋白、溶解氧和温度，具体可以参见下表1所示。相比只设置一个水质多参数测量传感器的方案，本设计综合多个水质多参数测量传感器检测到的数据得到水质检测结果更加准确。由于不需要实时数据传送，因此设置采集模块为间歇式工作模式。在不发送数据的情况下各模块进入休眠模式。主程序完成系统初始化之后需要有两分钟时间唤醒采集系统各模块，之后需要一分钟待数据稳定之后进行数据采集发送。数据发送完毕之后系统自动有两分钟时间进去休眠模式，之后判断距离上次发送数据是否30分钟，若已达到30分钟自动唤醒系统进行数据采集发送。数据采集传感器模块程序流程图如图3所示。2.4物联网传输模块数据传输模块主要功能是将传感器采集的数据通过无线的方式传输到云平台。本设计采用NB-IOT无线通讯系统。系统初始化后通讯系统进入待机状态。程序判断是否接收数据，若不接收则进入待机状态，若接收系统将接收到的数据发送到云平台进行监控。NB-IOT无线通讯模块流程图如图4所示。窄带物联网（NarrowBandInternetofThings,NB-IoT）是一种低功耗广域网的蜂窝数据连接，由3GPP（第三代伙伴计划协议）标准化组织定义的一种技术标准得名于物联网专用窄带射频技术。NB-IOT有着室内覆盖、成本低廉、低功耗和广泛连接的特点，可应用于GSM网络和LTE网络，没有统一的物联网标准。由于水质信息不会短时间内发生跃变，这就使得本设计的数据是非硬实时更新，充分利用NB-IOT的低功耗性能降低建设成本。由于该系统的数据流向不需要过多的双向通信，只需要云平台单一的接收数据，因此在一定程度上减低了通信费用。数据传输模块主要是通过NB-IOT技术无线传输，控制器将传感器采集到的水质数据传输到云平台进行数据储存和管理，同时接受管理平台发送的控制指令控制检测装置。数据采集及数据传输的周期设定为30分钟，而WH-NB73模块在无数据发送时处于脱网状态，降低系统的功耗。当主控线程执行至采集定时周期时，系统附着至电信网络，电信网络将收到的数据解析至透传云部署的用户应用程序，以此实现水质信息的在线检测。2.5内桶和内桶设计浮台包括防水半球和浮桶，防水半球与浮桶的顶部活动连接，浮桶和防水半球的连接方式为卡扣连接，卡扣包括搭边锁扣、铝合金紧扣环、硅胶垫和尼龙紧固环，同时在浮台的接口处设有浮桶硅胶垫和内桶硅胶垫；浮桶内设有泡沫内芯，防水半球的内部设有太阳能半球，太阳能半球表面固定有所述太阳能电池组，内桶设置在浮桶内，数据采集装置固定在内筒内。将太阳能半球设置在防水半球内部能够防止太阳能半球在工作的时候被水浸泡，同时，相比平面的太阳能电池板，半球形的太阳能电池板能够防止装置在长期使用中有遮挡物对太阳能电池板造成阴影，而产生热斑效应，浮台的顶部采用球面状。并且球面状顶部有利于太阳光入射角垂直照射在太阳能电池板上，可保证太阳能电池板充分吸收太阳光，有利于装置的稳定持续工作；防水半球与浮桶活动连接后，方便装置在水上作业时检修和维护。3数据传输装置随着经济的发展，水环境污染问题日益突出，水质质量的检测显得尤为重要。本小水域水质检测机器人装置浮台整体流线性较好，抗风浪能力较强。供电系统由太阳能电池方阵，蓄电池容量，稳压模块和充放电控制器组成，太阳能直接转化为直流电供负载使用，可保障不间断供电。当装置发生偏