小水域水質(zhì)檢測(cè)機(jī)器人裝置設(shè)計(jì)

小水域水質(zhì)檢測(cè)機(jī)器人裝置設(shè)計(jì)

小型水域水質(zhì)檢測(cè)機(jī)器人裝置主要由浮臺(tái)、電源、警報(bào)裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、控制器、數(shù)據(jù)處理裝置和云平臺(tái)組成。該裝置利用太陽(yáng)能電池板通過(guò)太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)化為電能供電，利用多參數(shù)傳感器測(cè)量多種水質(zhì)參數(shù)，使小水域水環(huán)境得到全面的監(jiān)控，并將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線的方式傳輸?shù)皆破脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，當(dāng)裝置發(fā)生偏移或者丟失，脫離一定的范圍還會(huì)發(fā)出警報(bào)。本設(shè)計(jì)解決了如何實(shí)時(shí)檢測(cè)指定水域內(nèi)水質(zhì)的技術(shù)問(wèn)題，適用于小水域的水質(zhì)檢測(cè)，對(duì)于當(dāng)前環(huán)境污染嚴(yán)重的情況下，淡水資源的保護(hù)和治理有著非常重要的意義。1目前我國(guó)水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)存在的問(wèn)題隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，小水域水質(zhì)的檢測(cè)顯得尤為重要。水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)在20世紀(jì)國(guó)外就已迅速發(fā)展，早在1970年一些先進(jìn)國(guó)家美國(guó)、英國(guó)、日本、德國(guó)都先后建立了水質(zhì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，且已經(jīng)有相當(dāng)規(guī)模并被廣泛使用。隨著社會(huì)的發(fā)展、檢測(cè)項(xiàng)目的不斷增加，美國(guó)、英國(guó)、日本、德國(guó)等一些先進(jìn)國(guó)家在水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)方面已有了全面發(fā)展，檢測(cè)手段更加完備，檢測(cè)項(xiàng)目越來(lái)越廣。相比這些先進(jìn)國(guó)家，我國(guó)的發(fā)展要晚十幾年，技術(shù)方面還存在一定差距，還仍然處于發(fā)展初級(jí)階段，技術(shù)相對(duì)還不太成熟，面對(duì)一些先進(jìn)國(guó)家的檢測(cè)技術(shù)方面和我國(guó)的形勢(shì)和需求，仍存在一些需要解決的問(wèn)題：（1）水質(zhì)檢測(cè)信息處理及時(shí)性，針對(duì)性差，檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理仍然以手工為主，各級(jí)中心建立的檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，信息處理的軟硬件落后，不能實(shí)現(xiàn)按流域，按功能區(qū)的水量水質(zhì)綜合分析評(píng)價(jià)體系，不能滿足新時(shí)期水資源管理與保護(hù)，水資源行政管理的要求；（2）檢測(cè)數(shù)據(jù)缺乏準(zhǔn)確性應(yīng)用受到局限，且水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)利用面不廣、共享性不高，信息安全得不到保障；（3）研究開發(fā)能力比較低，常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)檢測(cè)和檢測(cè)儀器性能不穩(wěn)定，一致性較差，使用壽命短，故障率高，不能適應(yīng)市場(chǎng)的需求；（4）自動(dòng)水質(zhì)檢測(cè)站數(shù)量太少，缺乏自動(dòng)測(cè)報(bào)能力，無(wú)法獲得對(duì)重點(diǎn)水功能區(qū)主要水質(zhì)檢測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，更沒(méi)有對(duì)突發(fā)性污染事故的預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)能力；（5）目前，國(guó)內(nèi)所使用的在線檢測(cè)設(shè)備大多仍依賴于進(jìn)口，價(jià)格昂貴；如未經(jīng)二次開發(fā)和技術(shù)轉(zhuǎn)化而直接使用進(jìn)口設(shè)備，不僅難以滿足我國(guó)復(fù)雜水體及日益多樣化的污染檢測(cè)要求，還會(huì)影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及儀器的穩(wěn)定性。因此，我國(guó)應(yīng)當(dāng)加大力度開發(fā)適合國(guó)內(nèi)水質(zhì)特征的在線檢測(cè)設(shè)備。2數(shù)據(jù)采集裝置本設(shè)計(jì)的小水域水質(zhì)檢測(cè)機(jī)器人裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其主要包括：浮臺(tái)、電源、警報(bào)裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、控制器、數(shù)據(jù)傳輸裝置和云平臺(tái)，浮臺(tái)包括浮桶和內(nèi)桶，電源、警報(bào)裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、控制器和數(shù)據(jù)傳輸裝置固定在內(nèi)桶內(nèi)，數(shù)據(jù)采集裝置、警報(bào)裝置和數(shù)據(jù)傳輸裝置分別與控制器連接，電源與控制器連接，數(shù)據(jù)傳輸裝置與云平臺(tái)連接。其中，電源包括太陽(yáng)能電池方陣，蓄電池、穩(wěn)壓裝置和充放電控制器，太陽(yáng)能電池方陣、穩(wěn)壓裝置和充放電控制器均與蓄電池連接，充放電控制器與控制器連接。警報(bào)裝置包括GPS裝置和警報(bào)發(fā)生器，GPS裝置和警報(bào)發(fā)生器均與控制器連接。數(shù)據(jù)采集裝置包括多個(gè)水質(zhì)多參數(shù)測(cè)量傳感器，水質(zhì)多參數(shù)測(cè)量傳感器固定在浮臺(tái)內(nèi)部。浮臺(tái)包括防水半球和浮桶，防水半球與浮桶的頂部活動(dòng)連接，浮桶內(nèi)設(shè)有泡沫內(nèi)芯，防水半球的內(nèi)部設(shè)有太陽(yáng)能半球，太陽(yáng)能半球表面固定有太陽(yáng)能電池組，內(nèi)桶設(shè)置在浮桶內(nèi)，數(shù)據(jù)采集裝置固定在內(nèi)筒內(nèi)。蓄電池固定在浮桶的底部。在使用該小水域水質(zhì)檢測(cè)機(jī)器人時(shí)，將浮臺(tái)放置在需要測(cè)試水質(zhì)的水域中，控制器控制設(shè)置在浮臺(tái)中的數(shù)據(jù)采集裝置采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸裝置將采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，用戶通過(guò)云平臺(tái)查看水質(zhì)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指定水域的水質(zhì)的技術(shù)問(wèn)題，設(shè)置警報(bào)裝置后，當(dāng)機(jī)器人在水域中進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)的途中，發(fā)生被水流帶走的情況時(shí)，能夠通過(guò)警報(bào)裝置得知機(jī)器人偏離預(yù)設(shè)的水域，避免測(cè)得的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。另外，此裝置還包括定時(shí)器，定時(shí)器分別與電源和控制器連接，控制器用于在數(shù)據(jù)采集裝置工作7min后，將數(shù)據(jù)采集裝置轉(zhuǎn)換到休眠狀態(tài)，并在23min后將數(shù)據(jù)采集裝置重復(fù)轉(zhuǎn)換到工作狀態(tài)。防水板球的頂部設(shè)有信號(hào)燈，信號(hào)燈包括3種預(yù)設(shè)狀態(tài)，3種狀態(tài)包括正常工作狀態(tài)、休眠狀態(tài)和異常狀態(tài)，信號(hào)燈與所述控制器連接。其立體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。2.1電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)主要依靠太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電，通過(guò)充放電控制器一部分供系統(tǒng)負(fù)載直接使用，另一部分存儲(chǔ)到蓄電池中，供裝置在夜晚或者陰天下雨沒(méi)有太陽(yáng)光的情況下使用。電源包括太陽(yáng)能電池方陣，蓄電池、穩(wěn)壓裝置和充放電控制器，本設(shè)計(jì)中的電源還包括MPPT智能太陽(yáng)能充電控制器，其光伏輸入電壓范圍為14-25V，輸出到蓄電池電壓為13.8V(供12V蓄電池充電)，PWM轉(zhuǎn)換效率可達(dá)97%MAX；穩(wěn)壓裝置包括3.3V、5V以及12-24V三個(gè)類型，12V轉(zhuǎn)3.3V、5V采用同一類型的降壓模塊，12V轉(zhuǎn)24V的升壓模塊；蓄電池為蓄電池組，具體為兩塊12V、12AH的鉛酸蓄電池；太陽(yáng)能電池方陣為單片規(guī)格為0.5W/2V/250MA的太陽(yáng)能電池片，在忽略充電損耗的情況下，按每天有效日照時(shí)間6h計(jì)算，則單塊太陽(yáng)能電池板的日發(fā)電量為：0.5W*6h=3WH，其中，本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人日耗電量為P=24WH，因此需要至少8塊0.5w的太陽(yáng)能電池片組成太陽(yáng)能電池組。電源系統(tǒng)的核心部分太陽(yáng)能充放電控制器的設(shè)計(jì)，與系統(tǒng)工作的電壓和太陽(yáng)能電池充電電流相關(guān)，充放電控制器的工作電壓不能小于系統(tǒng)的工作電壓，且電流不低于電池充電電流。另外太陽(yáng)能充放電控制器的設(shè)計(jì)充電快、穩(wěn)定性相對(duì)高，且具有電路保護(hù)功能。2.2預(yù)報(bào)裝置警報(bào)裝置包括GPS裝置和警報(bào)發(fā)生器，GPS裝置和警報(bào)發(fā)生器均與控制器連接。警報(bào)裝置在機(jī)器人脫離預(yù)設(shè)范圍后，會(huì)發(fā)出警報(bào)提示用戶，其中，警報(bào)發(fā)生器可以為蜂鳴器，具體為FSR-1404L蜂鳴器，GPS裝置為GT720定位終端。在機(jī)器人的位置發(fā)生偏移或者丟失后，能夠在發(fā)出警報(bào)的同時(shí)提示機(jī)器人的方位。2.3采集模塊的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集裝置包括6個(gè)水質(zhì)多參數(shù)測(cè)量傳感器，水質(zhì)多參數(shù)測(cè)量傳感器固定在浮臺(tái)內(nèi)部。本設(shè)計(jì)中的水質(zhì)多參數(shù)測(cè)量傳感器所測(cè)的參數(shù)可以包括pH、NH4-N、電導(dǎo)率、溫度、鹽度、濁度、NTU、葉綠素a、藻藍(lán)蛋白、溶解氧和溫度，具體可以參見下表1所示。相比只設(shè)置一個(gè)水質(zhì)多參數(shù)測(cè)量傳感器的方案，本設(shè)計(jì)綜合多個(gè)水質(zhì)多參數(shù)測(cè)量傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)得到水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。由于不需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送，因此設(shè)置采集模塊為間歇式工作模式。在不發(fā)送數(shù)據(jù)的情況下各模塊進(jìn)入休眠模式。主程序完成系統(tǒng)初始化之后需要有兩分鐘時(shí)間喚醒采集系統(tǒng)各模塊，之后需要一分鐘待數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢之后系統(tǒng)自動(dòng)有兩分鐘時(shí)間進(jìn)去休眠模式，之后判斷距離上次發(fā)送數(shù)據(jù)是否30分鐘，若已達(dá)到30分鐘自動(dòng)喚醒系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集發(fā)送。數(shù)據(jù)采集傳感器模塊程序流程圖如圖3所示。2.4物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊數(shù)據(jù)傳輸模塊主要功能是將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線的方式傳輸?shù)皆破脚_(tái)。本設(shè)計(jì)采用NB-IOT無(wú)線通訊系統(tǒng)。系統(tǒng)初始化后通訊系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。程序判斷是否接收數(shù)據(jù)，若不接收則進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，若接收系統(tǒng)將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控。NB-IOT無(wú)線通訊模塊流程圖如圖4所示。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NarrowBandInternetofThings,NB-IoT）是一種低功耗廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，由3GPP（第三代伙伴計(jì)劃協(xié)議）標(biāo)準(zhǔn)化組織定義的一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)得名于物聯(lián)網(wǎng)專用窄帶射頻技術(shù)。NB-IOT有著室內(nèi)覆蓋、成本低廉、低功耗和廣泛連接的特點(diǎn)，可應(yīng)用于GSM網(wǎng)絡(luò)和LTE網(wǎng)絡(luò)，沒(méi)有統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。由于水質(zhì)信息不會(huì)短時(shí)間內(nèi)發(fā)生躍變，這就使得本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)是非硬實(shí)時(shí)更新，充分利用NB-IOT的低功耗性能降低建設(shè)成本。由于該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向不需要過(guò)多的雙向通信，只需要云平臺(tái)單一的接收數(shù)據(jù)，因此在一定程度上減低了通信費(fèi)用。數(shù)據(jù)傳輸模塊主要是通過(guò)NB-IOT技術(shù)無(wú)線傳輸，控制器將傳感器采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和管理，同時(shí)接受管理平臺(tái)發(fā)送的控制指令控制檢測(cè)裝置。數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹芷谠O(shè)定為30分鐘，而WH-NB73模塊在無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)處于脫網(wǎng)狀態(tài)，降低系統(tǒng)的功耗。當(dāng)主控線程執(zhí)行至采集定時(shí)周期時(shí)，系統(tǒng)附著至電信網(wǎng)絡(luò)，電信網(wǎng)絡(luò)將收到的數(shù)據(jù)解析至透?jìng)髟撇渴鸬挠脩魬?yīng)用程序，以此實(shí)現(xiàn)水質(zhì)信息的在線檢測(cè)。2.5內(nèi)桶和內(nèi)桶設(shè)計(jì)浮臺(tái)包括防水半球和浮桶，防水半球與浮桶的頂部活動(dòng)連接，浮桶和防水半球的連接方式為卡扣連接，卡扣包括搭邊鎖扣、鋁合金緊扣環(huán)、硅膠墊和尼龍緊固環(huán)，同時(shí)在浮臺(tái)的接口處設(shè)有浮桶硅膠墊和內(nèi)桶硅膠墊；浮桶內(nèi)設(shè)有泡沫內(nèi)芯，防水半球的內(nèi)部設(shè)有太陽(yáng)能半球，太陽(yáng)能半球表面固定有所述太陽(yáng)能電池組，內(nèi)桶設(shè)置在浮桶內(nèi)，數(shù)據(jù)采集裝置固定在內(nèi)筒內(nèi)。將太陽(yáng)能半球設(shè)置在防水半球內(nèi)部能夠防止太陽(yáng)能半球在工作的時(shí)候被水浸泡，同時(shí)，相比平面的太陽(yáng)能電池板，半球形的太陽(yáng)能電池板能夠防止裝置在長(zhǎng)期使用中有遮擋物對(duì)太陽(yáng)能電池板造成陰影，而產(chǎn)生熱斑效應(yīng)，浮臺(tái)的頂部采用球面狀。并且球面狀頂部有利于太陽(yáng)光入射角垂直照射在太陽(yáng)能電池板上，可保證太陽(yáng)能電池板充分吸收太陽(yáng)光，有利于裝置的穩(wěn)定持續(xù)工作；防水半球與浮桶活動(dòng)連接后，方便裝置在水上作業(yè)時(shí)檢修和維護(hù)。3數(shù)據(jù)傳輸裝置隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，水質(zhì)質(zhì)量的檢測(cè)顯得尤為重要。本小水域水質(zhì)檢測(cè)機(jī)器人裝置浮臺(tái)整體流線性較好，抗風(fēng)浪能力較強(qiáng)。供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池方陣，蓄電池容量，穩(wěn)壓模塊和充放電控制器組成，太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為直流電供負(fù)載使用，可保障不間斷供電。當(dāng)裝置發(fā)生偏