一种水光互补能量的全天候水文监测系统

1.本发明涉及水文监测技术领域，具体是一种水光互补能量的全天候水文监测系统。


背景技术：

2.水文监测主要用于监视河流、湖泊、水库的水利运行情况，其通过各种探测器，探测到水利的温度、湿度、风速、风向、雨量、水质、水流速、水量、视频图像或图片等数字化信息，通过gprs/cdma通道，上传到在线监测监视中心，进而能够及时反应各水域的水文特征，以便相关部门做出安排，防范洪涝灾害事故的发生。
3.现有的水文检测设备大多采用巡测车、水文测量船、水位观测设备或单独的传感器。其中，巡测车不仅设备成本高，而且油电损耗，并且无法进行长时间监测。水文测量船虽然设备成本较低，但是其同样具有油电损耗、监测时长短等问题。而水位观测设备与单独的传感器虽然可以降低油点损耗且监测时间长，但是水位观测设备的成本都较高，而单独的传感器往往不具有良好实时传输性能，无法实现在线监测。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中水文监测设备均无法同时满足低成本、能量自持、全天候在线监测的问题，本发明提供一种水光互补能量的全天候水文监测系统，利用水力发电与太阳能发电为系统供电，做到水光互补绿色发电，实现24h全天候水文监测。
5.为实现上述目的，本发明提供一种水光互补能量的全天候水文监测系统，包括：
6.漂浮单元，包括漂浮件以及设在所述漂浮件上的电气盒；
7.水文监测单元，设在所述电气盒内，包括摄像头以及若干水文监测传感器，其中，所述摄像头的镜头朝下布置，各所述水文监测传感器的探头穿过所述电气盒底部后位于所述电气盒下方；
8.控制单元，设在所述电气盒内，与所述水文监测单元以及上位机电连接，用于进行水文监测控制；
9.蓄电单元，设在所述电气盒内，且与所述水文监测单元、所述控制单元电连接，用于为所述水文监测单元供电；
10.水力发电单元，通过连接绳连接在所述漂浮件下方，且与所述蓄电单元电连接，用于利于水力发电；
11.太阳能发电单元，设在所述电气盒顶部，且与所述蓄电单元电连接，用于利于太阳能发电。
12.在其中一个实施例，还包括锚定单元，所述锚定单元通过连接绳连接在所述水力发电单元下方，用于将整个监测系统锚定在河床上。
13.在其中一个实施例，还包括锚定单元，所述水力发电单元的数量为多个；
14.各所述水力发电单元从上至下依次通过连接绳相连，其中，最上方的水力发电单
元通过连接绳连接在所述漂浮件下方，所述锚定单元通过连接绳连接在最下方的水力发电单元的底部。
15.在其中一个实施例，所述水力发电单元包括发电机、浮漂与叶轮；
16.所述发电机与所述蓄电单元电连接，所述叶轮固定连接在所述发电机的转动端，所述浮漂通过连接绳与所述发电机相连，以使得所述发电机悬浮在水中。
17.在其中一个实施例，所述水力发电单元还包括整流罩、叶轮保护罩与安定板；
18.所述叶轮保护罩为圆形框架结构，所述整流罩连接在所述叶轮保护罩的一端，所述安定板通过连接筒连接在所述叶轮保护罩的另一端，所述叶轮设在所述叶轮保护罩内；
19.所述整流罩为类头锥结构，所述整流罩的封闭端位于所述叶轮保护罩外且为锥形结构，所述整流罩的开口端与发电机底端相连，所述发电机设在所述整流罩内；
20.所述整流罩、所述叶轮保护罩、所述连接筒的轴线重合，所述浮漂通过连接绳与所述整流罩或所述叶轮保护罩相连。
21.在其中一个实施例，所述太阳能发电单元为设在所述电气盒顶部的太阳能板。
22.在其中一个实施例，所述蓄电单元包括蓄电电路板、蓄电池组、保护器与均衡器；
23.所述蓄电电路板上设有依次电连的发电输入端、防反接模块、mppt模块、防反流模块、dc-dc降压模块与发电输出端，所述发电输入端分别与所述水力发电单元、所述太阳能发电单元电连接，所述发电输出端与所述蓄电池组电连接；
24.所述保护器、所述均衡器均与所述蓄电池组电连接。
25.在其中一个实施例，所述漂浮件上设有角速度传感器，所述角速度传感器分别与所述蓄电单元、所述控制单元电连。
26.本发明提供的一种水光互补能量的全天候水文监测系统，具有如下有益技术效果：
27.1、低成本：采用成熟的货架产品，成本低，功能可靠，性价比高，能够为系统提供持续、稳定的发电输入，为河流保护提供低成本的监测设备；
28.2、采用绿色能源供能：利用水流动能与太阳能发电为水文监测供能，能量闭环，自给自足，挖掘绿色能源的潜在价值，符合节能减排的理念；
29.3、实现全天候在线监测：水光互补的发电形式，实现系统的高度自维持性，从而进行无间断在线监测，具有市场推广价值。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出的结构获得其他的附图。
31.图1为本发明实施例中全天候水文监测系统的整体轴测图；
32.图2为本发明实施例中水力发电单元的轴测图；
33.图3为本发明实施例中水力发电单元的爆炸图；
34.图4为本发明实施例中漂浮单元的内部结构剖视图；
35.图5为本发明实施例中全天候水文监测系统的工作流程图。
36.附图标号：漂浮单元1、漂浮件101、电气盒102、反光条103、太阳能发电单元2、水力发电单元3、发电机301、浮漂302、叶轮303、整流罩304、叶轮保护罩305、安定板306、连接筒307、锚定单元4、连接绳5、水文监测单元6、控制单元7、蓄电单元8。
37.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
40.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
41.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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发明中的具体含义。
42.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
43.本实施例公开了一种水光互补能量的全天候水文监测系统，该水文监测系统在环境太阳光能弱的情况下，水力发电为主要能量来源，在水域流速低时，太阳能发电为主要能量来源，起到水光互补的作用。参考图1-5，该水文监测系统其主要包括漂浮单元1、水文监测单元6、控制单元7、蓄电单元8、水力发电单元3、太阳能发电单元2与锚定单元4。
44.漂浮单元1由包括漂浮件101与电气盒102组成。其中，漂浮件101为气囊结构，电气盒102为一通过绑扎绳固定在漂浮件101顶部的立方体结构，使得电气盒102能够在漂浮件101的作用下漂浮在水面上，且电气盒102侧部表面贴敷反光条103。
45.具体地，水文监测单元6、控制单元7、蓄电单元8以及太阳能发电单元2均搭载在电气盒102上，水力发电单元3则通过连接绳5连接在漂浮件101下方，锚定单元4为通过连接绳5连接在水力发电单元3下方的金属锚。在使用过程中，锚定单元4落在河床上，漂浮单元1搭载着水文监测单元6、控制单元7、蓄电单元8以及太阳能发电单元2漂浮在河面上，水力发电单元3则悬浮在水中。
46.水文监测单元6包括摄像头以及若干水文监测传感器，其中，摄像头的镜头穿过电气盒102底部朝下布置，用于拍摄河面水质照片。各水文监测传感器的探头同样穿过电气盒
102底部后伸入水中，进而完成水文监测。需要注意的是，根据不同的河流情况，可以选择搭载不同类型的水文监测传感器，例如浊度传感器、温度传感器、ph传感器、tds传感器等。
47.蓄电单元8主要用于储存水力发电单元3与太阳能发电单元2产生的电能，并用于整个监测系统的供电。本实施例中，蓄电单元8包括蓄电电路板、蓄电池组、保护器与均衡器，蓄电电路板上具有发电输入端与发电输出端，发电输入端分别与水力发电单元3、太阳能发电单元2电连接，发电输出端与蓄电池组电连接。
48.在具体实施过程中，在蓄电电路板发电输入端采用成熟的最大功率点跟踪(maximum power point tracking，mppt)技术，即mppt模块，能够在稳压稳流的前提下以最大功率点提供发电输出，提高发电性能。且蓄电电路板上搭载有防反接模块、防反流模块(即大功率二极管)以及dc-dc降压模块，能够保证在电池充电端提供稳定的供电。其中，防反接模块、mppt模块、防反流模块以及dc-dc降压模块均为较为成熟的技术手段，因此本实施例中不再对其进行赘述。蓄电池组为串联的18650锂电池组，无记忆效应，在电池端采用保护器与均衡器进行双重保护，防止蓄电池组过流、过充、过放。并且采用成熟的不间断电源(uninterruptible power supply)模块，使系统安全地实现在通过发电系统充电的同时能够给系统的水文监测应用供电。
49.参考图5，本实施例中蓄电单元8的工作过程为：首先水力发电单元、太阳能发电单元受水流、光照产生直流电，经导线。发电输入端传输至蓄电电路板。经过整流桥后依次经过防反接模块、mppt模块、防反流模块后经由发电输出端输出，经过保护器与均衡器后完成蓄电池组的充电。随后蓄电池组在保护器与均衡器的双重保护下，对整个系统进行供电。
50.本实施例中，太阳能发电单元2为贴敷于电气盒102顶部的太阳能板，太阳能板通过导线与蓄电电路板的发电输入端相连，进而可以接收太阳光能后产生直流电输入蓄电单元8。
51.本实施例中，水力发电单元3为一种随流式的发电单元放置形式。具体地，水力发电单元3包括发电机301、浮漂302、叶轮303、整流罩304、叶轮保护罩305与安定板306。其中，发电机301为防水直流电机，且发电机301通过导线与蓄电电路板的发电输入端相连，叶轮303固定连接在发电机301的转动端上，进而当水流垂直于叶轮303流过时，带动叶轮303转动从而带动发电机301发电，并通过导线将产生直流电输入蓄电单元8。整流罩304为一端封闭、另一端开口的类头锥结构，且整流罩304的封闭端为锥形结构。整流罩304用于罩设在发电机301上，且其封闭端朝向水流的来向，进而避免发电机301绕流偏转。叶轮保护罩305为罩设在叶轮303上的圆形框架结构，用于避免水藻等浮游生物缠绕叶轮303影响发电。整流罩304连接在叶轮保护罩305的一端，且整流罩304的开口端伸入至叶轮保护罩305内，使得发电机301的转动端能够伸出开口端与叶轮303相连；安定板306则通过一连接筒307安装在叶轮保护罩305的另一端。其中，连接筒307为亚克力圆筒，且连接筒307、发电机301、整流罩304、叶轮303、叶轮保护罩305的轴线均重合。具体地，安定板306为一等边三角板，安装时安定板306的一个顶角插入连接筒307，且连接筒307的轴线与安定板306的一条中线重合，进而使得安定板306可以控制叶轮303始终与水流方向垂直。漂浮为一气囊，漂浮通过连接绳5与整流罩304或叶轮保护罩305相连，使漂浮的作用力通过发电机301质心，在与安定板306的共同作用下使得发电机301在水流中保持平放姿态。
52.作为优选地实施方式，水文监测系统中水力发电单元3可以为多个，各水力发电单
元3从上至下依次通过连接绳5相连，其中，最上方的水力发电单元3通过连接绳5连接在漂浮件101下方，锚定单元4通过连接绳5连接在最下方的水力发电单元3的底部。因此可以根据监测河流的实际光照情况，选择合适数量的水力发电单元3来实现全天候水文监测。
53.需要注意的是，本实施例中水力发电单元3之间的连接绳5，以及水力发电单元3与锚定单元4、漂浮单元1之间的连接绳5，都可以采用线绳与卡扣的连接方式，使得连接绳5的长度可调，实现低成本模块化，使得本实施例中的水文监测系统能适用于不同深度的水域，做到按需调整。而发电机301与蓄电单元8之间的导线采用弹簧电线，可以防止过大的水流速度使得电线受力过大从而绷断或从焊点脱落，起到很好的缓冲作用。
54.本实施例中，控制单元7与水文监测单元6以及上位机电连接，主要用于将水文监测单元6监测的数据上传至上位机。参考图5，具体到本实施例中，控制单元7采用单片机，水文监测传感器主要包括浊度传感器与ph传感器，因此控制单元7的工作过程为：当浊度传感器或ph传感器检测到浊度或ph值超过设定阈值时，单片机将向上位机发送报警信息，此时用于可操作上位机调用摄像头离线缓存的监控画面，起到监控与追污溯源的作用。此外，上位机还可以通过主动发送指令获取实时的浊度数据及控制摄像头的舵机调整摄像头的拍摄方向，获取河流实时数据及影像资料。其中，单片机与上位机之间通过蓝牙模块进行通信，当单片机在对应检测功能开启后，将以固定的时间间隔对水文环境进行数据采集，达到报警阈值时向监控终端发送警报。
55.作为优选地实施方式，漂浮单元1上还设置有角速度传感器，使得漂浮单元1具有倾覆自检功能。当角速度传感器检测到漂浮单元1在xoy平面(水平面)上偏移角度超过设定阈值时，认为此时水文监测系统处于即将倾覆的危险状态，单片机将向上位机发送报警信息。同时还可以在漂浮单元1上搭载蜂鸣器，当水文监测系统处于即将倾覆的危险状态时，单片机控制蜂鸣器发出声音信号报警，方便对系统循声定位并起警示作用。
56.下面结合具体的示例对本实施例中的水文监测系统作出进一步说明。
57.四月份长沙的平均日照强度为45766lux，认为6:00-18:00时间段内的太阳光强能使太阳能板正常工作，在水流速度为1m/s的实验条件下，对水文监测系统的发电量进行了测算。
58.实验测算得太阳能板在不同次实验的该12个小时时间段内总发电量的平均值为1392.5mah，单个水力发电单元3工作一天发电量为672mah。
59.综合考虑水文监测系统各模块的额定功率，计算得该水文监测系统工作一天的耗电量为3859.2mah：
60.若仅考虑太阳能板为系统供能，其正常工作一天的发电量能为系统提供8.6h续航时长；
61.若仅考虑水下叶轮303发电，当水流速度为1m/s时，单个叶轮303发电单元工作一天可为系统提供4h续航时长，2m/s时续航时长达8.2h；
62.因此，太阳光照弱且水流速度为1m/s时，放置6个水下发电单元工作一天即可为水文监测系统提供25.37h续航时长。
63.由此可见，本发明通过低成本的能量转化装置(叶轮303与太阳能板)，将水流的动能及太阳能转化为电能，输送至电气设备盒内的蓄电池组对蓄电池组充电。蓄电池给监测-通信系统供电从而实现浊度、温度监测、ph值监测及倾覆自检功能，通过通信模块将监测数
据传送至操控终端，操控终端通过实时监测平台对河道进行在线监测。满足水文监测设备24h无间断工作的需求，解决了太阳能发电在夜间与光照不足时发电能力弱，以及单独水能发电在封闭水域难以提供能量供给的问题，实现系统能量闭环、自给自足。
64.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。