基于无线传感网的大型湖面水质监测系统、方法与流程

1.本发明属于水质监测技术领域，特别是涉及基于无线传感网的大型湖面水质监测系统以及利用该无线传感网的大型湖面水质监测系统进行的监测方法。


背景技术：

2.水资源与人类生活息息相关，特别是位于内陆以湖面、河流、水库等形式存在的淡水资源，是人类生存和发展的重要资源，为了实现可持续发展，对于大型湖面进行水质监测是必要的手段之一，有利于可持续发展地利用水资源。无线传感网络是一种分布式传感网络，通过无线通信技术把数以万计的传感器节点以自由式进行组织与结合进而形成的网络形式；构成传感器节点的单元分别为：数据采集单元、数据传输单元、数据处理单元以及能量供应单元；无线传感器网络当中的节点分为两种，一个是汇聚节点，一个是传感器节点。
3.现有技术方案的无线传感网络采用的基站作为汇聚节点，然后通过带有水质检测传感器的浮体作为传感器节点；如申请号为cn201110080576.x，专利名称为“一种用于湖泊水质监测的分布式无线传感网络系统”的发明专利以及申请号为cn200910219367.1，专利名称为“一种无线传感器网络及基于该传感器网络的水质监测系统”，上述该技术均是用于水质监测，但是，由于均采用zigbee模块实现无线传感网络，对于小型湖面水域，可以适用，因为zigbee模块的网络传输距离为200-250m，但是对于面积达到几十公顷甚至几百公顷的大型的湖面水质监测，不可能会采用全覆盖的形式，采用基站加带有水质监测传感器浮体进行大型湖面水质监测的形式具有一定的局限性。并且，对应的由于采用位置固定且不移动的浮体上安装水质检测器的方式，不便于对所需要特定位置水样水质采集的动作和流程，不便于对不同位置对应的不同位置、不同位置对应的不同水深的水样进行采样检测。


技术实现要素：

4.本发明提供了基于无线传感网的大型湖面水质监测系统、方法，解决了以上问题。
5.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
6.本发明的基于无线传感网的大型湖面水质监测系统，包括位于大型湖面上的安装有zigbee模块及浮体水质检测传感器的水质监测浮体，以及能够于大型湖面上进行无人自动化航行的移动式水质监测终端，所述移动式水质监测终端采用船体造型，尾部设置有由行进驱动控制模块控制的马达和舵机，实现无人自动化航行；
7.所述移动式水质监测终端包括船体，所述船体表面横向等间距开设有若干圆孔以及位于圆孔一侧部的条形侧开孔，位于每个圆孔的表面两侧对称垂直设置有两组升降直线行程，对应圆孔表面的两组升降直线行程同一竖向高度的工作台上分别固定安装有垂直布置的连接杆，两连接杆的底端固定安装有顶部为开口的取样杯，所述取样杯的侧部通过连接块安装有防水推杆，防水推杆的端部设置有经推动后与取样杯的杯口相对应遮盖的盖板；所述取样杯与圆孔位置相对应且同轴心，取样杯经连接杆随工作台于对应两组升降直线行程的导轨上进行升降动作，实现对取样杯的下降取水及取样后升起；
8.所述船体表面位于圆孔另一侧部横向设置有行走直线行程，所述行走直线行程的工作台面上垂直设置有支撑柱，所述支撑柱的顶端安装有在线水质自动检测装置以及与升降直线行程成垂直角度布置的横移直线行程，所述横移直线行程的前端下方通过旋转台安装有一转盘，所述转盘上环绕等间距安装有若干垂直布置的终端水质检测传感器，所述终端水质检测传感器与在线水质自动检测装置相连，所述终端水质检测传感器的底部与升起后的取样杯杯口相对应，在升降直线行程的工作台升至最高端后，使转盘上对应的单个终端水质检测传感器刚好伸入至取样杯内进行水质检测；所述支撑柱由行走直线行程横向移动使对应的带有终端水质检测传感器的转盘移动至对应的其它圆孔的正上方分别进行水质检测；
9.所述船体表面设置有控制盒，所述控制盒内设置有终端控制器以及与终端控制器分别电性相连的zigbee模块、电池、电池控制器；所述船体上安装有无线通讯模块、用于无人自动远控的远控辅助相机、太阳能光伏板；所述行进驱动控制模块、无线通讯模块、远控辅助相机、旋转台、防水推杆、横移直线行程、升降直线行程、行走直线行程分别与终端控制器电性相连；所述太阳能光伏板与电池控制器相连；
10.所述移动式水质监测终端在大型湖面上进行自由行驶进行特定位置随时随地由取样杯进行湖面不同深度的湖水样本取样，并由在线水质自动检测装置进行在线水质检测，由移动式水质监测终端上的zigbee模块在靠近水质监测浮体后获取由水质检测浮体上的zigbee模块发送的水质检测浮体检测获取的水质检测数据，并由终端控制器经整合后由无线通讯模块传输至水质监测中心的终端上，所述移动式水质监测终端由后台无人驾驶控制设备进行位置和行进控制，实现自动无人化的行进和取样动作。
11.进一步地，所述取样杯与圆孔位置相对应、数量一致且为间隙配合。
12.进一步地，所述条形侧开孔与圆孔相连，且所述条形侧开孔与对应取样杯上盖板收缩后的防水推杆形成的整体轮廓相对应。
13.进一步地，所述行走直线行程与各圆孔的圆心相连后的直线相平行。
14.进一步地，每个所述圆孔的表面两侧对称垂直设置有两组升降直线行程为同步控制，升降动作保持一致。
15.进一步地，所述无线通讯模块采用4g或5g模块。
16.进一步地，所述取样杯上由防水推杆控制伸缩的盖板在下降取水过程中保持与取样杯密封遮盖，在取样杯伸至对应湖面水深后挪开，至取样杯内盛装有对应湖面水深的样本水后再次密封遮盖，然后取样杯升起直至到船体表面高度后挪开，然后使取样杯升至对应的终端水质检测传感器检测的位置和高度进行水质检测。
17.基于无线传感网的大型湖面水质监测方法，使用基于无线传感网的大型湖面水质监测系统实现，包括如下步骤：
18.s1、根据大型湖面水质监测的需要，组装好移动式水质监测终端；
19.s2、由水质监测中心的后台无人驾驶控制设备对移动式水质监测终端进行控制使移动至对应的水面位置，通过在线水质自动检测装置与旋转台、转盘、终端水质检测传感器、行走直线行程、升降直线行程、横移直线行程的配合下实现对对应未被水质检测浮体检测到的位置的水体进行水质检测；在行进至对应的水质检测浮体旁边，可被水质检测浮体上zigbee模块感应到位置时，获取由水质检测浮体上由浮体水质检测传感器所检测到的该
浮体对应位置的水质信息数据；
20.s3、在完成需要移动至对应水面位置进行水质检测的任务和路线以及对应需要感知水质监测浮体经zigbee模块传输的水质信息数据后，承载对应需进行检测位置的水体样本返回至移动式水质监测终端出发的回收处，由工作人员对水体样本进行进一步的检测和保存。
21.本发明相对于现有技术包括有以下有益效果：
22.1、本发明采用独立可远控自由移动的移动式水质监测终端，可于对应的大型湖面需要进行水质取样位置进行随时随地主动式进行取样，进行同步的在线水质检测，并可迅速的远程的获取初步的水质结果，相对于现有的静态的水质监测浮体与基站的配合，具有主动性更强、效率更高的优点；
23.2、本发明的移动式水质监测终端能够对应于湖面不同水层深度的水体样本进行高效取样，并进行即时的有效的初步检查，相对于现有的静态固定式的水体样本监测，提高了水体检测的范围，提升了水体检测的精度和效率，并且能够及时、迅速的获取对应的检测结果；
24.3、本发明的移动式水质监测终端能够与现有的基站以及水质监测浮体相结合，甚至是无需建设基站，相对于可移动式的基站，能够定期主动的获取全部对应的水质监测浮体对应的水质监测数据信息，无需修建基站，对应的成本大大降低；对应的移动式水质监测终端适用场景广，能够重复使用且不受限于地点的约束。
25.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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获得其他的附图。
27.图1为本发明基于无线传感网的大型湖面水质监测系统中移动式水质监测终端的结构示意图；
28.图2为图1中a视角的结构示意图；
29.图3为图1中b视角的结构示意图；
30.图4为图1的结构主视图；
31.图5为图1的结构俯视图；
32.图6为本发明基于无线传感网的大型湖面水质监测系统的结构示意图；
33.图7为本发明基于无线传感网的大型湖面水质监测系统中移动式水质监测终端的系统结构图；
34.图8为现有的水质监测浮体的系统结构图；
35.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
36.1-船体，101-条形侧开孔，102-圆孔，103-保护壳，104-控制盒，105
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远控辅助相机，106-无线通讯模块，107-行走直线行程，108-太阳能光伏板，109-升降直线行程，2-取样杯，201-连接杆，202-工作台，203-盖板， 204-防水推杆，3-支撑柱，301-横移直线行程，
302-旋转台，303-转盘， 304-终端水质检测传感器，305-在线水质自动检测装置。
具体实施方式
37.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它实施例，都属于本发明保护的范围。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“表面”、“横向”、“等间距”、“侧部”、“竖向”、“顶部”、“垂直”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件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发明的限制。
39.现有的对于湖面水质进行监测具体采用的是进行布置对应的水质检测浮体，如图8所示，该水质检测浮体上设置有控制器以及与控制器电性相连的zigbee模块、供电模块以及浮体水质检测传感器，供电模块现有的通常包括太阳能、风能与电池相配合的方式进行供电；在具体工作时，需要在zigbee模块对应的距离范围内，如100-200m的距离建设作为网络汇聚节点及传输用的基站，基站能够获取到对应范围内的水质监测浮体上由 zigbee模块传输的水质检测数据，并传输给水质监测中心，现有的此种无线传感网的方式主要是基于静态的，由水质监测浮体的位置及基站的位置定死了，无法实现对应的其它位置的湖面水质的检测，该种方式在湖面面积不是特别大的情况下比较适用，在涉及到湖面中有无需实时或经常进行水质监测位置的大型湖面，如几十公顷甚至几百公顷的大型湖面，此种方式并不适用，会导致不能够覆盖，或全覆盖造成成本过大的问题；并且现有的水质监测浮体上的浮体水质监测传感器对湖面水层深度的取样是固定的，而同一位置的湖面下对应的不同水层深度的水质是不同的；因此，针对以上问题，本技术方案提出了基于无线传感网的大型湖面水质监测系统及对应的使用该大型湖面水质监测系统的监测方法。
40.请参阅图1-7所示，本发明的基于无线传感网的大型湖面水质监测系统，包括位于大型湖面上的安装有zigbee模块及浮体水质检测传感器的水质监测浮体，以及能够于大型湖面上进行无人自动化航行的移动式水质监测终端，移动式水质监测终端采用船体造型，尾部设置有由行进驱动控制模块控制的马达和舵机，实现无人自动化航行；该水质监测浮体的数量及位置不固定，可以设置成等间距布置或不等间距布置，本技术方案中设置为每隔200米设置一个水质监测浮体；且该水质监测浮体的供电模块采用太阳能与电池相组合的方式进行供电；马达和舵机安装于船体1尾部的保护壳103内；
41.移动式水质监测终端包括船体1，船体1表面横向等间距开设有五个圆孔102以及位于圆孔102一侧部的条形侧开孔101，位于每个圆孔102的表面两侧对称垂直设置有两组升降直线行程109，对应圆孔102表面的两组升降直线行程109同一竖向高度的工作台202上分别固定安装有垂直布置的连接杆201，两连接杆201的底端固定安装有顶部为开口的取样杯2，取样杯2的侧部通过连接块安装有防水推杆204，防水推杆204的端部设置有经推动后与取样杯2的杯口相对应遮盖的盖板203；取样杯2与圆孔102位置相对应且同轴心，取样杯2经连接杆201随工作台202于对应两组升降直线行程109的导轨上进行升降动作，实现对取样杯2的下降取水及取样后升起；取样杯2与圆孔102位置相对应、数量一致且为间隙配合；
条形侧开孔101与圆孔102相连，且条形侧开孔101与对应取样杯2上盖板203 收缩后的防水推杆204形成的整体轮廓相对应；本具体实施例中盖板203 具体采用橡胶材质，能够由防水推杆204进行推进后遮罩于取样杯2的杯口上，与取样杯2一同下降至取样水的深度时，保证内部为空腔形式，直至对应水层高度再收缩，获取对应水层深度的取样水，由防水推杆204进行推进后遮罩于取样杯2的杯口上，保持封闭，然后向上提成，获取对应水层深度的取样水样本；
42.船体1表面位于圆孔102另一侧部横向设置有行走直线行程107，行走直线行程107的工作台面上垂直设置有支撑柱3，支撑柱3的顶端安装有在线水质自动检测装置305以及与升降直线行程109成垂直角度布置的横移直线行程301，横移直线行程301的前端下方通过旋转台302安装有一转盘 303，转盘303上环绕等间距安装有五个垂直布置的终端水质检测传感器 304，终端水质检测传感器304与在线水质自动检测装置305相连，终端水质检测传感器304的底部与升起后的取样杯2杯口相对应，在升降直线行程109的工作台202升至最高端后，使转盘303上对应的单个终端水质检测传感器304刚好伸入至取样杯2内进行水质检测；支撑柱3由行走直线行程107横向移动使对应的带有终端水质检测传感器304的转盘303移动至对应的其它圆孔102的正上方分别进行水质检测；行走直线行程107与各圆孔102的圆心相连后的直线相平行；每个圆孔102的表面两侧对称垂直设置有两组升降直线行程109为同步控制，升降动作保持一致；
43.船体1表面设置有控制盒104，控制盒104内设置有终端控制器以及与终端控制器分别电性相连的zigbee模块、电池、电池控制器；船体1上安装有无线通讯模块106、用于无人自动远控的远控辅助相机105、太阳能光伏板108；行进驱动控制模块、无线通讯模块106、远控辅助相机105、旋转台302、防水推杆204、横移直线行程301、升降直线行程109、行走直线行程107分别与终端控制器电性相连；太阳能光伏板108与电池控制器相连；无线通讯模块采用4g或5g模块，本具体实施例中采用5g模块；
44.移动式水质监测终端在大型湖面上进行自由行驶进行特定位置随时随地由取样杯2进行湖面不同深度的湖水样本取样，并由在线水质自动检测装置305进行在线水质检测，由移动式水质监测终端上的zigbee模块在靠近水质监测浮体后获取由水质检测浮体上的zigbee模块发送的水质检测浮体检测获取的水质检测数据，并由终端控制器经整合后由无线通讯模块传输至水质监测中心的终端上，移动式水质监测终端由后台无人驾驶控制设备进行位置和行进控制，实现自动无人化的行进和取样动作；在线水质自动检测装置305具体采用jz-sz型的水质检测主机，并通过接口连接有对水质的温度、浑浊度、溶解氧、浊度以及ph值进行分别检测的传感器，分别通过导线安装于转盘301表面开设的通孔内，由旋转台302带动转盘303 转动时，使对应的五个传感器中的一个伸入至取样杯2内进行单个水质监测项的检测，并记录于在线水质自动检测装置305中；对应的移动式水质监测终端实现的取样水的水层深度及对应的检测传感器的动作控制，采用存储于移动式水质监测终端内的终端控制器的程序或由水质监测中心的后台无人驾驶控制设备进行控制。
45.其中，取样杯2上由防水推杆204控制伸缩的盖板203在下降取水过程中保持与取样杯2密封遮盖，在取样杯2伸至对应湖面水深后挪开，至取样杯2内盛装有对应湖面水深的样本水后再次密封遮盖，然后取样杯2 升起直至到船体表面高度后挪开，然后使取样杯2升至对应的终端水质检测传感器304检测的位置和高度进行水质检测。
46.基于无线传感网的大型湖面水质监测方法，使用上述基于无线传感网的大型湖面水质监测系统实现，包括如下步骤：
47.s1、根据大型湖面水质监测的需要，组装好移动式水质监测终端；
48.s2、由水质监测中心的后台无人驾驶控制设备对移动式水质监测终端进行控制使移动至对应的水面位置，通过在线水质自动检测装置305与旋转台302、转盘303、终端水质检测传感器304、行走直线行程107、升降直线行程109、横移直线行程301的配合下实现对对应未被水质检测浮体检测到的位置的水体进行水质检测；在行进至对应的水质检测浮体旁边，可被水质检测浮体上zigbee模块感应到位置时，获取由水质检测浮体上由浮体水质检测传感器所检测到的该浮体对应位置的水质信息数据；
49.s3、在完成需要移动至对应水面位置进行水质检测的任务和路线以及对应需要感知水质监测浮体经zigbee模块传输的水质信息数据后，承载对应需进行检测位置的水体样本返回至移动式水质监测终端出发的回收处，由工作人员对水体样本进行进一步的检测和保存。
50.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。