一種利用電磁波信號充電的海洋水質實時在線監測裝置的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種利用電磁波信號充電的海洋水質實時在線監測裝置,包括海岸監測中心(1)、信號中繼站(2)和多個傳感器節點(3);每個傳感器節點(3)包括pH值傳感器模塊、濁度傳感器模塊、溫度傳感器模塊、主控芯片、無線通信模塊、電池和無線充電模塊;PH值傳感器模塊包括PH計和超聲波自清潔模塊,所述PH計包括PH計主體(4)和電極球泡(9),超聲波自清潔模塊包括超聲波發生器(5)、超聲波換能器(7)和金屬網罩(8),超聲波換能器(7)位于電極球泡(9)附近,金屬網罩(8)罩在電極球泡(9)的外部。本發明有利于實現傳感器對一片海洋水域水質的長期連續監測。
【專利說明】
一種利用電磁波信號充電的海洋水質實時在線監測裝置
技術領域
[0001]該發明涉及海水監測傳感器領域,尤其涉及用于海洋水質實時在線監測的傳感與通訊集成系統設計領域。
【背景技術】
[0002]海洋是一個完整的水體。海洋本身對污染物有著巨大的搬運、稀釋、擴散、氧化、還原和降解等凈化能力。但這種能力并不是無限的,當局部海域接受的有毒有害物質,超過它本身的自凈能力時,就會造成該海域的污染。海洋在調節大氣環流和氣候變化中起著非常重要的作用,無論是長期預報還是短期預測,對海洋監測資料有著極大的依賴性。縱觀當今世界各國,現代海洋監測技術總體上向高集成度、高時效、多平臺、智能化和網絡化方向發展。
[0003]現有海水水質傳感器存在兩個問題:第一,無法長時間連續工作,因為大多數傳感器,例如PH值傳感器,很容易被海水中的污染物附著而使其失效。第二,傳感器節點采集的數據無法實時傳輸到監控中心。第三,傳感器系統一般采用電池供電,不僅不環保,還使傳感器系統的連續使用時長受到限制。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是克服現有技術的不足,提供一種可以長期連續的對海水進行監測的海洋水質實時監測系統。本發明的技術方案如下:
[0005]—種利用電磁波信號充電的海洋水質實時在線監測裝置,包括海岸監測中心(1)、信號中繼站(2)和多個傳感器節點(3),海岸監測中心包括服務器和顯示屏幕,服務器用來處理從眾多傳感器節點傳回的海量數據,對海水污染及水質變化進行預測,信號中繼站用于保證信號從監測區域可靠地傳回海岸監測中心;
[0006]每個傳感器節點(3)包括pH值傳感器模塊、濁度傳感器模塊、溫度傳感器模塊、主控芯片、無線通信模塊、電池和無線充電模塊,其中,
[0007]濁度傳感器利用浸入海水表面的濁度傳感器采集海水的濁度信息;溫度傳感器模塊利用溫度傳感器采集海水表面的溫度信息;PH值傳感器模塊采集海水pH值,各個傳感器采集的數據被送入主控芯片;
[0008]所述PH值傳感器模塊包括PH計和超聲波自清潔模塊,所述PH計包括PH計主體(4)和電極球泡(9),超聲波自清潔模塊包括超聲波發生器(5)、超聲波換能器(7)和金屬網罩
[8],超聲波換能器(7)位于電極球泡(9)附近,金屬網罩(8)罩在電極球泡(9)的外部,用于使得超聲波換能器(7)生成的超聲波在電極球泡(9)表面附近形成震蕩;
[0009]所述的無線充電模塊包括LC調諧回路、耦合電路和倍壓整流電路,LC調諧回路通過天線接收外界的電磁波能量,耦合電路將LC調諧回路獲得的能量傳輸到倍壓整流電路;倍壓整流電路的作用是整流與提升電壓,提供能量為電池充電;
[0010]無線通訊模塊包括依次相連的ZigBee芯片、功率放大器和天線,ZigBee芯片與主控芯片相連,采用帶有M⑶和無線收發器的MC13213芯片;功率放大器采用SKY65336;天線負責無線信號的發射和接收,每個傳感器節點產生的數據以自組網的方式通過臨近節點的路由傳到信號中繼站。
[0011]本發明通過實現pH傳感器的自清潔功能,使其可以長期連續的對海水進行監測,同時通過無線數據傳輸的方式,將傳感器系統采集到的數據實時傳回監測中心。通過集成傳感器系統對海水水質進行檢測,并將水質信息通過ZigBee自組網的方式無線實時傳回監測中心,實現了對傳感器覆蓋水域范圍內水質的無線實時在線監測。同時,采用無線充電模塊供電,有效解決了現有系統存在的工作時間短且更換電池過程繁瑣的問題。
【附圖說明】
[0012]圖1為系統數據傳輸整體示意圖;
[0013]圖2為本發明實時在線監測系統的集成傳感器電路原理框圖;
[0014]圖3為自清潔PH計的結構示意圖;
[0015]圖4為自清潔PH計的局部放大示意圖。
[0016]圖5是無線充電模塊電路原理框圖;
[0017]圖6是無線充電模塊電路圖。
[0018]I監測中心;2信號中繼站;3傳感器節點;4PH計主體;5超聲波發生器;6電纜;7超聲波換能器;8網罩;9電極球泡;1電池;11接地線;12天線;13耦合電路部分;14倍壓整流電路部分;15LC調諧回路部分;
【具體實施方式】
[0019]參見圖1和圖2,本發明提供的海洋水質實時在線監測系統,包括海岸監測中心1、信號中繼站2和傳感器節點3。海洋水質傳感器網絡包括眾多傳感器節點3。傳感器節點3包括PH值傳感器模塊、濁度傳感器模塊、溫度傳感器模塊、信號放大電路、AD轉換電路、存儲單元、主控芯片、穩壓電路、無線通訊模塊和無線充電模塊;信號中繼站用于保證信號可以從監測區域傳回海岸監測中心;海岸監測中心包括大型服務器和顯示屏幕,大型服務器用來處理傳感器傳回的數據,并對海水污染及水質變化進行預測;顯示屏幕為工作人員提供可視化窗口。
[0020]傳感器節點3采集水質信息并通過無線信號向外傳輸;濁度傳感器模塊通過濁度傳感器將濁度數據傳回控制主板;溫度傳感器模塊通過溫度傳感器將環境溫度數據傳回控制主板;信號放大電路可以采集傳感器模塊產生的微弱信號并加以放大和濾波,輸出至AD轉換電路將模擬信號轉換為數字信號;主控芯片接收到AD轉換電路傳輸的數字信號后,將數據存儲在存儲單元中;無線通訊模塊包括ZigBee芯片、功率放大器和天線;ZigBee芯片部分采用MC13213芯片,它是freescale第二代ZigBee芯片,內部帶有M⑶芯片和無線收發器;功率放大器采用SKY65336,它最大可以支持20dbm的功率放大功能;天線負責信號的發射和接收。
[0021]圖3為PH值傳感器模塊,即PH計,的結構示意圖,PH計包括PH計主體4、超聲波發生器5、電纜6、超聲波換能器7、網罩8和電極球泡9 計主體4內部為含飽和AgCl的3mol/Lkc I緩沖溶液,pH值為7。正常情況下,待測溶液中的H離子可以通過PH計電極球泡9進入到PH計主體4內部,PH計主體4內部的電極會檢測到電位變化,從而得出待測溶液的PH值。當PH計電極球泡9表面被待測溶液污染時,H離子通道會被堵塞,PH計便檢測不到電位變化,即無法正確檢測PH值。
[0022]所述超聲波發生器5包括信號發生器、功率放大器、匹配電路和反饋電路。超聲波發生器5是一個功率發生器,產生一定頻率的正弦(或類似正弦)信號,通過電纜傳導給換能器;信號發生器產生一個特定頻率的脈沖信號,這個特定頻率為換能器自身的機械諧振頻率;功率放大器用來將信號發生器產生的脈沖信號放大;匹配電路可以使換能器將電信號高效率的轉化為超聲波信號;反饋電路保證了換能器始終工作在一個合適的頻率范圍內。在所述PH計主體4靠近電極球泡9的位置固定有超聲波換能器7。
[0023]如圖4所示,超聲波換能器7輸出的超聲波信號進入金屬網罩8中,使電極球泡6附近的溶液進行震蕩,使電極球泡6表面的污染物脫離,釋放H離子通道,使PH計恢復靈敏。同時,網罩8可以使超聲波信號在其中反復反射,增強清洗效果,同時網罩8可以使溶液在其中自由進出。
[0024]如圖5所示,所述無線充電模塊包括LC調諧回路、耦合電路、倍壓整流電路和電池。所述LC調諧回路接收天線輸入的電磁波信號,通過調節可變電容C,使調諧回路產生與輸入信號產生諧振;所述耦合電路將所述調諧回路獲得的能量傳輸到所述倍壓整流電路;所述倍壓整流電路作用是整流與提升電壓,提供能量給電池充電。
[0025]如圖6所示,所述LC調諧回路部分15包括天線12、可調電容Cl與接地線11。所述天線12用來接收電磁波信號;所述可調電容Cl用來調節LC調諧回路的固有頻率。所述耦合電路部分13包括電感LI和電感L2,二者用來將所述LC調諧回路部分15產生的電壓耦合到倍壓整流電路部分14。所述倍壓整流電路部分14包括電容C2、電容C3、二極管Dl和二極管D2,用來將升壓電壓和整流電流,最終給所述電池10充電。
【主權項】
1.一種利用電磁波信號充電的海洋水質實時在線監測裝置,包括海岸監測中心(I)、信號中繼站(2)和多個傳感器節點(3),海岸監測中心包括服務器和顯示屏幕,服務器用來處理從眾多傳感器節點傳回的海量數據,對海水污染及水質變化進行預測,信號中繼站用于保證信號從監測區域可靠地傳回海岸監測中心。 每個傳感器節點(3)包括pH值傳感器模塊、濁度傳感器模塊、溫度傳感器模塊、主控芯片、無線通信模塊、電池和無線充電模塊,其中, 濁度傳感器利用浸入海水表面的濁度傳感器采集海水的濁度信息;溫度傳感器模塊利用溫度傳感器采集海水表面的溫度信息;PH值傳感器模塊采集海水pH值,各個傳感器采集的數據被送入主控芯片; 所述PH值傳感器模塊包括PH計和超聲波自清潔模塊,所述PH計包括PH計主體(4)和電極球泡(9),超聲波自清潔模塊包括超聲波發生器(5)、超聲波換能器(7)和金屬網罩(8),超聲波換能器(7)位于電極球泡(9)附近,金屬網罩(8)罩在電極球泡(9)的外部,用于使得超聲波換能器(7)生成的超聲波在電極球泡(9)表面附近形成震蕩; 所述的無線充電模塊包括LC調諧回路、耦合電路和倍壓整流電路,LC調諧回路通過天線接收外界的電磁波能量,耦合電路將LC調諧回路獲得的能量傳輸到倍壓整流電路;倍壓整流電路的作用是整流與提升電壓,提供能量為電池充電; 無線通訊模塊包括依次相連的ZigBee芯片、功率放大器和天線,ZigBee芯片與主控芯片相連,采用帶有MCU和無線收發器的MC13213芯片;功率放大器采用SKY65336;天線負責無線信號的發射和接收,每個傳感器節點產生的數據以自組網的方式通過臨近節點的路由傳到信號中繼站。
【文檔編號】G01N33/18GK106056877SQ201610478411
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月22日
【發明人】鄒強, 蘇奇, 馬建國, 付超, 莫申童
【申請人】天津大學