基於GPS且利用無線充電技術的zigbee自組網PH值監測網絡的製作方法

2023-06-08 11:49:02

該發明涉及海水PH值監測領域，尤其涉及無線供能、具有自潔和保養功能的PH複合電極裝置及基於GPS系統的自組網監測方式。

背景技術：

海洋是全球生命支持系統的一個重要組成部分，也是人類社會可持續發展的寶貴財富。當前，隨著陸地資源短缺、人口膨脹、環境惡化等問題的日益嚴峻，各沿海國家紛紛把目光投向海洋，加快了對海洋的研究開發和利用。一場以開發海洋為標誌的」藍色革命」正在世界範圍內興起。而海洋環境的變化會對海洋資源的開發造成重要的影響，對海水水質的監測可使得人類對海洋環境的變化進行預測，從而減少開發海洋資源的風險。

PH值是海水水質監測過程中是最重要的指標之一。時下海水水質監測存在如下幾個問題：第一，海水水質監測是一個長期連續的過程，在長期的監測過程中，數據的採集、收發等活動都會消耗大量的電能，監測裝置能量的可持續供應則面臨一個巨大的挑戰。第二，數據採集區域與陸地的距離十分遙遠，通過運輸數據存儲設備以供研究人員作出分析需要耗費大量的人力物力。第三，現有PH複合電極如果長時間浸泡在海水中，電極前端玻璃球泡表面容易被海水中的雜質覆蓋，堵塞氫離子通道，使得PH複合電極靈敏度降低，影響對海水PH值數據採集的準確性。現有PH複合電極使用後均需進行清洗、並將其浸泡於標準KCL溶液中等操作，但在海洋環境下的傳感器節點中，顯然無法完成上述步驟。頻繁更換傳感器設備，對海水水質的長期監測產生不便。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種支遠距離準確傳輸數據、採用無線充電技術且具備自動清洗與保養功能的PH值監測網絡，以滿足海洋環境水質長期遠距離監測的需要。本發明的技術方案如下：

一種基於GPS且利用無線充電技術的zigbee自組網PH值監測網絡，由若干個PH複合電極裝置構成，其中一個作為主傳感器節點，其他為次傳感器節點；

每個PH複合電極裝置包括供電模塊、中央控制模塊，PH值採集模塊、無線通信模塊、電極保養模塊和清水採集模塊，其中，

PH值採集模塊包括機械臂2、固定於機械臂2前端的PH複合電極1、待測溶液池12、進樣水泵11、排樣水泵10、衝洗水泵19，其中，進樣水泵11用於將海水抽吸入待測溶液池12，排樣水泵10用於將海水排出待測液體池12；機械臂2用於將PH複合電極1置於待測液體池12內或將其抬高，PH複合電極1測得PH值傳輸至中央控制模塊，在中央控制模塊的控制下，衝洗水泵抽吸抽吸清水並對抬高的PH複合電極1進行清洗，經過清洗的PH複合電極1被移至電極保養模塊的KCL標準樣液池8中；

電極保養模塊，包括帶有電磁閥門的KCL補充液容器21、濁度傳感器7、KCL標準樣液池8、排汙水泵9，濁度傳感器7用於檢測KCL標準樣液池8內的標準樣液受汙染程度，中心控制模塊在濁度達到閾值時，控制排汙水泵9工作，排出KCL標準樣液池8內廢液，位於KCL標準樣液池8上方的KCL補充液容器21底部的電磁閥門開啟，釋放KCL補充液；

清水採集模塊包括導熱矽膠16、蓄海水池17、蓄清水池18、液位計13、進水泵14、調節水泵15和冷凝板20，進水泵14用於抽吸海水進入蓄海水池17；導熱矽膠16的主體作為蓄海水池17的側壁，與其內海水直接接觸；導熱矽膠16用於吸收熱量；蓄海水池17的上部斜向固定有冷凝板20，冷凝板20將蒸發的海水凝結為液體，並將凝結的液體引流入蓄清水池18中；液位計13用於監測蓄清水池18內水量，其採集的信息被送入中心控制模塊，中心控制模塊在清水量達到最大閾值後，控制調節水泵15開啟，釋放海水，不再進行蒸發冷凝，；當清水達到最小閾值，控制進水泵14工作；

供電模塊包括無線充電接收線圈3和蓄電池4；在固定範圍海域內，由船隻攜帶無線充電發送裝置釋放電磁波，範圍內所有的裝置中的無線充電接收線圈3接收電磁波並將其轉化為電能傳輸到蓄電池4中為系統供電。

主傳感器節點的無線通信模塊包括GPS模塊和zigbee模塊，次傳感器節點的無線通信模塊僅包括zigbee模塊，各個傳感器節點經由Zigbee自組網，並通過位於主傳感器節點上的GPS模塊傳輸到陸地上的地面接收基站26。

附圖說明

圖1為作為主傳感器節點的傳感器裝置箱體的剖面圖

圖2為PH複合電極清潔與保養的細節圖

圖3為GPS數據傳輸示意圖

圖4為PH複合電極裝置的原理框圖

圖5為PH複合電極裝置工作全過程的流程圖

附圖標記說明如下：

1、PH複合電極；2、機械臂；3、無線充電接收線圈；4、蓄電池；5、中央控制模塊；6、泡沫；7、濁度傳感器；8、KCL標準樣液池；9、10、11、14、15、19、均為水泵(未畫出水管)；12、待測液體池13、液位計；16、導熱矽膠；17、蓄海水池；18、蓄清水池；20、金屬製成的冷凝板；21、帶有電磁閥門的KCL補充液容器；22、GPS模塊；23、Zigbee通信模塊；24、PH複合電極裝置網絡；25、GPS衛星；26、地面接收基站

具體實施方式

本發明的PH值監測網絡，由若干個獨立工作的PH複合電極裝置組成，包括主傳感器節點和次傳感器節點，圖1是作為主傳感器節點的PH複合電極裝置的結構示意圖，包括供電模塊，中央控制模塊，PH值採集模塊、電極保養模塊、清水採集模塊和無線通信模塊。下面將結合附圖對本發明的具體實施方式進一步詳細說明。

如圖1所示，PH值採集模塊包括機械臂2、PH複合電極1、待測溶液池12、水泵10、水泵11、水泵19。PH複合電極1由機械臂2控制進入待測液體池12，水泵11工作，海水進入待測液體池12，測得PH值傳輸至中央控制模塊5。水泵10工作，排出海水。機械臂2將PH複合電極1抬高，水泵19工作，引出清水衝洗複合電極。機械臂2再將PH複合電極1移至KCL標準樣液池8中。

如圖2，為電極保養模塊細節圖，包括帶有電磁閥門的KCL補充液容器21、濁度傳感器7、KCL標準樣液池8、水泵9。海水中含微生物，水藻，工業廢液等雜質，濁度傳感器7即可檢測標準樣液受汙染程度。濁度達到閾值時，KCL標準液已被汙染，須更換。水泵9工作，排出廢液。KCL補充液容器21底部的電磁閥門開啟，釋放KCL補充液。實現了KCL標準液的更新。

如圖1，右側清水採集模塊包括導熱矽膠16、蓄海水池17、蓄清水池18、液位計13、水泵14、水泵15和冷凝板20。水泵14工作，海水進入蓄海水池17。導熱矽膠16連接頂層泡沫6吸收熱量，海水蒸發，遇冷凝板20凝結為液體，由於冷凝板20與系統上壁同角度傾斜，具有引流作用，凝結的清水流入蓄清水池18中。液位計13監測水量，清水量達到最大閾值後，水泵15開啟，釋放海水，不再進行蒸發冷凝，確保海水不會在箱體內結晶和汙染。當清水達到最小閾值，水泵14工作，重複上述過程。

如圖1，供電模塊包括無線充電接收線圈3和蓄電池4。在固定範圍海域內，由船隻攜帶無線充電發送裝置釋放電磁波，範圍內所有的裝置中的無線充電接收線圈接收電磁波並將其轉化為電能傳輸到蓄電池4中，因此可以實現大範圍充電，使得裝置可以繼續工作。

如圖1，數據傳輸模塊包括Zigbee通信模塊23和數據傳輸天線22。中央控制模塊5將所測得的PH值即其他相關信息保存在Zigbee通信模塊23中，隨後經數據傳輸天線22發送出去。

如圖3，在指定監測海域上有若干個獨立工作的PH傳感器裝置，包括主傳感器節點和次傳感器節點，共同組成PH複合電極裝置網絡。次傳感器節點不具有GPS模塊，主傳感器節點具有GPS模塊。次傳感器節點將採集的數據通過zigbee自組網的方式，傳輸至主節點，再由GPS衛星傳遞技術將數據直接傳輸到太空中的衛星中，最終發送到位於陸地上的地面接收基站26，以便研究所人員進行數據分析。

如圖4和圖5所示，各個PH複合電極裝置通過無線充電線圈為供電模塊提供電能，中央控制模塊控制機械臂運作，利用PH複合電極收集待測海域PH值信息，將信息通過中央控制模塊進行處理，並存儲於數據存儲模塊中；利用濁度傳感器和液位計收集數據，上傳至中央控制模塊分析KCL標準樣液汙染度和清水量是否達到閾值，並控制水泵和電磁閥門及時做出反應，完成了清水的自動採集和KCL溶液的自動更換，實現PH複合電極裝置的自動清洗與保養。在待測海域內，若干個上述獨立工作的PH複合電極裝置經由Zigbee自組網並通過主傳感器的GPS模塊傳輸到陸地上的地面接收基站26以供分析。