一種基於LTE_Cat‑M1的在線水質監測裝置及其使用方法與流程
2023-05-15 22:58:46
本發明涉及在線水質監測及無線通訊技術領域，特別是一種基於LTE Cat-M1的防盜型在線水質監測裝置及使用方法。
背景技術：
隨著江、河、湖的汙染日趨嚴重，甚至地下水也受到一定程度的汙染，並且有逐年加重的趨勢，而水資源具有不可再生性，這種日趨嚴重的水汙染不但降低了江河湖水體的使用功能，也反過來進一步加深了水資源短缺的情況。所以，相關部門也逐漸重視水資源的水質監測，投入大量的人力物力，在很多江、河、湖關鍵區域都布置了相關的在線水質監測設備。
而這種在線水質監測設備布置的區域一般都是在野外，屬於無人值守情況，經常遭到不法之徒或者不明群眾的盜竊，造成財產損失和數據丟失。
同時，水產養殖行業規模也逐年增大，有很多養殖生產者也布置了一些在線水質監測設備用於監測養殖水體的水質情況，但同樣存在設備被盜的情況，尤其是野外土塘養殖的場景。
而傳統的水質監測基本上沒有防盜功能，想要具備被盜設備的追蹤定位功能，通常都要增加GPS定位模塊或北鬥模塊，不但增加了成本，也給設備的功耗、外形大小、維護等方面增加了負擔。
而且在野外無人值守環境，很難保證供電系統的穩定性和可靠性，在使用了GPRS等高功耗的無線通訊方式外，還額外增加定位模塊的功耗，加速電池放電，減少電池可使用時間。而且在人為去除太陽能板和蓄電池後，設備的定位功能也同步失效。
技術實現要素：
本發明針對上述技術問題做出改進，即本發明所要解決的技術問題是提供一種基於LTE Cat-M1、能夠振動檢測和追蹤定位、實現不同報警規則的低功耗在線水質監測裝置，以及裝置的使用方法。
為了解決上述技術問題，本發明的一種技術方案是：一種基於LTE Cat-M1的防盜型在線水質監測裝置，包括LTE Cat-M1模組、微控制器、振動傳感器、電導率傳感器、溫度傳感器、溶解氧傳感器、pH傳感器、環境監測單元、供電單元、後備電池、報警裝置、人聲識別裝置。
進一步的，所述LTE Cat-M1模組是基於低功耗廣域網絡的LTE通訊模塊，所述LTE Cat-M1模組包括有一採用物聯網專有號段的SIM卡。
進一步的，所述LTE Cat-M1模組都配置有唯一的設備ID號，與SIM卡相互綁定，並預先在遠程雲平臺備案登記在冊。
進一步的，所述LTE Cat-M1模組優選採用基於機器類型通信的兼容eMTC和NB-IoT模塊的多模通訊模組。
進一步的，當所述在線水質監測裝置在被人為移動後，通過所述LTE Cat-M1模組進行遠程報警，並通過所述LTE Cat-M1模組內置的定位功能進行設備所在位置的準確定位與，無需另外再配置相應的GPS定位模塊。
進一步的，所述供電單元包括可充電鋰電池、太陽能板單元、充放電管理電路、電池電壓檢測電路，所述可充電鋰電池優選標稱容量3600mAh的3.6V~4.2V電壓的可充電鋰電池，所述太陽能板單元包括兩塊5V的太陽能板。
進一步的，所述LTE Cat-M1模組除了通過所述供電單元供電外，還配備有一所述後備電池，所述後備電池為一鈕扣電池，所述鈕扣電池為隱藏式安裝，與所述LTE Cat-M1模組通過一外殼裝置一體化封閉安裝。
進一步的，在所述供電單元停止供電後，所述後備電池繼續為所述LTE Cat-M1模組提供電量供應，讓所述LTE Cat-M1模組與遠程雲平臺繼續保持周期性連接互動。
進一步的，所述振動傳感器是一全方向微型振動傳感器，所述振動傳感器可感知任意方位的振動、傾斜、或位移，並可通過電路或軟體設置來進行靈敏度調節。
進一步的，當所述防盜型在線水質監測裝置安裝布置於水面時，可以通過配置關閉所述振動傳感器的檢測工作；當布置在岸上固定位置時，啟動振動傳感器的檢測工作。
進一步的，所述環境監測單元是一大氣壓檢測模組，包括檢測環境溫度和大氣壓力檢測，所述大氣壓力檢測結果用於所述溶解氧傳感器的壓力補償。
進一步的，所述電導率傳感器、所述溶解氧傳感器、所述pH傳感器通過一信號調理模塊處理後與所述微控制器相連，傳感器的模擬信號經所述信號調理模塊處理後轉換為數位訊號，在所述微控制器內置的ADC進一步處理後，根據相應算法換算成對應的工程量並儲存。
進一步的，所述溫度傳感器內置於所述溶解氧傳感器中，所述溫度傳感器是一單總線溫度傳感器，直接與所述微控制器以IIC方式相連，所述溫度傳感器優選DS18B20型號的溫度傳感器。
進一步的，所述溫度傳感器也可以根據實際需求單獨另外提供一個或多個，與所述溶解氧傳感器中內置的溫度傳感器的導線直接並聯後連接至所述微控制器。
進一步的，所述微控制器是一種基於ARM內核且內置存儲單元的低功耗微控制器，所述低功耗微控制器優先選用STM32L系列晶片。
進一步的，所述報警裝置包括一MP3播放器，所述MP3播放器由所述微控制器觸發，所述MP3播放器已經預置儲存報警語音信息，所述報警語音信息類型包括提醒信息、警告信息、報警信息。
一種基於LTE Cat-M1的防盜型在線水質監測裝置的使用方法，包括以下步驟：
S1：振動傳感器感知短時間的振動、傾斜信號，所述報警裝置中的MP3播放器觸發，播放提醒信息；
S2：所述LTE Cat-M1模組在周期性傳輸水質監測數據信息的同時，同步傳輸短時異常信息；
S3：檢測到振動信號超過預設時間規則，所述MP3播放器播報警告震懾信息；
S4：所述LTE Cat-M1模組觸發警戒模式，實時將設備異常情況及設備定位傳輸至平臺，通過平臺實時通知相關維護人員；
S5：振動傳感器感知到位移信號，所述MP3播放器播放警鈴鳴叫聲音；
S6：啟動周期性定位追蹤功能；
S7：工作人員通過定位找到設備。
進一步的，所述基於LTE Cat-M1的防盜型在線水質監測裝置的使用方法還包括以下關鍵步驟：
（1）在振動傳感器感知到持續的位移信號後，在一定時間規則內，繼續保持這種位移信號，則所述水質監測裝置只保留所述LTE Cat-M1模組和所述人聲識別裝置的供電，其他器件通過硬體判斷電源供應或者直接進入休眠狀態，所述MP3也不再播放任何信息；
（2）人聲識別裝置啟動；
（3）人聲識別裝置在檢測到可能有多人在附近活動時，突然啟動MP3播放器，播放設備被盜報警信息。
與現有的技術相比，本發明具有以下有益效果：
（1）無線數據傳輸互動與被盜設備的追蹤定位共用一個LTE Cat-M1通訊模組，節省硬體成本開支，減少整機功耗，而且方便維護，同樣減少了設備的維護成本；
（2）低功耗的LTE Cat-M1通訊模組結合隱藏式後備鈕扣電池供電，在主供電單元被拆除後，也能繼續保持工作狀態，隨時具備被盜設備的追蹤定位功能；
（3）在設備已安裝固定的場景應用中，通過全方向微型振動傳感器感知任意方位的振動、傾斜、或位移，獲取設備被移動的異常情況，及時採取有效措施制止或者通過定位追蹤設備被移動方位；
（4）通過軟體編程實現不同的報警規則，符號現實中的實際應用，分別對應提醒、警告、震懾、報警、突然報警的不同層次的場景。
附圖說明
圖1為本發明實施例的構造示意圖。
圖2為本發明實施例的系統組成示意圖。
圖3為本發明實施例的實現方法框圖。
圖1中：1- LTE Cat-M1模組、2-微控制器、3-振動傳感器、4-電導率傳感器、5-溫度傳感器、6-溶解氧傳感器、7- pH傳感器、8-環境監測單元、9-供電單元、10-後備電池、11-報警裝置、12-人聲識別裝置。
具體實施方式
下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，附圖是本發明的一些實施方式，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他形式的附圖。
如圖1所示，一種基於LTE Cat-M1的防盜型在線水質監測裝置，包括LTE Cat-M1模組1、微控制器2、振動傳感器3、電導率傳感器4、溫度傳感器5、溶解氧傳感器6、pH傳感器7、環境監測單元8、供電單元9、後備電池10、報警裝置11、人聲識別裝置12。
在本實施例中，所述LTE Cat-M1模組1是基於低功耗廣域網絡的LTE通訊模塊，所述LTE Cat-M1模組1包括有一採用物聯網專有號段的SIM卡。
在本實施例中，所述LTE Cat-M1模組1都配置有唯一的設備ID號，與SIM卡相互綁定，並預先在遠程雲平臺備案登記在冊。
在本實施例中，所述LTE Cat-M1模組1優選採用基於機器類型通信的兼容eMTC和NB-IoT模塊的多模通訊模組。
在本實施例中，當所述在線水質監測裝置在被人為移動後，通過所述LTE Cat-M1模組1進行遠程報警，並通過所述LTE Cat-M1模組1內置的定位功能進行設備所在位置的準確定位與，無需另外再配置相應的GPS定位模塊。
在本實施例中，所述供電單元9包括可充電鋰電池、太陽能板單元、充放電管理電路、電池電壓檢測電路，所述可充電鋰電池優選標稱容量3600mAh的3.6V~4.2V電壓的可充電鋰電池，所述太陽能板單元包括兩塊5V的太陽能板。
在本實施例中，所述LTE Cat-M1模組1除了通過所述供電單元9供電外，還配備有一所述後備電池10，所述後備電池10為一鈕扣電池，所述鈕扣電池為隱藏式安裝，與所述LTE Cat-M1模組1通過一外殼裝置一體化封閉安裝。
在本實施例中，在所述供電單元9停止供電後，所述後備電池10繼續為所述LTE Cat-M1模組1提供電量供應，讓所述LTE Cat-M1模組1與遠程雲平臺繼續保持周期性連接互動。
在本實施例中，所述振動傳感器3是一全方向微型振動傳感器，所述振動傳感器3可感知任意方位的振動、傾斜、或位移，並可通過電路或軟體設置來進行靈敏度調節。
在本實施例中，當所述防盜型在線水質監測裝置安裝布置於水面時，可以通過配置關閉所述振動傳感器3的檢測工作；當布置在岸上固定位置時，啟動振動傳感器3的檢測工作。
在本實施例中，所述環境監測單元8是一大氣壓檢測模組，包括檢測環境溫度和大氣壓力檢測，所述大氣壓力檢測結果用於所述溶解氧傳感器6的壓力補償。
在本實施例中，所述電導率傳感器4、所述溶解氧傳感器6、所述pH傳感器7通過一信號調理模塊處理後與所述微控制器2相連，傳感器的模擬信號經所述信號調理模塊處理後轉換為數位訊號，在所述微控制器2內置的ADC進一步處理後，根據相應算法換算成對應的工程量並儲存。
在本實施例中，所述溫度傳感器5內置於所述溶解氧傳感器6中，所述溫度傳感器5是一單總線溫度傳感器，直接與所述微控制器2以IIC方式相連，所述溫度傳感器5優選DS18B20型號的溫度傳感器。
在本實施例中，所述溫度傳感器5也可以根據實際需求單獨另外提供一個或多個，與所述溶解氧傳感器6中內置的溫度傳感器的導線直接並聯後連接至所述微控制器2。
在本實施例中，所述微控制器2是一種基於ARM內核且內置存儲單元的低功耗微控制器，所述低功耗微控制器優先選用STM32L系列晶片。
在本實施例中，所述報警裝置11包括一MP3播放器，所述MP3播放器由所述微控制器2觸發，所述MP3播放器已經預置儲存報警語音信息，所述報警語音信息類型包括提醒信息、警告信息、報警信息。
在本實施例中，如圖2所示，多個所述基於LTE Cat-M1的防盜型在線水質監測裝置、遠程雲平臺及手機APP應用組成一個系統，可通過所述手機APP應用查詢定位所述防盜型在線水質監測裝置的所在位置。
在本實施例中，如圖3所示，一種基於LTE Cat-M1的防盜型在線水質監測裝置的使用方法，包括以下步驟：
S1：振動傳感器感知短時間的振動、傾斜信號，所述報警裝置中的MP3播放器觸發，播放提醒信息；
S2：所述LTE Cat-M1模組在周期性傳輸水質監測數據信息的同時，同步傳輸短時異常信息；
S3：檢測到振動信號超過預設時間規則，所述MP3播放器播報警告震懾信息；
S4：所述LTE Cat-M1模組觸發警戒模式，實時將設備異常情況及設備定位傳輸至平臺，通過平臺實時通知相關維護人員；
S5：振動傳感器感知到位移信號，所述MP3播放器播放警鈴鳴叫聲音；
S6：啟動周期性定位追蹤功能；
S7：工作人員通過定位找到設備。
在本實施例中，所述基於LTE Cat-M1的防盜型在線水質監測裝置的使用方法還包括以下關鍵步驟：
（1）在振動傳感器感知到持續的位移信號後，在一定時間規則內，繼續保持這種位移信號，則所述水質監測裝置只保留所述LTE Cat-M1模組和所述人聲識別裝置的供電，其他器件通過硬體判斷電源供應或者直接進入休眠狀態，所述MP3也不再播放任何信息；
（2）人聲識別裝置啟動；
（3）人聲識別裝置在檢測到可能有多人在附近活動時，突然啟動MP3播放器，播放設備被盜報警信息。
在本實施例中，本發明通過無線數據傳輸互動與被盜設備的追蹤定位共用一個LTE Cat-M1通訊模組，節省硬體成本開支，減少整機功耗，而且方便維護，同樣減少了設備的維護成本；採用低功耗的LTE Cat-M1通訊模組結合隱藏式後備鈕扣電池供電，在主供電單元被拆除後，也能繼續保持工作狀態，隨時具備被盜設備的追蹤定位功能；在設備已安裝固定的場景應用中，通過全方向微型振動傳感器感知任意方位的振動、傾斜、或位移，獲取設備被移動的異常情況，及時採取有效措施制止或者通過定位追蹤設備被移動方位；通過軟體編程實現不同的報警規則，符號現實中的實際應用，分別對應提醒、警告、震懾、報警、突然報警的不同層次的場景。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，任何人在本發明的啟示下都可以得出其他各種形式的基於LTE Cat-M1的防盜型在線水質監測裝置及其使用方法，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。