便携式浑浊水域在线三维坐标水质检测系统

摘要

本发明涉及便携式浑浊水域在线三维坐标水质检测系统，它包括电动船（1）、器件平台（20）和在线水体水质检测装置，其特征是：所述的在线水体水质检测装置包括水质检测传感器（6）、折叠装置（5）、组合电缆、数据存储装置（19）、无线信号传输装置和地面控制界面的一体化和可视化系统；水质检测传感器（6）通过折叠装置（5）与升降牵引装置的下端连接，其输入端通过组合电缆中的电缆线与嵌入式控制系统（9）连接，嵌入式控制系统（9）与直流电源（18）连接，输出端通过组合电缆中的另电缆线分别与数据存储装置（19）和无线信号传输装置连接。本发明实现了系统的控制完全智能化及三维水质检测，可广泛应用于疾控中心、水产养殖业、江河湖泊及海洋水体环境监控等领域。

说明书

技术领域

本发明便携式浑浊水域在线三维坐标水质检测系统，属于电子设备领域。

背景技术

水产养殖在追求最大产出量的同时，使得养殖密度不断增加，容易造成了养殖物代谢物和残余饲料的积累过多，削弱了养殖水体自身的净化能力，从而引发养殖水体水质和底质日益恶化，氨氮和亚硝酸盐偏高，溶解氧下降，水体环境正常的生化反应功能受阻等负面效果，出现养殖物机体组织缺氧，生长、代谢和生命活动减慢，养殖物的抗病能力下降，疾病频发和流行等与追求最大产出量相矛盾的情况出现。 

特别是受阴雨天气影响，有害微生物大量繁殖，是过剩残饲和鱼、虾大量排泄物的累积、过度施肥、生物尸体等大量的有机物在短时间内被分解、脱氨，消耗大量的溶解氧，产生大量的硫化氢、氨氮等有害物质，对水下养殖物产生毒害作用，导致养殖物食欲下降、体质变弱，抗病力降低，从而暴发疾病造成大量养殖物死亡。

为有效解决水产养殖过程中出现的问题，对水域水体质量进行实时检测，及时掌握水域水体质量和水下病死鱼虾的情况，针对性地开展防疫和清理，使本水域水体质量达到国家制定的无公害食品 淡水、海水养殖用水水质标准， 为水产养殖优质高产打下良好的基础，将显得十分必要。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种便携式浑浊水域在线三维坐标水质检测系统，可以在浑浊的水域对水体成分进行三维在线检测。

本发明是这样实现的：它包括电动船、器件平台和在线水体水质检测装置，器件平台上设有嵌入式控制系统、数据存储装置、无线信号传输装置、直流电机、升降牵引装置、和直流电源，所述的在线水体水质检测装置包括水质检测传感器、折叠装置、组合电缆、数据存储装置、无线信号传输装置、和地面控制界面的一体化和可视化系统；水质检测传感器通过折叠装置与升降牵引装置的下端连接，水质检测传感器的输入端通过组合电缆中的供电电线与嵌入式控制系统中的水质检测控制子系统连接，嵌入式控制系统中的水质检测控制子系统与直流电源连接，水质检测传感器的输出端通过组合电缆中的检测信号线与嵌入式控制系统中的水质检测控制子系统后，再与数据存储装置和无线信号传输装置连接。

器件平台还设有船体的自动定位系统、自动导航系统、设备自动检测装置中的一种、二种或三种；并通过串口分别与嵌入式控制系统中的自动定位控制子系统、自动导航控制子系统、自动检测控制子系统中的一种、二种或三种连接，设备自动检测装置同时通过串口与各功能装置连接。

所述组合电缆和升降牵引装置中的不锈钢绳组合成拉索组合电缆，拉索组合电缆中的不锈钢绳一端与升降牵引装置中的绞线轮连接，另一端与折叠装置连接。

所述折叠装置内设有转向直流电机和齿轮箱，转向直流电机与齿轮箱连接，齿轮箱与曲柄连接，曲柄与水质检测传感器连接，转向直流电机通过组合电缆中的转向直流电机供电电线与嵌入式控制系统中的水质检测控制子系统连接。

所述的水质检测传感器的一侧底部连接设有超声波测距传感器，所述超声波测距传感器输入端通过组合电缆中的测距传感供电电线与嵌入式控制系统的测距处理子系统及直流电源连接，所述超声波测距传感器输出端通过测距信号线与嵌入式控制系统的测距处理子系统连通后，一路与数字化存储装置、无线信号传输装置连通，另一路与嵌入式控制系统中设有的牵引控制子系统和水下动力控制子系统连通，牵引控制子系统与升降牵引装置连通，水下动力控制子系统与电动船的动力推进装置连通。

本发明通过牵引器、水质检测传感器、自动导航、自动定位、设备自动检测、数据存储、无线信号传输和远程遥控、地面控制界面的一体化和可视化系统，实现了系统的控制完全智能化及三维水质检测。本发明可广泛应用于疾控中心、水产养殖业、江河湖泊及海洋水体环境监控等领域。

附图说明

图1、本发明实施例1的主视结构示意图。

图2、本发明实施例1的侧视结构示意图。

图3、本发明实施例1的俯视结构示意图。

图中：电动船1，水下推进器2，牵引器3，超声波测距传感器 4，折叠装置5，水质检测传感器6，无线信号发射天线7，自动导航系统8，嵌入式控制系统9，自动定位系统10，无线信号发射机11，控制系统接收天线12，设备自动检测装置13，直流电机14，电机固定支架15，绞线轮16，拉索组合电缆17，直流电源18，数据存储装置19，器件平台20。

具体实施方式

本发明可以通过发明内容中说明的技术中具体实施，通过下面的实施例可以对本发明进行进一步的描述，然而，本发明的范围并不限于下述实施例。

实施例1：

它包括电动船1、器件平台20和在线水体水质检测装置，器件平台20上设有船体的自动导航系统8、嵌入式控制系统9、自动定位系统10、无线信号传输装置、设备自动检测装置13、直流电机14、电机固定支架15、升降牵引装置、直流电源18、和数据存储装置19，其特征是：所述的在线水体水质检测装置包括水质检测传感器6 、折叠装置5、拉索组合电缆17、数据存储装置19、无线信号传输装置和地面控制界面的一体化和可视化系统；水质检测传感器6通过折叠装置5与升降牵引装置的下端连接，所述的拉索组合电缆17包括不锈钢绳和组合电缆；拉索组合电缆17中的不锈钢绳一端与升降牵引装置中的绞线轮16连接，另一端与折叠装置5连接；水质检测传感器6的输入端通过组合电缆中的供电电线与嵌入式控制系统9中的水质检测控制子系统连接，嵌入式控制系统22中的水质检测控制子系统与直流电源18连接，水质检测传感器6的输出端通过组合电缆中的检测信号线与嵌入式控制系统9中的水质检测控制子系统、数据存储装置19和无线信号传输装置连接。

所述的升降牵引装置包括带刹的直流电机14、绞线轮16、牵引器3和拉索组合电缆17中的不锈钢绳；绞线轮16与直流电机14的输出轴连接，不锈钢绳一端与绞线轮16连接；牵引器3由多节牵引套管组成，相邻的引套管之间轴向滑动连接，径向定位连接，牵引器3的一端固定在绞线轮16的下方；拉索组合电缆17内置于多节牵引套管的管心内或管身外，牵引器3的另一端和与折叠装置5连接。

所述的无线信号传输装置包括无线信号发射机11、无线信号接收机和无线信号发射天线7，无线信号发射机11装在一密封的固定盒内，无线信号发射天线7由密封孔导出，并延伸至电动船1尾部。

所述的嵌入式控制系统9与控制系统接收天线12连接，嵌入式控制系统9装在一密封的固定盒内，控制系统接收天线12由密封孔导出。

所述的自动定位系统10包括船载机、地面固定机和串口；船载机固定在电动船1内，通过串口与嵌入式控制系统9中的自动定位控制子系统连接。              

所述的自动导航系统8包括自动导航装置和串口；自动导航装置固定在电动船1内，通过串口与嵌入式控制系统9中的自动导航控制子系统连接。

所述的地面控制界面的一体化和可视化系统包括地面控制界面的一体化可视化装置和鼠标；地面控制界面的一体化可视化装置通过USB接口与鼠标连接。

所述的设备自动检测装置13包括自动检测微型电脑和串口；自动检测微型电脑固定在电动船1内，通过串口与嵌入式控制系统9中的自动检测控制子系统连接，并通过串口与各功能装置连接。

所述折叠装置5内设有转向直流电机和齿轮箱，转向直流电机与齿轮箱连接，齿轮箱与曲柄连接，曲柄与水质检测传感器6连接，转向直流电机通过组合电缆中的转向直流电机供电电线与嵌入式控制系统9中的水质检测控制子系统连接。

所述的牵引器3的一端固定在绞线轮16下方的器件平台20上。电动船1可采用玻璃钢船。

所述的水质检测传感器6的一侧底部连接设有超声波测距传感器 4，所述超声波测距传感器 4输入端通过组合电缆中的测距传感供电电线与嵌入式控制系统9的测距处理子系统及直流电源18连接，所述超声波测距传感器 4输出端通过测距信号线与嵌入式控制系统9的测距处理子系统连通后，一路与数字化存储装置31、无线信号传输装置连通，另一路与嵌入式控制系统9中设有的牵引控制子系统和水下动力控制子系统连通，牵引控制子系统与升降牵引装置连通，水下动力控制子系统与电动船1的动力推进装置连通。

所述的超声波测距传感器 4是用一对超声波发射和接收器件与微处理器接口连接，结合MCU的定时计数器功能进行测距。

所述的无线信号传输装置包括无线信号发射机11和无线信号发射天线7，无线信号遥控接收装置包括嵌入式控制系统9和控制信号接收天线12，无线信号发射机11和嵌入式控制系统9分别装在密封的固定盒内，无线信号发射天线7和控制系统接收天线12分别由两密封孔导出，无线信号发射天线7延伸至电动船1尾部，控制系统接收天线12直接与嵌入式控制系统9连接。

所述的嵌入式控制系统9，对内通过串口或电缆线分别与自动导航系统8、自动定位系统10、水下推进器2、直流电机14、折叠装置5、直流电源18、水质检测传感器6、超声波测距传感器 4、折叠装置5连接；对外通过控制系统接收天线12接收地面控制界面一体化可视化系统的指令。

所述的自动检测装置13，通过串口分别与水下推进器2、水质检测传感器 6、自动导航系统8、自动定位系统10、嵌入式控制系统9、无线信号发射机11、数据存储装置19、直流电机14、直流电源18等各功能装置连接。

所述的水质检测传感器6，是对水产养殖业对水体各项物理和化学指标的要求，设计出同时可进行多种信息的采集及分析的设备。根据国家有关水产养殖水域水质检测标准规定，该设备实时检测的项目有水温、PH值、盐度、电导率、浊度、亚硝酸盐、硫化氢、溶解氧、氨氮等参数。这里涉及的问题主要是相应的传感器的选择，其次是微处理器的接口、采样和数据处理。拟采用的技术方案是把各水质传感器和一个微型水深传感器高度集成为一个探测头，它体积小，重量轻，具备必须的电源和信号线路，它们分别与船体上的电源和微处理器接口连接。最后有关数据连同检测位置（三维坐标）和时间被保存在数据存储装置19的存储卡中；如有必要，也可即时通过无线传输到地面控制界面一体化可视化系统中。

所述的嵌入式控制系统9，是以32位微处理器为核心的嵌入式系统。它处理速度快、内存量大、片内系统资源丰富，可以承载嵌入式实时操作系统；由此就可以实现上述的电子地图、鼠标控制、高清图文液晶显示等功能。

所述的船体的自动定位系统10，是采用GPS技术。鉴于目前我们只能获取GPS卫星的一般民用信号，单机测量精度低，因此要实行多机相对测量技术。具体实施方案是，船载一台GPS接收机，地面岸上设置一到多台固定位置的GPS接收机（当然数量多，相对位置精度高，但也要考虑到成本，一般设置两台组成一基线）。工作时，船载机和地面固定机同步运行（由于GPS系统有时钟信号，这点完全可以实现）；所有各机的数据都要记录保存，后续处理得到船体某一刻相对固定点的坐标位置。

所述的船体的自动导航系统8，在自动定位系统的基础上，要使船体按指定的路线航行，首先要设计好与实际水域相符的电子地图和直角坐标系，在使用中，定位系统的最终数据与地图上的路线相对照，船体的动力推进控制系统自动调整即时航向。这样用户就不用实时目测和遥控船体运动，而是可以把预先设定好的路线数据（每条直线段两端点的坐标）发送给船体，让它自动执行。

所述的设备的自动检测装置，是在开机初始，船体电脑对整个系统设备各项功能指标进行自检，传输出结果。在运行过程中也能对故障自检分析，包括对电源的监测，并在低于正常指标的时候报警，自动返航。

地面控制界面一体化可视化系统利用预先设计好的与实际水域相符的电子地图和直角坐标系，并且在便携式的LCD屏幕上可以显示该水域的电子地图，用鼠标点击图标或地图来向船体发送指令或数据。定位系统的最终数据与地图上的路线相对照，船体的动力推进控制系统自动调整即时航向。

使用时，首先对无线信号发射机11和接收机进行调频对接，然后，将电动船1置于水面，打开电源开关；利用鼠标在地面控制界面一体化可视化系统LCD屏幕中显示的该水域的电子地图上，点击地图上某点，使电动船1启动驶离水岸，点击启动折叠装置5工作键，嵌入式控制系统9中的水质检测控制子系统给折叠装置5和超声波测距传感器 4通电，折叠装置5内的转向直流电机带动齿轮箱旋转，使水质检测传感器6与水平面垂直，这时嵌入式控制系统9中的水质检测控制子系统会自动关闭对折叠装置5的通电。

此时超声波测距传感器 4能把水质检测传感器6最低端和水底地面之间的距离反馈到嵌入式控制系统9的测距处理子系统，嵌入式控制系统9的测距处理子系统会根据预先输入的水质检测传感器6最低端和水底地面之间的距离来控制牵引器3上升和下降，自动调节它们之间的距离至预先输入的距离；点击启动水质检测传感器6的工作键，嵌入式控制系统9中的水质检测控制子系统给水质检测传感器6通电，水质检测传感器6开始工作。

把电动船1需运行的线路图输入到地面控制界面一体化可视化系统中，在自动导航系统8和自动定位系统10作用下，电动船1按输入的线路运行；预先把几处深度、某几段时间点需要检测水质的相关数据输入到地面控制界面一体化可视化系统中，水质检测传感器6就能根据这些数据，采集得到水体的水温、pH值、盐度、电导率、 亚硝酸盐、硫化氢、浊度、溶解氧、氨氮等参数，通过嵌入式控制系统9中的水质检测控制子系统，一方面保存还是数据存储装置19中，另一方面可通过无线信号发射机11实时传输到地面控制界面一体化可视化系统中进行分析处理。工作完成后折叠装置5会自动折叠，水质检测传感器6恢复起始状态，电动船1返回。