CN211235830U - 无人船水质监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无人船水质监测系统，包括：无人船、无人船控制模块、与无人船控制模块连接的水质采样模块、与无人船控制模块无线连接的上位机；其中，无人船为第一船体和第二船体组合形成的双体船，第一船体和第二船体之间通过连接件连接；水质采样模块包括：采样池、设置在采样池侧壁的多个传感器以及用于将水样抽至采样池的抽水装置，采样池设置在双体船之间。本实用新型结构简单，便于组合安装，同时可提供双倍的动力和空间以及可以有效的防止侧翻；且水样抽入到采样池后，传感器可以在线对水质进行检测，方便快捷。

Description

无人船水质监测系统

技术领域

本实用新型涉及水环境监测设备技术领域，更具体地说，本实用新型涉及一种无人船水质监测系统。

背景技术

目前我国水环境监测主要包括：实验室监测方法和水质监测站监测方法和移动监测方法。

实验室监测方法需要工作人员到预先设定的采样地点采集水样，然后在实验室对水样进行详细的水质分析并生成报告。工作人员到水域采集水样主要使用租赁船只的方式。环保部门主要利用这种方法进行周期的水质监测与环境变化评估。实验室监测方法的优点在于测量的水质参数准确度高，缺点是监测周期较长，监测过程消耗的人力物力成本较高，且实时性差，无法预警突发的水污染事故。且工作人员所处的监测环境安全性较差，其人身安全得不到有效的保障。另一个方面，使用这种方法所得到的监测数据不适合进行信息化管理。

水质监测站监测方法在我国的使用较为广泛。该方法需要修建专门的监测站点，监测工作在各自的站点内部完成。这种监测方法的优点在于监测的数据精度高，较少受到外界因素的影响。我国各级环保部门在次用水源地及水库周边建设水质监测站点，对饮用水源地的水环境变比进行全天候的监测。并且各地监测站水质监测数据均被联入政府水环境网站，公民课通过监测网站实时查看水环境监测的准确数据。而缺点在于需要选址建立监测站点，建造所需要的投资成本及设备维护产生的成本较大。并且修建监测站会对水域周围的生态环境造成一定程度的破坏，单个监测站所能监测的水域范围有限，要对大规模的水域进行监测只能增加监测站点数量。

因此，亟需设计该方法主要用于应急移动监测和周期性水质安全巡检。一种方式是工作人员乘载移动监测船到达指定现场进行对水资源进行采集和分析。第二种方式是控制搭载水质检测传感器的可移动平台，移动到指定的水域对水质进行采样并分析。其中移动监测具有成本低、测量及时、灵活性好、覆盖范围广等优点。

现有的可移动平台结构较为复杂，不便于安装组合；同时存在水样采集不够方便，采集到的水样不方便从可移动平台上取下带走的问题，因此亟需优化可移动平台结构，提高组装、采样和留样的便利性。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是解决至少上述缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本实用新型的另一个目的是提供一种组装简单方便、采样和留样便利的无人船水质监测系统。

为了实现本实用新型的这些目的和其它优点，本实用新型提供一种无人船水质监测系统，包括：无人船、无人船控制模块、与所述无人船控制模块连接的水质采样模块、以及与所述无人船控制模块无线连接的上位机；

其中，所述无人船为第一船体和第二船体组合形成的双体船，所述第一船体和第二船体之间通过连接件连接，所述连接件包括：1根上螺杆和位于上螺杆下方的3根下螺杆，所述3根下螺杆相互平行且水平设置以使得3根下螺杆上方形成水平的安装区间，所述上螺杆和下螺杆的两端均分别与第一船体和第二船体的侧面可拆卸连接；

所述水质采样模块包括：采样池、设置在采样池侧壁的多个传感器以及用于将水样抽至采样池的抽水装置，所述采样池设置在所述安装区间上，所述采样池的底部被所述下螺杆支撑。

上述技术方案中，无人船由第一船体和第二船体通过螺杆连接形成，一方面结构简单，便于组合安装，另一方面双体船可提供双倍的动力，空间以及可以有效的防止侧翻；采样池设置在双船体之间的安装区间内可以有效地拓展和利用空间，同时保证无人船的稳定性；水样抽入到采样池后，传感器可以在线对水质进行检测，方便快捷。

优选的是，所述的无人船水质监测系统中，所述抽水装置包括水管和蠕动泵，所述水管一端连接至采样池，另一端向下伸延至水源，所述蠕动泵串联在水管上以提供抽水动力。

优选的是，所述的无人船水质监测系统中，所述第一船体和第二船体的外侧分别设置有挂接部，挂接部上可拆卸设置有存样瓶；所述挂接部包括：

固定板，其固定在所述第一船体和第二船体的外侧部；

支撑环，其设置在所述固定板上，所述支撑环具有向上敞开的弧部，所述弧部形成用于放置存样瓶的空间，所述弧部内侧设置有橡胶层；

扣环，其与所述支撑环配合以将存样瓶扣紧在弧部内，所述扣环内侧设置有弹簧以向下压紧存样瓶。

挂接部的结构设计能够将存样瓶快速固定或取出，方便快捷，存样瓶从挂接部上取下，方便带回到实验室进行研究，因此提高了便捷性。

同时，将存样瓶对称挂接在第一船体和第二船体的外侧保证了无人船的平衡和稳定；对于小型的无人船来说，还增加了无人船的装载量。

优选的是，所述的无人船水质监测系统中，所述无人船控制模块包括：

控制器；采用NI myRIO嵌入式控制器，NI myRIO板载资源丰富，具有40个数字I/O、8个单端模拟输入、4个单端模拟输出、2个差分模拟输入、2个对地参考模拟输出、2组UART、6个PWM、1个USB、2组ⅡC、6个SPI等接口，能够满足各种需要。

GPS模块，其连接至所述控制器；选择U-blox公司的NEO-6M型号GPS模块，其主要特点是低成本、低功耗、小型化封装，定位精度可以稳定在一米的范围内。

电子罗盘，其设置在所述无人船的船头位置并连接至所述控制器；电子罗盘选用GY-26型电子罗盘，其是一款低成本的平面数字罗盘模块，负责对无人船船头的角度确定，配合自动导航工作。此电子罗盘精度高、稳定性好、抗干扰性强，还具备重新标定的功能，可以在任意位置准确地获取方位角。

超声波测距传感器，其设置在所述无人船的前端并与所述控制器连接；选用AJ-SR04M-T-X型超声波测距模块负责获取无人船与障碍物之间的距离工作，其测距范围为20～8000cm，测距精度可到达3mm，具备防水功能。

摄像头，其设置在所述无人船上并与所述控制器连接；采用USB摄像头方便组装连接和拆卸。

驱动装置，其与所述控制器连接；

无线通信模块，其与所述控制器连接，可以通过UART连接或USB连接。

优选的是，所述的无人船水质监测系统中，所述无线通信模块为LoRa无线通信模块，所述上位机上也对应设置有LoRa无线通信模块以进行无线连接。LoRa具备长距离通信的特点，其在硬件成本、系统容量、运营模式、安装维护和通信质量方面有一定的优势。

优选的是，所述的无人船水质监测系统中，所述第一船体和第二船体分别设置所述驱动装置，所述驱动装置包括对称设置在船体尾部的左驱动电机和右驱动电机，左驱动电机和右驱动电机分别驱动左螺旋桨和右螺旋桨，所述左驱动电机和右驱动电机分别与所述嵌入式控制器电连接。控制器分别控制左右驱动电机的输出功率，以保持无人船正常行驶。

优选的是，所述的无人船水质监测系统中，所述多个传感器包括：pH/温度传感器、溶解氧传感器、电导率/盐度/TDS传感器和浊度传感器，所述多个传感器分别与嵌入式控制器连接。

优选的是，所述的无人船水质监测系统中，所述存样瓶通过抽样装置抽水存样，所述抽样装置包括抽样管、蠕动泵和电磁阀，抽样管连接在水源和存样瓶之间，蠕动泵与抽样管串联，电磁阀与抽样管串联，抽样装置的蠕动泵和电磁阀均与所述嵌入式控制器连接。

工作时，控制器控制1号蠕动泵工作，将水体抽取进入带有各水质传感器的采样池中；各水质传感器依次工作，对水质信息进行采集；然后控制器在控制2号蠕动泵工作，选择任一电磁阀打开，将采样池或外部水源中的水体抽取进入到对应的存样瓶中。

本实用新型的上位机可设定规划路线和多个目标点，出发采样时，GPS模块工作，获取到当前无人船经纬度坐标；电子罗盘工作，获取无人船姿态信息，控制器自动调整航行方向后按照规划的路线向目标点靠近。超声波测距模块实时获取无人船与障碍物之间的距离信息，若遇到障碍物，到达两者合适的距离后，控制器控制驱动装置驱使无人船绕开障碍物。无人船航行到目标点后停止航行，打开摄像头，对周围水域进行拍照，获得的图片转换成十六进制的字符串通过无线通信模块传至上位机，上位机再对十六进制的字符串进行处理还原真实现场照片。采样工作时，控制器控制蠕动泵抽取水体样本进入带有各类水质传感器的采样池中，各类水质传感器依次工作，采集和分析水质信息，将这些信息通过无线通信模块传至上位机实时显示。已检测的水体从采样池中抽到存样瓶中进行样本存储，以提供后续对水体其他质量指标的检测。完成所有工作后，无人船返航。

本实用新型至少包括以下有益效果：

本实用新型的无人船由第一船体和第二船体通过螺杆连接形成，一方面结构简单，便于组合安装，另一方面双体船可提供双倍的动力和空间以及可以有效的防止侧翻；采样池设置在双船体之间的安装区间内可以有效地拓展和利用空间，同时保证无人船的稳定性；水样抽入到采样池后，传感器可以在线对水质进行检测，方便快捷。

本实用新型的挂接部的结构设计能够将存样瓶快速固定或取出，方便快捷，存样瓶从挂接部上取下，方便带回到实验室进行研究，因此提高了便捷性。同时，将存样瓶对称挂接在第一船体和第二船体的外侧保证了无人船的平衡和稳定；对于小型的无人船来说，还增加了无人船的装载量。

本实用新型的无人船水质监测系统硬件易得、安装和维护方便，操作简单，能够避免复杂的底层硬件设计和软件编程，节省大量的成本和时间。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本实用新型所述的无人船水质监测系统的结构示意图；

图2为本实用新型所述的无人船俯视结构示意图；

图3为本实用新型所述的无人船的正面结构示意图；

图4为本实用新型所述的采样池的结构示意图；

图5为本实用新型所述的挂接部的结构示意图；

图6为本实用新型所述的无人水质监测系统的框架图；

图7为本实用新型所述的无人船控制模块的框架图；

图8为本实用新型所述的水质采样模块的框架图.

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1～8所示，一种无人船水质监测系统，包括：

无人船1；选用大小合适的船模作为第一船体2和第二船体3，第一船体2和第二船体3组合形成的双体船，所述第一船体2和第二船体3之间通过连接件连接，所述连接件包括：位于下方的3根下螺杆15和位于下螺杆上方的1根上螺杆16，所述3根下螺杆15等距水平设置以使得3根螺杆上方形成水平的安装区间，上螺杆16和下螺杆15的两端分别与第一船体2和第二船体3的侧面可拆卸连接；具体来说，每根螺杆通过垫片和蝶形螺母配合以实现与船体的可拆卸连接，同时防止漏水。

无人船控制模块；设置在无人船1上，用于控制无人船1的航行和采样，可以选择设置在第一船体2或第二船体3。

与所述无人船控制模块连接的水质采样模块；如图3和4所示，所述水质采样模块包括：采样池17、设置在采样池17侧壁的多个传感器18以及用于将水样抽至采样池17的抽水装置，采样池17可以使用盒子做成，盒子内部具有容纳水样的空间，所述采样池17设置在所述3根下螺杆上方形成的安装区间上，所述采样池17的底部被所述下螺杆支撑，采样池17的侧部或顶部与上螺杆16连接固定。

与所述无人船控制模块无线连接的上位机；上位机具有良好的人机交互界面，上位机可以在线观察水质参数，从而完成水质的在线监测；上位机也可以设定无人船的航线，使得无人船按照特定的线路达到特定的采样点进行水样采集；上位机也可以通过无人船控制模块控制水质采样模块进行工作和关闭。

进一步，所述抽水装置包括水管和蠕动泵，所述水管一端连接至采样池17，另一端向下伸延至无人船1下方的水源，所述蠕动泵串联在水管上以提供抽水动力，这样就可以将水样抽到采样池内。

进一步，所述第一船体2和第二船体3的外侧分别设置有挂接部4，挂接部4上可拆卸设置有存样瓶；具体如图5所示，所述挂接部4包括：

固定板10，其固定在所述第一船体2和第二船体3的外侧部；

支撑环11，其设置在所述固定板10上，所述支撑环11具有向上敞开的弧部，所述弧部形成用于放置存样瓶的空间，所述弧部内侧设置有橡胶层13；

扣环12，其与所述支撑环11配合以将存样瓶扣紧在弧部内，所述扣环内侧设置有弹簧14以向下压紧存样瓶。扣环12的端头设置有与支撑环11配合的扣接块。

挂接部4的结构设计能够将存样瓶快速固定或取出，方便快捷，存样瓶从挂接部上取下，方便带回到实验室进行研究，因此提高了便捷性。

同时，将存样瓶对称挂接在第一船体和第二船体的外侧保证了无人船的平衡和稳定；对于小型的无人船来说，还增加了无人船的装载量。

进一步，所述无人船控制模块包括：

控制器；采用NI myRIO嵌入式控制器，NI myRIO板载资源丰富，具有40个数字I/O、8个单端模拟输入、4个单端模拟输出、2个差分模拟输入、2个对地参考模拟输出、2组UART、6个PWM、1个USB、2组ⅡC、6个SPI等接口，能够满足各种需要。

GPS模块5，其设置在无人船上并连接至所述控制器；选择U-blox公司的NEO-6M型号GPS模块，其主要特点是低成本、低功耗、小型化封装，定位精度可以稳定在一米的范围内。

电子罗盘6，其设置在所述无人船1的船头位置并连接至所述控制器；电子罗盘6选用GY-26型电子罗盘，其是一款低成本的平面数字罗盘模块，负责对无人船船头的角度确定，配合自动导航工作。此电子罗盘精度高、稳定性好、抗干扰性强，还具备重新标定的功能，可以在任意位置准确地获取方位角。

超声波测距传感器8，其设置在所述无人船1的前端并与所述控制器连接；选用AJ-SR04M-T-X型超声波测距模块负责获取无人船与障碍物之间的距离工作，其测距范围为20～8000cm，测距精度可到达3mm，具备防水功能。检测到障碍物时，无人船1上的控制器myRIO将会自动控制驱动装置调整无人船避开障碍物，然后重新规划路线朝向目标点前进，整个避障过程由myRIO控制无人船独立完成。

摄像头7，其设置在所述无人船1上并与所述控制器连接；采用USB摄像头方便组装连接和拆卸。无人船1到达水样采集点后，控制器可以控制摄像头7拍摄周围环境，拍摄到的图像经过控制器处理后通过无线传输上传到上位机，这样上位机可以直接看到无人船周围的环境状况。

驱动装置，其与所述控制器连接；驱动装置可以改变驱动无人船移动速度快慢，也可以保持或改变无人船行驶的方向。

无线通信模块9，其与所述控制器连接，可以通过UART连接或USB连接，以便进行上位机和无人船之间的通信。

进一步，所述无线通信模块为LoRa无线通信模块，所述上位机上也对应设置有LoRa无线通信模块以进行无线连接。LoRa具备长距离通信的特点，其在硬件成本、系统容量、运营模式、安装维护和通信质量方面有一定的优势。

进一步，所述第一船体2和第二船体3分别设置所述驱动装置，所述驱动装置包括对称设置在船体尾部的左驱动电机和右驱动电机，左驱动电机和右驱动电机分别驱动左螺旋桨和右螺旋桨，所述左驱动电机和右驱动电机分别与所述嵌入式控制器电连接。控制器分别控制左右驱动电机的输出功率，以保持无人船正常行驶。左右螺旋桨呈八字对称设置，这样当左右驱动电机的运行功率不同时，可以驱动无人船转向，以改变航行路线。

进一步，所述多个传感器18包括：pH/温度传感器、溶解氧传感器、电导率/盐度/TDS传感器和浊度传感器，所述多个传感器18分别与嵌入式控制器连接。

进一步，所述存样瓶通过抽样装置抽水存样，所述抽样装置包括抽样管、蠕动泵和电磁阀，抽样管连接在采样池和存样瓶之间，蠕动泵与抽样管串联，电磁阀与抽样管串联，抽样装置的蠕动泵和电磁阀均与所述嵌入式控制器连接。当存样瓶具有多个时，每个存样瓶分别与一套抽样装置连接。

控制器控制1号蠕动泵(采样池的蠕动泵)工作，将水体抽取进入带有各水质传感器的采样池中；各水质传感器依次工作，对水质信息进行采集；然后控制器在控制2号蠕动泵(抽样装置的蠕动泵)工作，选择任一存样瓶的电磁阀打开，将采样池中的水体抽取进入到对应的存样瓶中。

实施例1

上位机设定规划路线和多个目标采样点，无人船出发采样时，GPS模块工作，获取到当前无人船经纬度坐标；电子罗盘工作，获取无人船姿态信息，控制器自动调整航行方向后按照规划的路线向目标点靠近。超声波测距模块实时获取无人船与障碍物之间的距离信息，若遇到障碍物，到达两者合适的距离后，控制器控制驱动装置驱使无人船绕开障碍物。无人船航行到目标点后停止航行，打开摄像头，对周围水域进行拍照，获得的图片转换成十六进制的字符串通过LoRa无线通信模块传至上位机，上位机再对十六进制的字符串进行处理还原真实现场照片。采样工作时，控制器控制蠕动泵抽取水体样本进入带有各类水质传感器的采样池中，各类水质传感器依次工作，采集和分析水质信息，将这些信息通过无线通信模块传至上位机实时显示。

实施例2

上位机设定规划路线和多个目标采样点，无人船出发采样时，GPS模块工作，获取到当前无人船经纬度坐标；电子罗盘工作，获取无人船姿态信息，控制器自动调整航行方向后按照规划的路线向目标点靠近。超声波测距模块实时获取无人船与障碍物之间的距离信息，若遇到障碍物，到达两者合适的距离后，控制器控制驱动装置驱使无人船绕开障碍物。无人船航行到目标点后停止航行，打开摄像头，对周围水域进行拍照，获得的图片转换成十六进制的字符串通过LoRa无线通信模块传至上位机，上位机再对十六进制的字符串进行处理还原真实现场照片。采样工作时，控制器控制1号蠕动泵工作，将无人船下方水体抽取进入带有各水质传感器的采样池中；各水质传感器依次工作，对水质信息进行采集；然后控制器在控制2号蠕动泵工作，选择任一电磁阀打开，将采样池中的水体抽取进入到对应的存样瓶中留存，以提供后续对水体其他质量指标的检测。完成所有工作后，无人船返航。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。

Claims (8)

1.一种无人船水质监测系统，其特征在于，包括：无人船、无人船控制模块、与所述无人船控制模块连接的水质采样模块、以及与所述无人船控制模块无线连接的上位机；

其中，所述无人船为第一船体和第二船体组合形成的双体船，所述第一船体和第二船体之间通过连接件连接，所述连接件包括：1根上螺杆和位于上螺杆下方的3根下螺杆，所述3根下螺杆相互平行且水平设置以使得3根下螺杆上方形成水平的安装区间，所述上螺杆和下螺杆的两端均分别与第一船体和第二船体的侧面可拆卸连接；

所述水质采样模块包括：采样池、设置在采样池侧壁的多个传感器以及用于将水样抽至采样池的抽水装置，所述采样池设置在所述安装区间上，所述采样池的底部被所述下螺杆支撑。

2.如权利要求1所述的无人船水质监测系统，其特征在于，所述抽水装置包括水管和蠕动泵，所述水管一端连接至采样池，另一端向下伸延至无人船下方水源，所述蠕动泵串联在水管上以提供抽水动力。

3.如权利要求2所述的无人船水质监测系统，其特征在于，所述第一船体和第二船体的外侧分别设置有挂接部，挂接部上可拆卸设置有存样瓶；所述挂接部包括：

固定板，其固定在所述第一船体和第二船体的外侧部；

支撑环，其设置在所述固定板上，所述支撑环具有向上敞开的弧部，所述弧部形成用于放置存样瓶的空间，所述弧部内侧设置有橡胶层；

扣环，其与所述支撑环配合以将存样瓶扣紧在弧部内，所述扣环内侧设置有弹簧以向下压紧存样瓶。

4.如权利要求3所述的无人船水质监测系统，其特征在于，所述无人船控制模块包括：

嵌入式控制器；

GPS模块，其连接至所述嵌入式控制器；

电子罗盘，其设置在所述无人船上并连接至所述嵌入式控制器；

超声波测距传感器，其设置在所述无人船上并与所述嵌入式控制器连接；

摄像头，其设置在所述无人船上并与所述嵌入式控制器连接；

驱动装置，其与所述嵌入式控制器连接；

无线通信模块，其与所述嵌入式控制器连接。

5.如权利要求4所述的无人船水质监测系统，其特征在于，所述无线通信模块为LoRa无线通信模块，所述上位机上也对应设置有LoRa无线通信模块以进行无线连接。

6.如权利要求5所述的无人船水质监测系统，其特征在于，所述第一船体和第二船体分别设置所述驱动装置，所述驱动装置包括对称设置在船体尾部的左驱动电机和右驱动电机，左驱动电机和右驱动电机分别驱动左螺旋桨和右螺旋桨，所述左驱动电机和右驱动电机分别与所述嵌入式控制器电连接。

7.如权利要求6所述的无人船水质监测系统，其特征在于，所述多个传感器包括：pH/温度传感器、溶解氧传感器、电导率/盐度/TDS传感器和浊度传感器，所述多个传感器分别与嵌入式控制器连接。

8.如权利要求7所述的无人船水质监测系统，其特征在于，所述存样瓶通过抽样装置抽水存样，所述抽样装置包括抽样管、蠕动泵和电磁阀，抽样管连接在水源和存样瓶之间，蠕动泵与抽样管串联，电磁阀与抽样管串联，抽样装置的蠕动泵和电磁阀均与所述嵌入式控制器连接。

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