基于GPS的船舶生活污物距岸排放系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及船舶排污技术领域，特别是涉及一种基于GPS的船舶生活污物距岸排放系统及其控制方法。

背景技术

船舶生活污物是一种重要的船舶污染源，国际颁布了一系列法规用来防治船舶污染。以船舶生活污水为例，随着船舶生活污水处理工艺的提高，出现了一系列新型科学生活污水处理手段，如物理化学法、电解法、生物法和膜生物法。但是由于国家相关法规对排放控制标准(GB 3352-2018)的严格要求，经处理后的船舶生活污水排放一直是亟待解决的问题。2018年，国家生态环境部下发的《船舶水污染排放控制标准》生效实施，其中船舶生活污水排放标准高于现有法规、MARPOL公约。同步发布的《船舶水污染防治技术政策》明确了其强制性。在行驶途中，船舶轮机员在日常管理生活水处理装置排放时，无法获悉当前船舶航行状态是否满足相关法规排放条件，给生活污水处理装置的管理带来巨大困难，另一方面，生活污水处理装置对处理后的污水储存能力十分有限，因而及时排放具有十分的必要性，而且生活污水处理装置长久以来都是由轮机员在机旁手动操作，十分不便。因此，设计一种基于GPS的船舶生活污物距岸排放系统是十分有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于GPS的船舶生活污物距岸排放系统及其控制方法，结构简单、易于安装，能够实现生活污水处理装置排放的自动化控制，降低了轮机员的劳动强度，能够有效地避免污水外泄造成污染，有效推进了船舶自动化管理。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于GPS的船舶生活污物距岸排放系统，包括：生活污水处理装置、紫外线杀菌装置、粉碎排污泵及检测控制模块，所述生活污水处理装置设置有两路排污出口，一路连接通岸接头管系，用于在靠岸时，将生活污水排放至岸上处理，另一路通过排污管路连接粉碎排污泵，所述粉碎排污泵通过排污管路连接紫外线杀菌装置，所述紫外线杀菌装置通过排污管路连接防浪阀，用于将生活污水排入大海；

所述检测控制模块包括GPS模块、控制模块及多个传感器，所述GPS模块及传感器电性连接所述控制模块，所述控制模块电性连接所述粉碎排污泵，用于控制所述粉碎排污泵的模式转换，多个所述传感器包括第一液位传感器、第二液位传感器、第三液位传感器及流量传感器，所述第一液位传感器、第二液位传感器及第三液位传感器分别设置在所述生活污水处理装置的污水桶的低水位处、高水位处及超高水位处，用于检测生活污水处理装置的水位，所述流量传感器设置在紫外线杀菌装置与防浪阀之间的排污管路上，用于检测排污管路中是否有处理过的生活污水。

可选的，所述通岸接头管系包括通岸排污管、通岸接头及设置在通岸排污管上的截止阀，所述生活污水处理装置的一路排污口连接所述通岸排污管，所述通岸排污管连接所述通岸接头，用于在靠岸时，将生活污水排放至岸上处理。

可选的，所述生活污水处理装置还设置有生活污水总管、透气管、充气管及清水管，所述生活污水总管上设置有闸阀，所述透气管的末端设置有透气帽，所述透气帽为铜丝防火网，所述紫外线杀菌装置与防浪阀之间的排污管路设置有取样口，用于对处理过后的污水进行取样。

可选的，所述粉碎排污泵连接有控制模式转换开关，所述控制模式转换开关电性连接所述控制模块。

可选的，所述控制模块包括单片机主控电路、LCD显示电路、5V电源电路及LED状态指示电路，所述5V电源电路连接所述单片机主控电路，用于给单片机主控电路供电，所述LCD显示电路及LED状态指示电路连接所述单片机主控电路。

可选的，所述单片机主控电路为STC89C52单片机，所述LCD显示电路为LCD128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，所述5V电源电路包括变压器、整流滤波电路及LM7805三端稳压集成电路，通过变压器将220交流电降压至9V交流电，通过整流滤波电路将9V交流电变为9V直流电，通过LM7805三端稳压集成电路得到5V稳压电源。

可选的，所述GPS模块包括3.3V电源电路及GPS芯片电路，所述3.3V电源电路连接GPS芯片电路，用于给GPS芯片电路供电，所述GPS芯片电路为UBLOX-7M GPS定位芯片，所述3.3V电源电路包括滤波电路及AMS117稳压器，所述滤波电路有两组，分别连接所述AMS117稳压器的输入端及输出端，所述3.3V电源电路的输入端连接5V电源电路，输入的5V稳压电源经过滤波电路接入AMS117稳压器的输入端，再从输出端经过滤波电路得到3.3V稳压电源。

可选的，所述单片机主控电路还连接有单片机晶振电路、单片机复位电路、继电器输出电路及报警电路，所述单片机晶振电路用于给单片机主控电路产生控制信号，所述单片机复位电路用于使所有电路恢复至起始状态，所述继电器输出电路用于连接所述控制模式转换开关，实现控制模式的转换，所述报警电路用于进行报警。

一种基于GPS的船舶生活污物距岸排放系统控制方法，应用于所述基于GPS的船舶生活污物距岸排放系统，包括如下步骤：

步骤1：通过GPS模块捕获到按一定截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行，当GPS模块捕获到跟踪的卫星信号后，测量出GPS模块的接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，并解调出卫星轨道参数，根据获得的参数，按定位解算方法进行定位计算出船舶的位置信息；

步骤2：控制模块实时获取生活污水处理装置的液位信息，根据获取的船舶的位置信息判断船舶是否在规划范围内及船舶航速是否符合要求，根据获取的液位信息判断液位是否符合要求，若符合，控制模块通过继电器输出电路控制控制模式转换开关调至自动模式，若任一条件不满足，则控制控制模式转换开关调至手动模式。

可选的，步骤2中，根据得到的船舶位置信息判断是否在规划范围内，具体为：

由领海基线向海测平移规定的距离得到控制线，其中线外为排放区，线内为禁排区，根据得到的船舶位置信息判断船舶位置在排放区或禁排区。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于GPS的船舶生活污物距岸排放系统及其控制方法，利用GPS定位技术、单片机程序控制技术及多传感器协同处理，实现了船舶生活污水的自动化排放，有效避免了污水外泄造成污染的问题，推进了船舶自动化管理，该系统无需改变船舶原装生活污水处理装置固有管路，便于安装；通过在船舶上安装GPS模块及控制模块，实现了在既定污水液位、船舶航速及船舶位置范围内实现自动排放，在其他时刻或条件下处于手动控制排放的功能；该系统设置有通岸接头管系，当具备靠岸条件时，可通过通岸接头管系将生活污水排至岸上处理；该系统设置有第一液位传感器、第二液位传感器及第三液位传感器，分别设置在生活污水处理装置的污水桶的低水位处、高水位处及超高水位处，实时监测污水桶的水位，并将获得信息传输给控制模块，其中当水位达到超高水位处时，控制模块报警，提醒工作人员处理；所述GPS模块及控制模块包括GPS芯片电路、单片机主控电路、LCD显示电路、5V电源电路、3.3V电源电路及LED状态指示电路，GPS芯片电路选用UBLOX-7M GPS定位芯片，精准度高，可完全满足船舶在海上工况下使用，单片机主控电路采用STC89C52单片机，该单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，5V电源电路给单片机供电，3.3V电源电路给GPS芯片电路供电，LCD显示电路采用LCD 128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，该液晶显示器驱动为ST7920，可显示汉字或图形，LED状态指示电路能够显示各个部件的运行状态；所述控制模块还包括继电器输出电路、报警电路、单片机复位电路及单片机晶振电路，所述继电器输出电路能够实现粉碎排污泵的自动与手动功能的转换，所述报警电路在当生活污水处理装置的水位达到超高水位处时报警，提醒工作人员处理，所述单片机晶振电路用于给单片机提供所需要的控制信号，所述单片机复位电路用于使电路恢复到起始状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例基于GPS的船舶生活污物距岸排放系统结构示意图；

图2为GPS芯片电路图；

图3为单片机主控电路图；

图4为LCD显示电路图；

图5为5V电源电路图；

图6为3.3V电源电路图；

图7为单片机晶振电路图；

图8为单片机复位电路图；

图9为继电器输出电路图；

图10为LED状态指示电路图；

图11为液位传感器电路图；

图12为流量传感器电路图；

图13为报警电路图；

图14为本发明实施例基于GPS的船舶生活污物距岸排放系统控制方法的流程框图；

图15为以领海基线为基准的排放区示意图。

附图标记：1、生活污水处理装置；2、粉碎排污泵；3、紫外线杀菌装置；4、取样口；5、防浪阀；6、流量传感器；7、检测控制模块；8、控制模式转换开关；9、第一液位传感器；10、第二液位传感器；11、第三液位传感器；12、清水管；13、充气管；14、透气帽；15、透气管；16、生活污水总管；17、闸阀；18、通岸接头；19、截止阀；20、排污管路；21、通岸排污管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于GPS的船舶生活污物距岸排放系统及其控制方法，结构简单、易于安装，能够实现生活污水处理装置排放的自动化控制，降低了轮机员的劳动强度，能够有效地避免污水外泄造成污染，有效推进了船舶自动化管理。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为发明实施例基于GPS的船舶生活污物距岸排放系统结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的基于GPS的船舶生活污物距岸排放系统，包括：生活污水处理装置1、紫外线杀菌装置3、粉碎排污泵2及检测控制模块7，所述生活污水处理装置1设置有两路排污出口，一路连接通岸接头管系，用于在靠岸时，将生活污水排放至岸上处理，另一路通过排污管路20连接粉碎排污泵2，所述粉碎排污泵2通过排污管路20连接紫外线杀菌装置3，所述紫外线杀菌装置3通过排污管路20连接防浪阀5，用于将生活污水排入大海；

所述检测控制模块7包括GPS模块、控制模块及多个传感器，所述GPS模块及传感器电性连接所述控制模块，所述控制模块电性连接所述粉碎排污泵2，多个所述传感器包括第一液位传感器9、第二液位传感器10、第三液位传感器11及流量传感器6，所述第一液位传感器9、第二液位传感器10及第三液位传感器11分别设置在所述生活污水处理装置1的污水桶的低水位处、高水位处及超高水位处，用于检测生活污水处理装置1的水位，其中所述第一液位传感器9用于低水位时控制粉碎排污泵3的手动运行模式，所述第二液位传感器10用于高水位时控制粉碎排污泵3的自动运行模式，所述第三液位传感器11用于水位的超高位报警，所述流量传感器6设置在紫外线杀菌装置3与防浪阀5之间的排污管路20上，用于检测紫外线杀菌装置3连接的排污管路20中是否有处理过的生活污水。

所述通岸接头管系包括通岸排污管21、通岸接头18及设置在通岸排污管21上的截止阀19，所述通岸接头18符合《国内航行法定检验技术规则》的规定，所述生活污水处理装置1的一路排污口连接所述通岸排污管21，所述通岸排污管21连接所述通岸接头18，用于在在靠岸时，将生活污水排放至岸上处理，其中截止阀19和通岸接头18为铸钢材料。

所述生活污水处理装置1还设置有生活污水总管16、透气管15、充气管13及清水管12，所述生活污水总管16上设置有闸阀17，所述透气管15末端设置有透气帽14，所述透气帽14为铜丝防火网，所述紫外线杀菌装置3与防浪阀5之间的排污管路设置有取样口4，所述取样口4上可设置有阀门，能够对处理过后的生活污水进行取样，检测其是否符合排放标准，其中所述闸阀17为铸钢材质，所述防浪阀5为可闭式，材料为铸钢材料，所述粉碎排污泵2排量为3.0m

上述所有管路均采用20#无缝钢管并镀锌。

所述粉碎排污泵2连接有控制模式转换开关8，所述控制模式转换开关8电性连接所述控制模块，所述控制模块控制所述控制模式转换开关8实现粉碎排污泵2的自动与手动转换。

如图2-13所示，所述控制模块包括单片机主控电路、LCD显示电路、5V电源电路及LED状态指示电路，所述5V电源电路连接所述单片机主控电路，用于给单片机主控电路供电，所述LCD显示电路及LED状态指示电路连接所述单片机主控电路。

如图3所示，所述单片机主控电路为STC89C52单片机，该单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash；

如图4所示，所述LCD显示电路为LCD128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，该液晶显示模块的驱动为ST7920，可显示汉字或图形，通过PSB设置可实现并行或者串行两种连接方式，无需片选信号，具有光标显示、画面移位、睡眠模式等多种功能，显示模块数据端与单片机主控电路单片机的P0口相连，使能端、读写信号端及寄存器选择分别与单片机主控电路的P2.5、P2.6及P2.7端相连；

如图5所示，所述5V电源电路包括变压器、整流滤波电路及LM7805三端稳压集成电路，通过变压器将220交流电降压至9V交流电，通过整流滤波电路将9V交流电变为9V直流电，接入LM7805三端稳压集成电路输入端，其中输出端同输入端一样接滤波电容，即可得到5V稳压电源；

如图10所示，所述LED状态指示电路中四个LED灯负极接地，正极分别接在单片机主控电路相应的控制引脚上。

如图2所示，所述GPS模块通过数据线连接所述控制模块，用于测定船舶航行位置并计算其航速，所述GPS模块包括3.3V电源电路及GPS芯片电路，所述3.3V电源电路连接GPS芯片电路，用于给GPS芯片电路供电，所述GPS芯片电路为UBLOX-7M GPS定位芯片，其中SMA天线信号由MAX2659高增益低噪声放大器放大后，连接在UBLOX-7M天线信号输入端，当芯片冷启动时将卫星星历数据信息通过I

如图6所示，所述3.3V电源电路包括滤波电路及AMS117稳压器，所述滤波电路有两组，分别连接所述AMS117稳压器的输入端及输出端，所述3.3V电源电路的输入端连接5V电源电路，输入的5V稳压电源经过滤波电路接入AMS117稳压器的输入端，再从输出端经过滤波电路得到3.3V稳压电源。

所述单片机主控电路还连接有单片机晶振电路、单片机复位电路、继电器输出电路及报警电路，如图7所示，所述单片机晶振电路是在一个反相放大器的两端接入晶振，再有两个电容一端分别接入到晶振的两端，两个电容另一端则接地，这两个电容串联的电容量就等于负载电容，所述单片机晶振电路为单片机产生所需要的控制信号；

如图8所示，所述单片机复位电路用于使所有电路恢复至起始状态，在重新开始工作时或者程序需要的时候使用；

如图9所示，所述继电器输出电路用于连接所述控制模式转换开关，实现控制模式的转换，所述继电器输出电路中9014三极管基极与单片机控制引脚相连，VCC通过继电器线圈与三极管集电极相连，发射极接地，继电器线圈并接二极管，当继电器线圈释放掉电时，将线圈储存的能量放完保护线圈，其中继电器输出电路的常闭触点为手动模式，常开触点为自动模式，单片机主控电路的模式信号通过传输线传输，控制继电器输出电路的开合，实现了模式控制功能；

如图13所示，所述报警电路用于进行报警，其中单片机控制信号接入三极管基极，电源正极接入三极管集电极，三极管发射极串接报警器及电阻接地。

如图11所示，所述第一液位传感器9、第二液位传感器10及第三液位传感器11的电位计分压电压值接入比较器输入负端，液位传感器信号接入比较器正端，输出信号串接电阻后接入单片机引脚。

如图12所示，所述流量传感器6VCC引脚接入电源正极，GND引脚接地，S引脚接入单片机引脚。

所述GPS芯片电路用于检测船舶实时经纬度及航速，并将实时数据传递给单片机主控电路，所述单片机主控电路对GPS芯片电路及液位传感器传递的数据进行数据解析及逻辑判断，当符合位置、航速、液位达到要求时转为自动控制，将信号传递给继电器输出电路令其动作，反之继电器输出电路保持原状态，单片机主控电路将解析的GPS数据及流量传感器数据传给LCD显示电路显示，并按需点亮LED状态指示电路中对应的指示灯，所述LCD显示电路还显示船舶生活污水控制系统当前处于自动还是手动状态、船舶实时航速、船舶实时经纬度，所述单片机晶振电路用于产生单片机主控电路必须的时钟频率，所述单片机复位电路用于使电路恢复到起始状态。

如图14所示，一种基于GPS的船舶生活污物距岸排放系统控制方法，应用于基于GPS的船舶生活污物距岸排放系统，包括如下步骤：

步骤1：通过GPS模块捕获到按一定截止角所选择的待测卫星，并跟踪此卫星的运行，当GPS模块捕获到跟踪的卫星信号后，测量出GPS模块的接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，并解调出卫星轨道参数等参数，根据获得的数据，按定位解算方法进行定位计算出船舶的位置信息，包括船舶所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息；

步骤2：控制模块实时获取生活污水处理装置的液位信息，根据获取的船舶的位置信息判断船舶是否在规划范围内及船舶航速是否符合要求，根据获取的液位信息判断液位是否符合要求，若符合，即第一液位传感器及第二液位传感器均检测到液位信息，控制模块通过继电器输出电路控制控制模式转换开关调至自动模式，若任一条件不满足，则控制控制模式转换开关调至手动模式。

步骤2中，根据得到的船舶位置信息判断是否在规划范围内，具体为：

如图15所示，直线基线是指在海岸线极为曲折，或者近岸海域中有一系列岛屿情况下，可在海岸或近岸岛屿上选择一些适当点，采用连接各适当点的办法，形成直线基线，我国的海岸线曲折，沿海岛屿众多，确定基线的方法基本采取直线法，根据船舶排放生活污水的相关规定，船舶距岸的距离实际就是船舶距领海基线的最近距离，可在提前规划出船舶可排放的区域范围，具体有两种方法：

方法1：由领海基线向海测平移规定的距离得到控制线，其中线外为排放区，线内为禁排区，根据得到的船舶位置信息判断船舶位置在排放区或禁排区。

方法2：以船舶为圆心，以规定的距离为半径画圆，只要触及领海基线，则不能排放。

以方法1为例，控制模块根据获取到的船舶的位置信息判断船舶是否在规划范围内并且判断船速是否符合要求，如果条件均满足，则控制继电器输出电路调至自动模式，如果任一条件不满足，则置于手动模式。

本发明无需改变船舶生活污水处理装置固有管路，通过GPS模块及控制模块获取船舶位置、航速数据与液位传感器数据并进行处理，通过控制模块设定程序的逻辑进行判断，即可判断出是否满足粉碎排污泵启动条件，对粉碎排污泵的控制方式的转换进行控制，进而实现控制生活污水的排放的目的。

本发明提供的基于GPS的船舶生活污物距岸排放系统及其控制方法，利用GPS定位技术、单片机程序控制技术及多传感器协同处理，实现了船舶生活污水的自动化排放，有效避免了污水外泄造成污染的问题，推进了船舶自动化管理，该系统无需改变船舶原装生活污水处理装置固有管路，便于安装；通过在船舶上安装GPS模块及控制模块，实现了在既定污水液位、船舶航速及船舶位置范围内实现自动排放，在其他时刻或条件下处于手动控制排放的功能；该系统设置有通岸接头管系，当具备靠岸条件时，可通过通岸接头管系将生活污水排至岸上处理；该系统设置有第一液位传感器、第二液位传感器及第三液位传感器，分别设置在生活污水处理装置的污水桶的低水位处、高水位处及超高水位处，实时监测污水桶的水位，并将获得信息传输给控制模块，其中当水位达到超高水位处时，控制模块报警，提醒工作人员处理；所述GPS模块及控制模块包括GPS芯片电路、单片机主控电路、LCD显示电路、5V电源电路、3.3V电源电路及LED状态指示电路，GPS芯片电路选用UBLOX-7M GPS定位芯片，精准度高，可完全满足船舶在海上工况下使用，单片机主控电路采用STC89C52单片机，该单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，5V电源电路给单片机供电，3.3V电源电路给GPS芯片电路供电，LCD显示电路采用LCD128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，该液晶显示器驱动为ST7920，可显示汉字或图形，LED状态指示电路能够显示各个部件的运行状态；所述控制模块还包括继电器输出电路、报警电路、单片机复位电路及单片机晶振电路，所述继电器输出电路能够实现粉碎排污泵的自动与手动功能的转换，所述报警电路在当生活污水处理装置的水位达到超高水位处时报警，提醒工作人员处理，所述单片机晶振电路用于给单片机提供所需要的控制信号，所述单片机复位电路用于使电路恢复到起始状态。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。