一种排水采集和水质实时监测装置

技术领域

本发明涉及农田水利工程领域，尤其涉及一种排水采集和水质实时监测装置。

背景技术

农业面源污染来源分散且众多，排放受时间、空间的影响较大，排放过程具有分散性、隐蔽性和路径复杂等特点，研发农田排水自动采样和水质实时监测技术与设备，成为面源污染防治的重要内容之一。

国内外现有的主流水样采集装置如下：

一、底层水采样装置

1.设备简介：依靠人为投抛并借助采样器自身重量使其沉至水体底部，并通过绳索牵引并借助采样器自身重量实现启闭。

2.缺点：

(1)仅依靠自身重量沉至水体底部，难以控制采样深度，具有一定的盲目性。

(2)仅靠绳索牵引和采样器自身重量实现启闭，启闭的效果并不好，极易造成沉积物在提离过程中掉落。

(3)不可远程操作

二、可调节水采样装置

1.设备简介：此类装置通过传动杆，空腔和浮板之间的配合，能进行简单的水样采集研究。

2.缺点：

(1)费力费时且取水时缓冲效果不明显。

(2)设备进入水体会导致水体湍流而产生搅动，从而造成水样浑浊，当在整块农田排水水样的采集时效率低下且对于采样水质有一定影响。

(3)不可远程操作

除此之外，以上两个设备都需要进行人工手动操作，尤其是在对离岸水质进行采样时，船只、潜艇等的载体会对采样水域进行不可避免的搅动，使所采集到的水样不能很好地表现水域情况。同时，由于人工操作使得对水资源的采样地点、采样时间、采样深度的确定误差较大，这就使得所采水样的可靠性降低。并且实验检测环境与野外采样点水样所处环境条件的差异性，使得检测结果并不能很好地反映野外真实的水质状况。

综上所述，现有的主流采水装置存在以下问题：

1、精准度低，存在采样过程中沉积物掉落，因水体湍流而产生样本浑浊等问题。

2、自动化程度弱，难以实现远程采集水样，难以避免要进行人工操作，性价比低，人力成本高，水样采集成本高。

3、采水效率低，市面产品多采用“一袋多次”的采水方式，应用于多次采水时灵活性低。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种排水采集和水质实时监测装置，精准度高、自动化程度强、采水效率高。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种排水采集和水质实时监测装置，包括：控制板、驱动板、执行机构、管道、收集容器、水质监测模块和能量设备；

控制板包括主控芯片和连接于主控芯片的物联网通讯模块；物联网通讯模块连接于主控芯片用于接收用户终端的远程控制信号及用于向用户终端发送水样监测数据；主控芯片的信号输入端连接于水质监测模块用于获取水样监测数据，主控芯片的信号输出端连接于驱动板用于根据远程控制信号输出驱动信号；

驱动板信号连接于执行机构用于根据驱动信号驱动执行机构工作；

执行机构包括采样阀和潜水泵；潜水泵设于管道进水端用于将水样连续不断地吸入管道；

收集容器与管道连通；

采样阀设于管道和收集容器之间用于控制收集容器的通水；

水质监测模块设于收集容器开口处用于检测收集容器中的水样得到水样监测数据；

能量设备用于给控制板和驱动板供电。

进一步地，能量设备采用的是太阳能电池板。

进一步地，能量设备还包括太阳能控制器和连接于太阳能控制器的蓄电池，太阳能控制器连接于太阳能电池板，太阳能控制器连接于控制板和驱动板的电源端；太阳能控制器用于控制太阳能电池板对蓄电池的充电，用于控制太阳能电池板对控制板及驱动板的供电，用于控制蓄电池对控制板及驱动板的供电；在太阳能电池板给蓄电池充电的同时，蓄电池向外供电，负载使用的电力会直接使用太阳能电池板的电，剩余的充到蓄电池里；相反，若此太阳能电池板的电量不够，会同时从蓄电池内取电。

进一步地，所述执行机构还包括设于管道出水端的清管尾阀，所述清管尾阀信号连接于驱动板。

进一步地，收集容器包括多个用于收集水样的采样袋；

管道包括：主水管、排水管和多个采样管；

潜水泵连接于主水管的进水端，排水管通过清管尾阀连接于主水管的出水端；多个采样管一端连通于主水管侧部，另一端对应连接于采样袋的开口；

所述采样阀为多个且分别设于采样管用于控制采样管的通断；

所述水质检测模块为多个且分别设于各个采样袋开口处用于对各个采样袋中的水样进行检测。

进一步地，所述潜水泵进水口安装有水龙头滤网，防止河道水体中大型杂质进入管道产生堵塞。

进一步地，所述驱动板包括第一驱动模块和第二驱动模块，所述第一驱动模块信号连接于潜水泵和清管尾阀用于输出驱动电流从而控制潜水泵和清管尾阀，第二驱动模块信号连接于采样阀用于输出驱动电流从而控制采样阀。

进一步地，所述控制板还包括第一电源模块，第一电源模块包括第一电源接口和第一电压转换电路，第一电源接口连接于能量设备的输出端获取第一直流电压，第一电压转换电路连接于第一电源接口输出端，第一电压转换电路输出端连接于主控芯片和物联网通讯模块的电源端，第一电压转换电路用于将第一直流电压进行电压转换并给主控芯片和物联网通讯模块供电。

进一步地，所述驱动板还包括第二电源模块，第二电源模块包括第二电源接口和第二电压转换电路，第二电源接口连接于能量设备的输出端获取第二直流电压，第二电源接口输出端连接于第一驱动模块和第二驱动模块的电源端；第二电压转换电路连接于第二电源接口输出端，第二电压转换电路输出端连接于第一驱动模块和第二驱动模块的电源端，第二电压转换电路用于将第二直流电压进行电压转换并给第一驱动模块和第二驱动模块供电。

进一步地，所述物联网通讯模块为蓝牙、WIFI、ZigBee、4G全网或NB-IOT物联网通讯模块。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

一、精准度高：本装置通过自动采集农田排水水样并实现物理性质的初步分析，远程、安全且快速的采水能力，可以避免目前市面上主流采水设备存在的表层(沉积物)采集器所造成的采样沉积物掉落，可调节水样采集器因水体湍流而产生采样样本浑浊等的劣势问题。同时兼具表面(沉积物)采集器的监测优势，即可以准确、及时地反映农田排水水质情况，提高了自动采集系统整体的精准度及可靠性；

二、自动化程度强：本装置能够使用物联网通讯模块收发数据。可对设备远程控制，实现了水样的自动采集，并且实现了原始水样物理性质的实时监测。除此之外，本装置通过控制板控制采集的全过程，避免了底层水采样装置依靠人为投抛带来的采样盲目性和可调节水采样装置费时费力的劣势问题，操作上融合了可调节水样采集器的操作简易的优势。

三、采水效率提高：本装置收纳有4个水样采样袋，通过电控系统控制可实现“多个、连续”水样采集袋的采水工作，相较市面现有产品“一袋多次”的采水工作方案效率更高，灵活性更好(其灵活性表现在检测人员可选择“单点多样”或“多点多样”的采水需求进行水样采集)。

四、携运便捷：可使用太阳能供电，能够大大提高设备的续航能力，并且携运方便。

附图说明

图1为本发明实施例整体结构示意图；

图2为本实施例整体电路原理框图；

图3为本实施例中主控芯片的电路原理图；

图4为本实施例中物联网通讯模块中通讯转化模块的电路原理图；

图5为本实施例中第一电源接口或第二电源接口的电路原理图；

图6为本实施例中第一电压转换电路的电路原理图；

图7为本实施例中第二电压转换电路的电路原理图；

图8为本实施例驱动板中驱动器的电路原理图。

附图标记：

1、控制板；101、主控芯片；102、物联网通讯模块；103、第一电源模块；

2、驱动板；201、第一驱动模块；202、第二驱动模块；203、第二电源模块；

3、执行机构；301、采样阀；302、潜水泵；303、清管尾阀；304、水龙头滤网；

4、管道；401、主水管；402、排水管；403、采样管；

5、收集容器；501、采样袋；

6、水质监测模块；

7、能量设备；701、太阳能电池板；702、太阳能控制器；703、蓄电池。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

请参考图1至图6，本发明为一种排水采集和水质实时监测装置，其包括：控制板1、驱动板2、执行机构3、管道4、收集容器5、水质监测模块6和能量设备7；

执行机构3包括采样阀301、潜水泵302和清管尾阀303；管道4包括主水管401、排水管402和多个采样管403；收集容器5包括多个用于收集和存储水样的采样袋501；潜水泵302连接于主水管401的进水端，是水样的进口，排水管402通过清管尾阀303连接于主水管401的出水端，是水样的出口；多个采样管403一端连通于主水管401侧部，另一端对应连接于采样袋501的开口；采样阀301为多个且分别设于采样管403用于控制采样管403的通断；水质监测模块6为多个且分别设于各个采样袋501开口处用于对各个采样袋501中的水样进行检测。本实施例中，采样管403、采样阀301、采样袋501和水质监测模块6的数量均为4个且一一对应连接。

参阅图1和图2，本实施例中，能量设备7将太阳能转换为电能，提高整个装置的续航能力。能量设备7包括太阳能电池板701、太阳能控制器702和蓄电池703；太阳能控制器702连接于太阳能电池板701和蓄电池703，太阳能控制器702连接于控制板1和驱动板2的电源端；太阳能控制器702用于控制太阳能电池板701对蓄电池703的充电，用于控制太阳能电池板701对控制板1及驱动板2的供电，用于控制蓄电池703对控制板1及驱动板2的供电；在太阳能电池板701给蓄电池703充电的同时，蓄电池703向外供电，负载使用的电力会直接使用太阳能电池板701的电，剩余的充到蓄电池703里；相反，若此太阳能电池板701的电量不够，会同时从蓄电池703内取电。

结合图1至图5，控制板1包括主控芯片101和连接于主控芯片101的物联网通讯模块102；主控芯片101的信号输入端连接于水质监测模块6用于获取水样监测数据，主控芯片101的信号输出端连接于驱动板2用于根据远程控制信号向驱动板2输出驱动信号；本实施例中，主控芯片101采用的是STM32F103C8T6单片机；

物联网通讯模块102连接于主控芯片101，主控芯片101通过物联网通讯模块102向用户终端设备发送水样监测数据；并且用户可以通过终端设备向物联网通讯模块102发送远程控制信号命令，实现远程控制设备。本实施例中，物联网通讯模块102包括连接于主控芯片101的转换芯片和连接于转换芯片的通讯模块，通讯模块通过信号天线接收终端指令运行，参阅图4，转换芯片采用的是USB转串口芯片CH330，通讯模块采用的是物联网通讯模块102为蓝牙、WIFI、ZigBee、4G全网或NB-IOT通讯方式。

本实施例中，参阅图5和图6，控制板1还包括第一电源模块103，第一电源模块103包括第一电源接口和第一电压转换电路，第一电源接口连接于能量设备7中太阳能控制器702的输出端获取第一直流电压24V，第一电压转换电路连接于第一电源接口输出端，第一电压转换电路输出端连接于主控芯片101和物联网通讯模块102的电源端，第一电压转换电路用于将第一直流电压，24V电压转换为5V，并给主控芯片101和物联网通讯模块102供电。

参阅图1-图3、图5、图7、图8，驱动板2信号连接于执行机构3用于根据驱动信号驱动执行机构3工作，驱动板2包括第一驱动模块201和第二驱动模块202，第一驱动模块201包括两个连接于主控芯片101输出端的第一驱动器，两个第一驱动器分别信号连接于潜水泵302和清管尾阀303用于输出驱动电流从而控制潜水泵302和清管尾阀303，第二驱动模块202包括4个连接于主控芯片101输出端的第二驱动器，4个第二驱动器分别信号连接于采样阀301用于输出驱动电流从而控制采样阀301；本实施例中，参阅图8，驱动器由光耦光电晶体管、续流二极管和场效应管组成，当主控板给IO信号为低电平时，OUT为高阻态，电磁阀/水泵不工作；当主控板给IO信号为高电平时，OUT接地，电磁阀/水泵工作。

参阅图5和图7，驱动板2还包括第二电源模块203，第二电源模块203包括第二电源接口和第二电压转换电路，第二电源接口连接于能量设备7中太阳能控制器702的输出端获取第二直流电压24V，第二电源接口输出端连接于第一驱动模块201和第二驱动模块202的电源端用于提供24V工作电压；第二电压转换电路连接于第二电源接口输出端，第二电压转换电路输出端连接于第一驱动模块201和第二驱动模块202的电源端，第二电压转换电路用于将第二直流电压24V电压转换为3.3V并给第一驱动模块201和第二驱动模块202供电。

执行机构3包括5个电磁阀和一个潜水泵302，5个电磁阀分别为4个控制采水袋通水电磁阀与1个尾水清理电磁阀，即4个采样阀301和1个清管尾阀303；

潜水泵302设于主水管401进水端，使用时随进水管进入河道；潜水泵302通过第一驱动模块201输出驱动电流控制，可将水样连续不断的吸入管道4中，潜水泵302前端装有水龙头滤网304，负责过滤，防止河道水体中大型杂质进入管道4产生堵塞，更好协助潜水泵302进行水样输送。本实施例中，潜水泵302采用的是G12ZYB单泵；

采样阀301包括四个电磁阀，通过第二驱动模块202输出驱动电流控制，可将水样采集到收集容器5中；

清管尾阀303为一个电磁阀，通过第一驱动模块201输出驱动电流控制，负责在采水前清洗整个管道4。本实施例中，电磁阀采用的是常闭户外防水雾电磁阀4分2寸24v；

水质监测模块6，位于采样袋501开口处，可用于监测水质，得到水样监测数据，并通过控制板1的信号输入接口将信号传送到控制板1。本实施例中，水质监测模块6采用的是diymore PH值监测传感器。

本实施例中，管道4采用的PVC管路，PVC管路通过接入合金宝塔连接电磁阀、潜水泵302与采样袋501，采样管403进出主水管401通过三通连接件相连，并通过不锈钢喉箍拧紧防止漏水。本实施例中，PVC管路为10mm油管，三通连接件采用等径三通10mm水管软管接头。

本发明工作原理为：

本发明的采水工作分为以下三个阶段：①清理余水：四个采样阀301关闭，运行潜水泵302抽水、开清管尾阀303；②采水：关闭清管尾阀303，潜水泵302继续工作，开启任一采样阀301(根据指令开启对应电磁阀)，将水样导入对应采样袋501中，数秒后完成采水；③采水结束，排走余水：操作同①。

具体的，在使用时，将太阳能电池板701固定在高处且置于光源照射下，其输出用导线接到控制板1上为控制板1供电。控制板1和驱动板2置于阴暗干燥的箱体中，控制板1通过控制板1信号输出接口向驱动板2信号输入接口传送驱动信号，控制输出驱动电流大小；驱动板2的输出接口通过导线与潜水泵302、采样阀301、清管尾阀303相连，控制其工作。

本装置在采样前，通过控制板1上的物联网通讯模块102接收来自用户终端的远程控制信号，输出驱动信号给驱动板2，使驱动潜水泵302、清管尾阀303工作，采样阀301仍处于待命状态。潜水泵302置于所要采样的渠道中，直接与主水管401相连，并通过主水管401接至采样阀301和清管尾阀303。清管尾阀303直接与出水管相连，出水管置于渠道中。潜水泵302将水样从渠道连续不断的吸入管道4中，通过清管尾阀303流入渠道，将整个管道4清洗干净。

本装置在采样时，通过控制板1上的物联网通讯模块102接收来自用户终端的远程控制信号，输出驱动信号给驱动板2，使驱动潜水泵302、采样阀301组工作，清管尾阀303停止工作。潜水泵302将水样从渠道连续不断的吸入管道4中，通过采样阀301流入采样袋501。采样袋501及与之通过采样管403直接相连的采样阀301可置于冷冻箱内，延缓水样的变质速度。

本装置在采样时，采样袋501开口处的水质监测模块6通过控制板1的信号输入接口将数据传送主控芯片101，主控芯片101通过物联网通讯模块102向用户终端发送原始水样物理性质数据，实现对水质的实时监测。

下面给出本发明的实验数据

为了进一步验证该装置的实用性，根据须达到的工作效果与易收纳、自重轻、可自主远程控制等实际工作需求初步搭建了该装置，并通过模拟室外环境对装置的采水效率进行初步测试，本装置各部分选材与在预设参数下运行实际记录数据如下：

地点：模拟室外设备-水面高程：1m

表1实验数据记录表

根据上表，可知该装置在河道水面到采水点高程为1米处可实现上述采水流量效能，即在同样高程下500mL规格的水样采集袋可以在10s左右完成采集，该装置完成4个采样袋水样采集从控制运行到完成时间在40s左右，能够实现短时、高效、可控的采水工作。(该设备进水管默认长度为1m，若延长管道进行更高或更远河道采水点采水，实际流量会比上述数据偏小；另外表中数据误差属于偶然误差，不影响实际采水工作。)

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。