基于Arduino的水质参数在线监测系统技术方案

技术编号:15636494 阅读:160 留言:0更新日期:2017-06-14 20:21
本发明专利技术公开了基于Arduino的水质参数在线监测系统,包括数据采集节点、汇聚节点、监测浮标、远程数据库服务器、环境监测中心。数据采集节点和汇聚节点的主控制板以开源的电子原型平台Arduino为基础,采用ATmega2560为核心的微处理器,通过一定的定制完成对水质环境数据和监测点位置信息的采集、存储、处理和转发。本发明专利技术以实现在线实时动态监测为目的,通过实时升降水质仪采集水质环境数据,可解决目前水质环境监测技术和方法只是建立在单点传输水质环境数据和取样分析的问题,同时能延长水质仪使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
基于Arduino的水质参数在线监测系统
本专利技术关于水质环境监测,涉及到嵌入式技术、无线传感器网络及无线通信领域,特别是一种基于Arduino的水质参数在线监测系统。
技术介绍
水质环境自动监测是以在线式自动分析仪器为核心,运用现代传感器技术、自动测量技术、计算机应用技术以及相关的专用显示仪。与常规取样分析相比,水质环境自动监测的在线式自动分析仪器有很多优点,但目前仍存在较多问题:(1)设备自动化程度低,监测的参数少、实时性差;(2)水质仪长时间处于被监测的水体中,容易受水生物覆盖,需要定期清理,费时费力;(3)监测系统的网络化程度不高、适合恶劣环境的能力差;(4)系统组网技术单一,很难实现远距离的数据传输;(5)获取环境数据方法单一,很难应对突发状况。无线传感器网络(WSN)是由大量的传感器节点采用无线自组织方式构成的网络,其网络覆盖广、灵活、数据传输可靠等特点使它适合用于大范围的监测。因此,针对水质环境恶劣,湿度大,布线困难的问题,运用最新的无线传感器网络技术,结合全球定位系统(GPS)和嵌入式技术,研制一种能够根据需求自动升降水质仪,且能低功耗、多参数获取水质环境数据的无线自动监测系统具有广泛的应用价值和市场前景。
技术实现思路
本专利技术提供了基于Arduino的水质参数在线监测系统,系统包括负责环境数据采集的硬件系统和负责环境数据显示和分析的软件系统。硬件系统基于全球领先的开源电子平台Arduino进行设计,包括数据采集节点和汇聚节点。采集节点负责采集水质环境参数,并对采集的数据进行处理和封装后传送至汇聚节点;汇聚节点接收采集节点传送的数据,并将汇聚封装后的数据转发到远程环境监测中心的数据库服务器。软件系统部署在环境监测中心服务器上,负责对数据进行实时地解析、存储、显示、查询和分析。其中,所述数据采集节点进一步包括:监测浮标,太阳能板和蓄电池放置在监测浮标上,用于对主控板、多参数水质仪和水质仪升降电机供电。浮体内放置主控板、水质仪升降电机。其中,所述采集节点和汇聚节点的主控制板都是使用的基于Arduino电子平台以ATmage2560为核心的主控板,采集节点的主控制板主要搭载了四个功能模块:ZigBee模块、SD卡存储模块、GPS模块和水质仪模块;汇聚节点的主控板主要搭载了四个功能模块:ZigBee模块、SD卡存储模块、GPRS模块和GPS模块。其中,所述ZigBee模块用的是增强通信距离的XBeeProS2,它与电路板相连,用于无线传感器网络中的无线通信;多参数水质仪,连接于信号线一端,所述信号线穿过所述浮标,其另一端连接传感器端子,所述传感器端子通过A/D转换模块与所述电路板相连,将所述多参数水质仪采集到的信号传送到所述电路板;水质仪升降电机,连接于电机驱动板,所述电机驱动板连接所述电路板;锚,通过线缆固定于所述浮标上,并延伸至所述浮标外。其中,所述浮标中心轴线上设有通孔,所述浮体与所述通孔密封连接,所述通孔内壁上设有内部绳耳,线夹通过卸扣与所述内部绳耳连接,所述ZigBee、GPS和GPRS信号线从主控板上引出固定在所述线夹内,所述线夹下端设有缆绳接口,所述缆绳通过所述缆绳接口固定在线夹上,所述水质仪升降电机安装在浮标内侧面。其中,所述数据采集节点包括6个多参数水质仪探头,分别为温度、深度、盐度、溶解氧、叶绿素、浊度探头。其中,无线传感器网络中间节点将接收到的数据进行封装和编码后转发,汇聚节点收到后进行解码并将数据传输到采集中心的数据库中。基于Arduino的水质参数在线监测系统包括如下步骤:1)由监测浮标上的数据采集节点每隔一小时对水质环境中待测点处的环境数据进行采集,汇聚节点能够远程管理采集工作,汇聚节点广播数据采集命令,采集节点收到采集命令进行数据采集;2)数据采集节点将采集到的水质环境数据经中间节点逐跳传送到汇聚节点;3)无线传感器网络中的汇聚节点对接受到的来自数据采集节点的数据进行全局的融合后通过GPRS传送到远程监测中心上的数据库服务器,并处理由监控中心传来的监测任务命令;4)环境监测中心通过给汇聚节点传送检测任务命令来远程控制无线传感器网络中节点采集的时间间隔,可以在任意时刻获取监测区域内的环境数据,数据传输延时不超过2分钟,同时环境监测中心可以对数据库服务器中的存储的水质环境数据实时动态的显示和查询。综上所述,本专利技术所述基于Arduino的水质参数在线监测系统可以完成对水质环境全面监测,其所采用的监测方法可以对水质环境的变化做出及时的应对措施。本专利技术的有益效果:1、传感器采用升降式设计,减少了传感器在水中的浸泡时间,使得传感器的腐蚀速度大大降低,延长了传感器的使用寿命。2、在无线传感器节点之间运用ZigBee技术进行无线通讯,无线单跳通信距离可达1.6Km,覆盖更广阔的水域,同时数据采用无线网络传输,免除了布线,方便安装与部署。3、无线传感器网络节点的设备全部采用低功耗设计,太阳能和蓄电池供电,环保经济。4、整个监测系统综合运用了传感器采集的数据,这样不仅提高水质环境监测的自动化水平,更重要的是提高水质环境监测数据的精度和实时性。附图说明图1基于Arduino的水质参数在线监测系统架构图图2数据采集节点和汇聚节点的原理图具体实施方式本专利技术是一种硬件和软件相结合的应用系统,硬件主要用来采集系统需要的核心数据,包括多参数水质仪上各种传感器感知的水质环境数据,还有就是利用卫星和GPS芯片得到的监测点的位置信息,这些信息通过无线传感器网络和无线通信网络传送到互联网中的数据库服务器。本专利技术的基于Arduino的水质参数在线监测系统中,数据是根据需要在待监测水质的环境中相隔一定的距离放置一定数量的监测浮标来采集该区域的水质参数。如图1是整个系统的架构图,采集节点通过自身连接的多参数水质仪采集水质环境信息,水质仪升降电机在需要采集数据时将水质仪降入水下进行数据采集,采集完成后再将水质仪上升脱离水中,采集数据的传感器包括温度传感器、深度传感器、盐度传感器、溶解氧传感器、浊度传感器、叶绿素传感器。通过GPS模块获取自身的位置信息,每个采集节点将采集好的环境信息和位置信息经过局部融合发送给汇聚节点。汇聚节点再对一段时间内该区域所有采集节点采集的环境数据和位置信息进行全局融合,然后通过GPRS模块发送到数据库服务器。环境监测中心对数据库服务器中的数据进行实时显示。水质环境数据传输网络是采取无线传感器网络、无线移动通信网络和互联网。采用了ZigBee、GPRS等通信技术实现采集数据的无线传送。即:采集节点采用无线传感器网络通信方式,采集节点的多参数水质仪采集的数据通过该无线传感器网络将数据发送至汇聚节点;汇聚节点与远程服务器数据库之间的通信采用无线移动通信网络,完成各监测节点的数据从海上采集节点传送至数据中心;远程服务器数据库与客户端之间的通信采用互联网,用户可以通过互联网获取相关监测信息。如图2,本专利技术的数据采集节点和汇聚节点的原理图,数据采集节点包括五个单元:水质仪升降控制单元、数据采集单元,数据处理单元、数据传输单元以及数据存储单元。水质仪升降控制单元接收处理单元CPU发送的采集信号控制水质仪升降,数据采集单元将采集到的数据传给数据处理单元的CPU,数据处理单元的CPU将接受到的数本文档来自技高网...
基于Arduino的水质参数在线监测系统

【技术保护点】
基于Arduino的水质参数在线监测系统,其特征在于:监测水质环境的无线传感器网络能通过汇聚节点发送采集命令给采集节点来实时采集监测区域内环境的水质参数,然后通过无线路由的方式传送至汇聚节点;汇聚节点收到采集节点传输过来的数据后,通过GPRS远程传送至监测中心;监测中心在收到汇聚节点传输过来的数据后,进行解析并存储至监测中心的数据库服务器中。

【技术特征摘要】
1.基于Arduino的水质参数在线监测系统,其特征在于:监测水质环境的无线传感器网络能通过汇聚节点发送采集命令给采集节点来实时采集监测区域内环境的水质参数,然后通过无线路由的方式传送至汇聚节点;汇聚节点收到采集节点传输过来的数据后,通过GPRS远程传送至监测中心;监测中心在收到汇聚节点传输过来的数据后,进行解析并存储至监测中心的数据库服务器中。2.根据权利要求1所述的基于Arduino的水质参数在线监测系统,其特征在于,所述采集节点和汇聚节点主要包括监测浮标,太阳能板和蓄电池放置在监测浮标上,用于对主控板、多参数水质仪和水质仪升降电机供电,浮体内放置主控板。所述采集节点和汇聚节点采用的主控制板为基于Arduino电子平台以ATmage2560为核心微处理器的主控制板;采集节点的主控制板主要搭载了四个功能模块:ZigBe...

【专利技术属性】
技术研发人员:袁红春刘臻梅海彬余跃吕苏娜赵彦涛王柯力
申请(专利权)人:上海海洋大学
类型:发明
国别省市:上海,31

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1