一种基于LTE_Cat‑M1的在线水质监测装置及其使用方法与流程

本发明涉及在线水质监测及无线通讯技术领域，特别是一种基于LTE Cat-M1的防盗型在线水质监测装置及使用方法。

背景技术：

随着江、河、湖的污染日趋严重，甚至地下水也受到一定程度的污染，并且有逐年加重的趋势，而水资源具有不可再生性，这种日趋严重的水污染不但降低了江河湖水体的使用功能，也反过来进一步加深了水资源短缺的情况。所以，相关部门也逐渐重视水资源的水质监测，投入大量的人力物力，在很多江、河、湖关键区域都布置了相关的在线水质监测设备。

而这种在线水质监测设备布置的区域一般都是在野外，属于无人值守情况，经常遭到不法之徒或者不明群众的盗窃，造成财产损失和数据丢失。

同时，水产养殖行业规模也逐年增大，有很多养殖生产者也布置了一些在线水质监测设备用于监测养殖水体的水质情况，但同样存在设备被盗的情况，尤其是野外土塘养殖的场景。

而传统的水质监测基本上没有防盗功能，想要具备被盗设备的追踪定位功能，通常都要增加GPS定位模块或北斗模块，不但增加了成本，也给设备的功耗、外形大小、维护等方面增加了负担。

而且在野外无人值守环境，很难保证供电系统的稳定性和可靠性，在使用了GPRS等高功耗的无线通讯方式外，还额外增加定位模块的功耗，加速电池放电，减少电池可使用时间。而且在人为去除太阳能板和蓄电池后，设备的定位功能也同步失效。

技术实现要素：

本发明针对上述技术问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种基于LTE Cat-M1、能够振动检测和追踪定位、实现不同报警规则的低功耗在线水质监测装置，以及装置的使用方法。

为了解决上述技术问题，本发明的一种技术方案是：一种基于LTE Cat-M1的防盗型在线水质监测装置，包括LTE Cat-M1模组、微控制器、振动传感器、电导率传感器、温度传感器、溶解氧传感器、pH传感器、环境监测单元、供电单元、后备电池、报警装置、人声识别装置。

进一步的，所述LTE Cat-M1模组是基于低功耗广域网络的LTE通讯模块，所述LTE Cat-M1模组包括有一采用物联网专有号段的SIM卡。

进一步的，所述LTE Cat-M1模组都配置有唯一的设备ID号，与SIM卡相互绑定，并预先在远程云平台备案登记在册。

进一步的，所述LTE Cat-M1模组优选采用基于机器类型通信的兼容eMTC和NB-IoT模块的多模通讯模组。

进一步的，当所述在线水质监测装置在被人为移动后，通过所述LTE Cat-M1模组进行远程报警，并通过所述LTE Cat-M1模组内置的定位功能进行设备所在位置的准确定位与，无需另外再配置相应的GPS定位模块。

进一步的，所述供电单元包括可充电锂电池、太阳能板单元、充放电管理电路、电池电压检测电路，所述可充电锂电池优选标称容量3600mAh的3.6V~4.2V电压的可充电锂电池，所述太阳能板单元包括两块5V的太阳能板。

进一步的，所述LTE Cat-M1模组除了通过所述供电单元供电外，还配备有一所述后备电池，所述后备电池为一钮扣电池，所述钮扣电池为隐藏式安装，与所述LTE Cat-M1模组通过一外壳装置一体化封闭安装。

进一步的，在所述供电单元停止供电后，所述后备电池继续为所述LTE Cat-M1模组提供电量供应，让所述LTE Cat-M1模组与远程云平台继续保持周期性连接互动。

进一步的，所述振动传感器是一全方向微型振动传感器，所述振动传感器可感知任意方位的振动、倾斜、或位移，并可通过电路或软件设置来进行灵敏度调节。

进一步的，当所述防盗型在线水质监测装置安装布置于水面时，可以通过配置关闭所述振动传感器的检测工作；当布置在岸上固定位置时，启动振动传感器的检测工作。

进一步的，所述环境监测单元是一大气压检测模组，包括检测环境温度和大气压力检测，所述大气压力检测结果用于所述溶解氧传感器的压力补偿。

进一步的，所述电导率传感器、所述溶解氧传感器、所述pH传感器通过一信号调理模块处理后与所述微控制器相连，传感器的模拟信号经所述信号调理模块处理后转换为数字信号，在所述微控制器内置的ADC进一步处理后，根据相应算法换算成对应的工程量并储存。

进一步的，所述温度传感器内置于所述溶解氧传感器中，所述温度传感器是一单总线温度传感器，直接与所述微控制器以IIC方式相连，所述温度传感器优选DS18B20型号的温度传感器。

进一步的，所述温度传感器也可以根据实际需求单独另外提供一个或多个，与所述溶解氧传感器中内置的温度传感器的导线直接并联后连接至所述微控制器。

进一步的，所述微控制器是一种基于ARM内核且内置存储单元的低功耗微控制器，所述低功耗微控制器优先选用STM32L系列芯片。

进一步的，所述报警装置包括一MP3播放器，所述MP3播放器由所述微控制器触发，所述MP3播放器已经预置储存报警语音信息，所述报警语音信息类型包括提醒信息、警告信息、报警信息。

一种基于LTE Cat-M1的防盗型在线水质监测装置的使用方法，包括以下步骤：

S1：振动传感器感知短时间的振动、倾斜信号，所述报警装置中的MP3播放器触发，播放提醒信息；

S2：所述LTE Cat-M1模组在周期性传输水质监测数据信息的同时，同步传输短时异常信息；

S3：检测到振动信号超过预设时间规则，所述MP3播放器播报警告震慑信息；

S4：所述LTE Cat-M1模组触发警戒模式，实时将设备异常情况及设备定位传输至平台，通过平台实时通知相关维护人员；

S5：振动传感器感知到位移信号，所述MP3播放器播放警铃鸣叫声音；

S6：启动周期性定位追踪功能；

S7：工作人员通过定位找到设备。

进一步的，所述基于LTE Cat-M1的防盗型在线水质监测装置的使用方法还包括以下关键步骤：

（1）在振动传感器感知到持续的位移信号后，在一定时间规则内，继续保持这种位移信号，则所述水质监测装置只保留所述LTE Cat-M1模组和所述人声识别装置的供电，其他器件通过硬件判断电源供应或者直接进入休眠状态，所述MP3也不再播放任何信息；

（2）人声识别装置启动；

（3）人声识别装置在检测到可能有多人在附近活动时，突然启动MP3播放器，播放设备被盗报警信息。

与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）无线数据传输互动与被盗设备的追踪定位共用一个LTE Cat-M1通讯模组，节省硬件成本开支，减少整机功耗，而且方便维护，同样减少了设备的维护成本；

（2）低功耗的LTE Cat-M1通讯模组结合隐藏式后备钮扣电池供电，在主供电单元被拆除后，也能继续保持工作状态，随时具备被盗设备的追踪定位功能；

（3）在设备已安装固定的场景应用中，通过全方向微型振动传感器感知任意方位的振动、倾斜、或位移，获取设备被移动的异常情况，及时采取有效措施制止或者通过定位追踪设备被移动方位；

（4）通过软件编程实现不同的报警规则，符号现实中的实际应用，分别对应提醒、警告、震慑、报警、突然报警的不同层次的场景。

附图说明

图1为本发明实施例的构造示意图。

图2为本发明实施例的系统组成示意图。

图3为本发明实施例的实现方法框图。

图1中：1- LTE Cat-M1模组、2-微控制器、3-振动传感器、4-电导率传感器、5-温度传感器、6-溶解氧传感器、7- pH传感器、8-环境监测单元、9-供电单元、10-后备电池、11-报警装置、12-人声识别装置。

具体实施方式

下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他形式的附图。

如图1所示，一种基于LTE Cat-M1的防盗型在线水质监测装置，包括LTE Cat-M1模组1、微控制器2、振动传感器3、电导率传感器4、温度传感器5、溶解氧传感器6、pH传感器7、环境监测单元8、供电单元9、后备电池10、报警装置11、人声识别装置12。

在本实施例中，所述LTE Cat-M1模组1是基于低功耗广域网络的LTE通讯模块，所述LTE Cat-M1模组1包括有一采用物联网专有号段的SIM卡。

在本实施例中，所述LTE Cat-M1模组1都配置有唯一的设备ID号，与SIM卡相互绑定，并预先在远程云平台备案登记在册。

在本实施例中，所述LTE Cat-M1模组1优选采用基于机器类型通信的兼容eMTC和NB-IoT模块的多模通讯模组。

在本实施例中，当所述在线水质监测装置在被人为移动后，通过所述LTE Cat-M1模组1进行远程报警，并通过所述LTE Cat-M1模组1内置的定位功能进行设备所在位置的准确定位与，无需另外再配置相应的GPS定位模块。

在本实施例中，所述供电单元9包括可充电锂电池、太阳能板单元、充放电管理电路、电池电压检测电路，所述可充电锂电池优选标称容量3600mAh的3.6V~4.2V电压的可充电锂电池，所述太阳能板单元包括两块5V的太阳能板。

在本实施例中，所述LTE Cat-M1模组1除了通过所述供电单元9供电外，还配备有一所述后备电池10，所述后备电池10为一钮扣电池，所述钮扣电池为隐藏式安装，与所述LTE Cat-M1模组1通过一外壳装置一体化封闭安装。

在本实施例中，在所述供电单元9停止供电后，所述后备电池10继续为所述LTE Cat-M1模组1提供电量供应，让所述LTE Cat-M1模组1与远程云平台继续保持周期性连接互动。

在本实施例中，所述振动传感器3是一全方向微型振动传感器，所述振动传感器3可感知任意方位的振动、倾斜、或位移，并可通过电路或软件设置来进行灵敏度调节。

在本实施例中，当所述防盗型在线水质监测装置安装布置于水面时，可以通过配置关闭所述振动传感器3的检测工作；当布置在岸上固定位置时，启动振动传感器3的检测工作。

在本实施例中，所述环境监测单元8是一大气压检测模组，包括检测环境温度和大气压力检测，所述大气压力检测结果用于所述溶解氧传感器6的压力补偿。

在本实施例中，所述电导率传感器4、所述溶解氧传感器6、所述pH传感器7通过一信号调理模块处理后与所述微控制器2相连，传感器的模拟信号经所述信号调理模块处理后转换为数字信号，在所述微控制器2内置的ADC进一步处理后，根据相应算法换算成对应的工程量并储存。

在本实施例中，所述温度传感器5内置于所述溶解氧传感器6中，所述温度传感器5是一单总线温度传感器，直接与所述微控制器2以IIC方式相连，所述温度传感器5优选DS18B20型号的温度传感器。

在本实施例中，所述温度传感器5也可以根据实际需求单独另外提供一个或多个，与所述溶解氧传感器6中内置的温度传感器的导线直接并联后连接至所述微控制器2。

在本实施例中，所述微控制器2是一种基于ARM内核且内置存储单元的低功耗微控制器，所述低功耗微控制器优先选用STM32L系列芯片。

在本实施例中，所述报警装置11包括一MP3播放器，所述MP3播放器由所述微控制器2触发，所述MP3播放器已经预置储存报警语音信息，所述报警语音信息类型包括提醒信息、警告信息、报警信息。

在本实施例中，如图2所示，多个所述基于LTE Cat-M1的防盗型在线水质监测装置、远程云平台及手机APP应用组成一个系统，可通过所述手机APP应用查询定位所述防盗型在线水质监测装置的所在位置。

在本实施例中，如图3所示，一种基于LTE Cat-M1的防盗型在线水质监测装置的使用方法，包括以下步骤：

S1：振动传感器感知短时间的振动、倾斜信号，所述报警装置中的MP3播放器触发，播放提醒信息；

S2：所述LTE Cat-M1模组在周期性传输水质监测数据信息的同时，同步传输短时异常信息；

S3：检测到振动信号超过预设时间规则，所述MP3播放器播报警告震慑信息；

S4：所述LTE Cat-M1模组触发警戒模式，实时将设备异常情况及设备定位传输至平台，通过平台实时通知相关维护人员；

S5：振动传感器感知到位移信号，所述MP3播放器播放警铃鸣叫声音；

S6：启动周期性定位追踪功能；

S7：工作人员通过定位找到设备。

在本实施例中，所述基于LTE Cat-M1的防盗型在线水质监测装置的使用方法还包括以下关键步骤：

（1）在振动传感器感知到持续的位移信号后，在一定时间规则内，继续保持这种位移信号，则所述水质监测装置只保留所述LTE Cat-M1模组和所述人声识别装置的供电，其他器件通过硬件判断电源供应或者直接进入休眠状态，所述MP3也不再播放任何信息；

（2）人声识别装置启动；

（3）人声识别装置在检测到可能有多人在附近活动时，突然启动MP3播放器，播放设备被盗报警信息。

在本实施例中，本发明通过无线数据传输互动与被盗设备的追踪定位共用一个LTE Cat-M1通讯模组，节省硬件成本开支，减少整机功耗，而且方便维护，同样减少了设备的维护成本；采用低功耗的LTE Cat-M1通讯模组结合隐藏式后备钮扣电池供电，在主供电单元被拆除后，也能继续保持工作状态，随时具备被盗设备的追踪定位功能；在设备已安装固定的场景应用中，通过全方向微型振动传感器感知任意方位的振动、倾斜、或位移，获取设备被移动的异常情况，及时采取有效措施制止或者通过定位追踪设备被移动方位；通过软件编程实现不同的报警规则，符号现实中的实际应用，分别对应提醒、警告、震慑、报警、突然报警的不同层次的场景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的基于LTE Cat-M1的防盗型在线水质监测装置及其使用方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。