专利名称：太阳能控藻机的制作方法
技术领域：
本发明涉及到河流湖泊水体水质污染控制与监测领域，特别涉及到藻类的污染控制与监测领域。
背景技术：
对于大中型水库湖泊而言，由于水体在库区的水力停留时间较长，在一定的光照、温度等外部条件下，再加上水体本底氮、磷浓度高，藻类容易形成大规模爆发趋势。藻类生长需要进行光合作用，光照越充分生长速度越快。由于水库水体流动性不强，藻类容易在水流缓慢的区域富集并稳定生长，形成藻爆发的趋势。采用常规方法去除大面积水库水体藻类爆发存在较大困难。在野外环境下，设备的能源供应和维护存在较大困难，现场供电条件不足，设备不能长期在线运行，在藻类容易爆发的季节采用人工定期清藻的方式存在时间的滞后性，难以达到控制藻类爆发的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一套控制水体藻类爆发的系统和方法，既可以实现对水质参数的远程测量又可以控制藻类爆发。为破坏藻类的生长环境，本系统采用太阳能作为动力源，通过太阳能转化成水体动能和超声波振子的机械能，通过水泵驱动水体形成微循环系统，避免水体存在死水区域，达到控制藻类爆发的目的；同时配置四路水质参数采集通道对敏感的水质参数进行采集和远程传送，便于在无人值守的情况下远端监控中心及时了解到实际水质状况，做出相应的科学决策，避免人工取样监测的时间滞后性，从而有效掌握控制藻类爆发的时机。一方面，本发明提供一套控制水体藻类爆发的系统，该系统包括以下四部分:电源部分、控制主板部分、外围设备部分、固定装置部分。如附图1所示。电源部分由太阳能电池板、充电控制器、胶体蓄电池组成。太阳能电池板起到将光能转换成电能的作用，将藻类生长进行光合作用必须的光能转换成电能。充电控制器起到控制电流的流向和保持充电稳定性的作用，当阳光充足的时候，电池板的电能供给蓄电池和后续的机电设备；当阳光不充足的时候，自动切断电池板供电电路，防止电流倒灌到电池板并损坏电池板的正常功能，同时在电流过大时自动调节充电电量防止对蓄电池的损坏。胶体蓄电池起到保存电量的作用，将太阳能电池板的电能进行储存，供给后续的机电设备和主控电路板工作，保证系统在阴雨天仍可连续工作。控制主板部分由16位微处理器为中央处理器，外围由时钟定时功能、32兆位数据存储功能、四通道数据采集功能、GPS定位功能、GPRS远程通讯功能、机电设备控制功能、超声波振子驱动功能七个功能模块组成，形成太阳能控藻机的核心工作模块。如附图2所示。时钟定时功能主要起到定时开启机电设备(包括水泵、超声波振子和水质探头)功能，电路如附图3所示。
数据存储功能起到保存重要工作参数和采集的水质数据存储功能，电路如附图4所示。四通道数据采集功能提供中央处理器和水质探头的RS232通讯功能，中央处理器内置异步通讯端口个数有限，难以满足实际水质参数采集需要，因此需要扩充通讯端口，具体电路如附图5所示。GPS定位功能提供设备的位置信息，便于在野外无人值守的情况下跟踪设备的位置信息，方便运行维护，电路如附图6所示。GPRS远程通讯模块提供远程数据传送功能，将设备采集的水质参数发送到远端监控中心，同时实时接收远端监控中心的指令，更改设备的运行工作参数。电路如附图7所
/Jn ο机电设备控制功能提供水泵开关控制功能，由于单片机的端口驱动能力有限，难以带动水泵等大功率设备，因此需要采用9013三极管对单片机管脚输出电流进行放大，驱动继电器线圈吸含或断开 ，从而达到控制水泵等大功率设备的目的。电路如图8所示。超声波振子驱动功能采用中央处理器输出特定频率方波，通过功率放大电路驱动超声波振子进行振动，电路如图9所示。外围设备包括水泵、超声波振子和水质参数探头。水泵采用24v直流供电，主要作用是提供水体循环和压力喷射作用；超声波振子主要作用是利用超声波对藻细胞壁的穿透作用达到藻的灭活，超声波振子的谐振频率根据研究采用40kHz的谐振频率；水质参数探头根据具体水质需要可以灵活配置，常用的为五参数一体的水质探头，采集的水质指标为:溶解氧、PH、电导率、浊度和温度。固定装置分为水上部分和水下两大部分，示意图如图10所示。水上部分从上到下分别是:太阳能电池板支架、设备层、散水层；水下部分为承重层、伸缩节、水泵箱。其中设备层、散水层和承重层三部分是不锈钢浮筒的主要组成部分。装置各个部分的作用如下 太阳能电池板支架起到固定电池板的作用，支架安装在不锈钢浮筒上；设备层位于不锈钢浮筒的最上部，用于存放本设备的各个重要电子部件；散水层为水循环装置的出口，提供均匀布水功能，通过围绕散水层一圈的布水口压力喷射作用，破坏设备周围水体藻类生长环境；承重层提供浮力使设备浮于水面上，保持飘浮状态；伸缩节为长度可调节的装置，用于适应实际应用中不同深度安装需要；水泵箱作用是提供水泵安装的空间，考虑到实际水体可能浊度较高，容易堵塞水泵，水泵箱进口处设置格栅阻挡水草和其他大的物体进入水泵，避免形成阻塞，提高设备在水下的工作时间和运行效率，如图11所示。另一方面，本发明还提供一种采用太阳能控制藻类爆发的方法，具体步骤如下:1.固定好太阳能电池板，接好电池板和主控电路板的接线；2.根据水深，设置伸缩节深度，固定好水泵箱和伸缩节连接螺丝，并将水质探头固定到伸缩节上；3.连接水泵箱和承重层的管路接口，并用螺扣固定；4.主控电路板根据设定工作参数开始从水质探头采集数据，并判断时间是否达到设定的工作时间，如果达到开启水泵进行水力循环；根据设定的工作模式，如果水质污染严重，开启超声波振子振动功能进行灭藻；5.主控电路板根据电源电压监控模块监测到的电压调整工作方式，一旦电压低于设定值，停止水泵及超声波振动功能，只采集数据并进行远程GPRS远程传送。
附图1是系统总体结构图；图中数字含义如下:1.代表200W太阳能蓄电池，2.代表充电控制器，3.代表胶体蓄电池，4.代表控制电路主板，5代表GPRS通讯模块，6代表水泵，7代表超声波振子，8代表水质参数探头。附图2是系统控制主板功能结构图；图中数字含义如下:1代表中央处理器，2代表时钟电路，3代表数据存储模块，4代表四通道数据采集接口，5代表机电设备控制模块，6代表超声波驱动，7代表GPRS远程通讯模块，8代表GPS定位模块。附图3是时钟电路连接图；附图4是数据存储电路连接图；附图5是四通道数据采集接口电路连接图；附图6是GPS定位电路连接图；附图7是GPRS远程通讯电路连接图；附图8是机电设备控制电路连接图； 附图9是超声波振子电路连接图；附图10是固定装置示意图；图中数字含义如下:1代表太阳能电池板，2代表设备层，3代表散水层，4代表承重层，5代表水泵箱，6代表伸缩节，7代表设备的水上部分，8代表设备的水下部分。
附图11是水泵箱设计图。
具体实施例方式下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。附图1，2含义在前面均以作详细说明。如图3，时钟集成芯片I脚为电源供电正极，2，3脚连接晶振，提供一定频率的脉冲；4脚为电源供电负极；5脚为芯片选中引脚，当该引脚为低电平时芯片进入选通状态，可以重新设置新的时间；6脚为数据双向通讯引脚，用于集成芯片和中央控制器通讯；7脚为串行通讯的时钟引脚；8脚为后备电池的正极引脚，便于在系统掉电状态下为芯片提供电力。时钟芯片第一次运行时人工设定正确的时间，以后将自动计时，一旦达到设定的工作时间，可以开启外围的水泵及其他机电设备。附图4是数据存储电路连接图，主要用于保存采集的数据和系统重要的工作参数。I脚为暂停引脚，一旦设置为低电平，外围电路将停止与该芯片的通讯；2脚为供电正极脚为片选信号，低电平状态下将选中芯片并可以设置参数；8脚为数据输出管脚；9脚为写保护引脚，低电平状态下锁定芯片防止写入；10脚为供电地引脚；15脚为芯片数据输入引脚；16脚为写入时钟信号。在时钟信号特定时序下可以配合数据输入输出引脚可以将数据写入特定扇区，并可以从特定扇区读取数据。附图5是四通道数据采集接口电路连接图，主要用于扩展中央处理器的对外异步通讯接口，便于水质采集探头跟中央处理器通讯。INTA，INTB, INTC, INTD为四路通道收发数据中断通知信号线，一旦有数据从水质探头发送到芯片，四路通道对应的信号线将产生一个电压跳变，从而引发中央处理器进入相应的中断服务程序进行处理；CSA，CSB, CSC, CSD为四路通道的片选信号线，只要信号线选为低电平，该通道将进入工作状态；RXA、TXA为第一路通道的数据收发线，RXB,TXB为第二路通道的数据收发线，RXC,TXC为第三路通道的数据收发线，RXD、TXD为第四路通道的数据收发线；A0，A1，A2为内部寄存器地址线；D0_D7为双向通讯数据线，用于将中央处理器输出的并行数据转换成为串行数据，也可以将接收到的串行数据转换成并行数据输入到中央处理器。附图6为GPS定位电路连接图，主要用于提供GPS定位信息。3脚为电源地引脚；6脚为复位引脚，一旦设置为低电平后，芯片将恢复初始的工作状态；11脚为外接无源天线信号输入引脚；15脚为外接有源天线信号输入引脚；18脚为开机引脚，保持高电平一段时间后芯片将进入工作状态；19脚为唤醒引脚，保持高电平一段时间后芯片从省电的低功耗模式进入工作状态；GPS_TX，GPS_RX分别为模块的数据发送接收引脚，主要用于和中央处理器进行数据通讯。附图7为GPRS数据通讯电路连接图，主要用于将采集的数据发送到远程监控中心，同时也可以接收远程的操作指令。I脚为开机脚，输入一个从高到低得跳变信号之后模块将进入开机状态；9，10脚分别为数据发送接收线，便于模块和中央处理器进行通讯；15脚为模块电压输出引脚；16脚为复位引脚；27，28引脚分别为调试端口的数据发送和接收引脚；30，31，32，33引脚为SM卡的通讯线，便于模块和SM卡进行通讯；52脚为模块网络连接状态引脚；55，56脚为模块供电正极；60脚为外接天线的信号输入线。附图8是机电设备控制电路连接图，主要用于控制大功率设备的开启或者关闭。通过光电稱合芯片4N25将中央处理器和外围大功率设备隔离开来,保证了系统的电气安全；当4N25第2脚输入低电平，内部LED保持通路，输出端4脚和5脚将导通，通过9012三极管进行电流放大，驱动继电器线圈进行吸合，继电器外接的设备将开启。反之，如果4N25第2脚输入高电平，则整个电路保持关断状态，继电器外接设备关闭。附图9是超声波振子电路连接图，因为超声波振子开关频率较高，一般为40KHz，常用的继电器无法达到该开关频率，因此采用了绝缘栅双极型晶体管进行驱动。通过HCPL-316J集成芯片对振子 进行驱动，该芯片进行了光电隔离有效保证了主控电路的电气安全，减少外围设备对中央处理器的干扰。该芯片I脚为中央处理器输出的特定频率的开关信号输入口 ；5脚为复位引脚，保持为低电平将使芯片恢复到初始的工作状态；6脚为绝缘栅双极型晶体管集电极电压失效反馈信号线；11脚为栅极电压输入脚，14脚为集电极电压过饱和输入管脚，通过一个快反二极管接到晶体管的集电极，一旦集电极电压超出正常范围将反馈至该引脚，从而引发6脚输出低电平。超声波振子通过固定螺丝固定在散水层的顶部，当水质污染较为严重是开启运行，通过水泵的水体循环配合超声波的振动，可以将设备周围水体中的藻细胞破坏，达到控制藻类爆发的目的。附图11是水泵箱的设计图，水泵箱为不锈钢材质，格栅之间的间距为5cm，格栅宽度为2cm。四面均可以进水，顶部通过固定螺孔和伸缩杆连接，通过水管和承重层进行连接，保障水路围绕设备形成微循环。
权利要求
1.一种太阳能控藻系统，包括太阳能电池板、充电控制器、蓄电池、主控电路板及附属的水泵、超声波振子、水质参数探头。太阳能电池板、充电控制器、蓄电池组成系统的电源供应部分，主控电路板特征在于: (1)采用16位嵌入式微处理器为中央处理器，外围配置时钟定时功能、32兆位数据存储功能、四通道数据采集功能、GPS定位功能、GPRS远程通讯功能、机电设备开关功能、超声波振子驱动功能，形成太阳能控藻系统的核心； (2)内置GPRS远程通讯心跳功能，通过定时发送数据包，保持GPRS数据通讯的稳定可罪； (3)自动监测太阳能供电电压的稳定性，一旦电压低于设定值自动关闭外围耗电设备，保持低功耗运行状态； (4)根据设置的工作参数，控制水泵、超声波振子的开关及水质参数探头的数据采集频率，并通过GPS定位芯片确定设备在野外环境下的位置信息，采用GPRS通讯芯片将数据发送到远程监控中心。
2.如权利I要求的控藻系统，其特征还包括根据水体水质特征，通过设定相应的工作参数运行不同的工作模式。当水体藻污染不严重时可以单独运行水泵进行水体循环，通过水体循环及水压力喷射破坏藻的生长环境；当水体藻污染严重时开启超声波振子，通过超声波对藻细胞壁的破坏作用进行灭藻。
3.如权利I要求的控藻系统，其特征还包括配套的固定装置，该固定装置特征在于: (1)固定装置采用不锈钢制作，包括水上部分和水下两大部分，水上部分从上到下分别是:太阳能电池板支架、设备层、散水层；水下部分为承重层、伸缩节、水泵箱； (2)水泵箱子进口设置格栅，防止水草堵塞进口，格栅间距2厘米。
全文摘要
本发明揭示了一种采用太阳能控制藻类爆发的系统及方法，可以用于环保领域的水环境保护，适用于水库湖泊类水体的水质监测及控制藻类爆发。本发明通过将太阳能转换为水体动能及超声波振动机械能，能有效破坏藻类的生长环境，杀灭藻细胞，达到控制藻类生长的目的；同时配置四路水质参数采集通道，通过内置微处理器及时钟电路定时采集水质参数，结合GPS芯片采集的位置信息，采用GPRS远程数据通讯将采集的水质参数及位置信息发送至远端监控中心，形成集水质监测、水质改善于一体的综合平台。
文档编号C02F1/36GK103204556SQ20121001298
公开日2013年7月17日 申请日期2012年1月16日 优先权日2012年1月16日
发明者邓涛, 邓亿峰 申请人:上海灵达信息技术有限公司