一种基于智能手机的水环境监测装置的制作方法

本发明涉及水环境监测领域，尤其涉及信息技术与环境监测结合方面，更具体地说，涉及一种基于智能手机的水环境监测装置。

背景技术：

水资源是人类赖以生存的资源，但是随着科技的进步，水污染日渐严重，近些年来，国内外将无线传感器网络开始投入对于水资源的检测与保护。

随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州"大鸭岛"上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。相对于精细的仪器设备，无线传感器网络制作系统成本低，体型小更易于投放、保护和更换。例如，美国在1975年各州共有1.3万个站点组成水质监测网，在这个监测网中有150个组建成了全美水质监测网。

无线传感器网络同时也具有监测范围广、可靠性高、监测节点自组织等特点，可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也可以应用在农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。

然而，现有的水质监测系统所采用检测装置，通常使用复杂的采集单元、信号处理单元、以及控制单元来实现，体积庞大，组网后不便维护，成本高，不利于大规模投入使用。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对上述的现有水质监测系统所采用检测装置，通常使用复杂的采集单元、信号处理单元、以及控制单元来实现，体积庞大，组网后不便维护，成本高，不利于大规模投入使用的技术缺陷，提供了一种基于智能手机的水环境监测装置。

根据本发明的其中一方面，本发明为解决其技术问题，提供了一种基于智能手机的水环境监测装置，包括智能手机、核心控制模块以及至少一组水环境数据获取单元，每组水环境数据获取单元具有一水质监测传感器以及与一与该水质监测传感器连接的信号调理电路；核心控制模块通过数据线通信连接至智能手机，并分别与各信号调理电路连接。

进一步的，在本发明的水环境监测装置中，还包括用于驱动水环境监测装置所处的船体的电机进行工作的驱动电路，智能手机具有用于拍摄水面目标的拍摄模块，该驱动电路连接至核心控制模块以接受智能手机的控制。

进一步的，在本发明的水环境监测装置中，智能手机具有wifi模块以及gps模块。

进一步的，在本发明的水环境监测装置中，核心控制模块为stm32f103芯片。

进一步的，在本发明的水环境监测装置中，水环境监测装置安装的水质监测传感器包括氨氮传感器以及溶解氧传感器。

进一步的，在本发明的水环境监测装置中，氨氮传感器的信号调理电路包括tl081芯片、ina826芯片以及ref3318芯片；

tl081芯片的第2引脚与第6引脚之间通过0ω电阻连接，第3引脚连接氨氮传感器以传递氨氮传感器采集的信号；tl081芯片的第6引脚接ina826芯片的第4引脚，ina826芯片的第2引脚与第3引脚连接有用于设置ina826芯片放大倍数的电阻，第7引脚与核心控制模块的模/数转换器输入引脚连接，第6引脚连接至ref3318芯片的第3引脚；ref3318芯片的第2引脚连接直流电压端子。

进一步的，在本发明的水环境监测装置中，tl081芯片的第1引脚、第5引脚和第8引脚悬空，第4引脚接接-5v电源并通过0.1uf瓷片电容接地，第7引脚接+5v电源并通过0.1uf瓷片电容接地；ina826芯片的第1、第5引脚接地，第2引脚与第3引脚之间的电阻大小为49.9kω，第6引脚接通过10uf无极性电容接地，所述ina826芯片的第8引脚接电源+3v，并通过0.1uf电容接地；所述ref3318芯片的第1引脚接地，第2引脚接+5v电源，第1引脚和第2引脚之间通过10uf无极性电容连接。

进一步的，在本发明的水环境监测装置中，溶解氧传感器的信号调理电路包括tl081芯片、ina826芯片以及ref3318芯片；

tl081芯片的第2引脚与第6引脚之间通过0ω电阻连接，第3引脚连接氨氮传感器以传递氨氮传感器采集的信号；tl081芯片的第6引脚接ina826芯片的第4引脚，ina826芯片的第2引脚与第3引脚连接有用于设置ina826芯片放大倍数的电阻，第7引脚与核心控制模块的模/数转换器输入引脚连接，第6引脚连接至ref3318芯片的第3引脚；ref3318芯片的第2引脚连接直流电压端子。

进一步的，在本发明的水环境监测装置中，tl081芯片的第1引脚、第5引脚和第8引脚悬空，第4引脚接接-5v电源并通过0.1uf瓷片电容接地，第7引脚接+5v电源并通过0.1uf瓷片电容接地；ina826芯片的第1、第5引脚接地，第2引脚与第3引脚之间的电阻大小为1.5kω，第6引脚接通过10uf无极性电容接地，所述ina826芯片的第8引脚接电源vdd+3v，并通过0.1uf电容接地；ref3318芯片的第1引脚接地，第2引脚接+5v电源，第1引脚和第2引脚之间通过10uf无极性电容连接。

进一步的，在本发明的水环境监测装置中，驱动电路具有l298n芯片，l298n芯片的ena、enb引脚分别连接核心控制模块以接入使能信号，in1至in4引脚分别连接核心控制模块以获取控制信号，gnd、isena及isenb引脚接地，vss引脚接+5v电压，vs引脚接电源正电压，驱动电路的第一至四输出端分别连接第一至第四二极管的阳极，并分别连接第九至第十二二极管的阴极，驱动电路的第一输出端与第二输出端之间以及第三输出端与第四输出端之间均依次串联有限流电阻以及反向并联的两个发光二极管，第一至第四二极管的阴极均连接至所述电源正电压，第九至第十二二极管的阳极均接地。

实施本发明的基于智能手机的水环境监测装置，通过智能手机实现其功能，充分体现了电路的高集成和功能的多样化，且整体硬件电路简单、成本低廉、便于制造实施，特别是在监测区域需要大规模地部署无线传感器网络节点的场合。氨氮传感器以及溶解氧传感器都是工业用传感器，对于大面积水域的水质监测，提高了监测数据的准确性和监测的可靠性，相较于普通的传感器数据更加稳定，在恶劣环境中，传感器也更加实用，使用寿命跟周期更长；stm32f103芯片价格低廉，易于大范围铺开使用信号调理电路利用了集成芯片tl081芯片、ina826芯片以及ref3318芯片，再依据相应的传感器的信号进行外部电路设计，将信号进行放大、稳压等处理，信号调理电路处理性能稳定、高效且集成度高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的基于智能手机的水环境监测装置的一优选实施例的结构示意图；

图2是本发明的图1中氨氮传感器的信号调理电路的一优选实施例的电路原理图；

图3是本发明的图1中溶解氧传感器的信号调理电路的一优选实施例的电路原理图；

图4是本发明的图1中驱动电路的一优选实施例的电路原理图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，其为本发明的基于智能手机的水环境监测装置的一优选实施例的结构示意图。在本实施例的水环境监测装置中，包括智能手机1、核心控制模块2以及至两组水环境数据获取单元3、4以及驱动电路5。第一组水环境数据获取单元3包括水质监测传感器和第一信号调理电路32，在本实施例中，该水质监测传感器为氨氮传感器31，第一信号调理电路32与氨氮传感器31连接；第二组水环境数据获取单元4包括另一水质监测传感器和第二信号调理电路32，在本实施例中，该另一不同类型的水质监测传感器为溶解氧传感器41，第二信号调理电路42与溶解氧传感器41连接。核心控制模块2通过数据线15通信连接至智能手机1，并分别与各信号调理电路32、42以及驱动电路5连接。智能手机1具有wifi模块11、gps模块12、usb接口13以及用于拍摄水面目标(如水面漂浮物)的拍摄模块14。

在本实施例中，核心控制模块2采用stm32f103芯片实现，智能手机1为android系统的手机，智能手机1的usb接口13通过数据线与核心控制模块2连接，并使用android系统的cdc类来完成android系统与stm32f103芯片之间的usb通信。在本发明中，通过给cdc类添加一个数据接口类，并且为数据接口类添加一对批量传输模式bulktransfer的输入端点和输出端点就能够完成智能手机1与stm32f103芯片之间的收据收发。在其他实施例中，若需要对设备进行复杂的管理和控制，那么还可以再为cdc类设备添加一个通信接口类。通信步骤为：

(1)枚举挂接到系统上的usb设备；

(2)根据厂商id(vendor-id)和产品id(product-id)过滤，得到对应usb设备；

(3)请求用户授予usb设备的访问权限；

(4)使usbmanager.opendevic方法打开设备；

(5)使用usbdevice.getinterface方法获取接口，并进行配置；

(6)使用usbinterface.getendpoint方法打开通信端点；

(7)使用usbdeviceconnection.bulktransfer方法与stm32f103进行通信；

(8)使用完毕，关闭usb通信。

智能手机1通过拍摄模块14(如手机摄像头)进行实时图像采集，调用系统相机进行实时拍摄储存，通过调用jni协议，进行opencv图像处理代码移植，在android系统进行图像的处理和跟踪，通过gps模块12进行采集位置的定位，通过wifi模块11可以将通过水环境数据获取单元3得到的氨氮含量、通过水环境数据获取单元4得到的溶解氧含量、通过拍摄模块14拍摄的水面目标图像、通过gps模块定位的采集位置等数据传输给外部设备。通过拍摄模块14对水面目标进行视觉感知，通过图像处理与分析，智能手机1产生控制指令给stm32f103芯片，stm32f103芯片控制驱动电路5驱动船体调整位置，对水面目标进行实时检测和显著性区域识别。显著性区域识别在本实施例中是指，当拍摄模块14拍摄到的水面目标后，识别该水面目标的图像在所拍摄的图像中的位置，当该水面目标的图像在所拍摄的图像的边缘时，智能手机1产生控制指令调整船体的位置，使得该水面目标的图像向所拍摄的图像的中心区域靠拢。

同时，各水质监测传感器采集的数据经对应的信号调理电路进行调理，并由stm32f103芯片进行模/数转换后传输回智能手机1，智能手机1通过定制app进行数据的显示和记录，或者由wifi模块11传送至外部设备。

参考图2，其为本发明的图1中氨氮传感器31的信号调理电路的一优选实施例的电路原理图。氨氮传感器31的信号调理电路——第一信号调理电路32单元包括tl081芯片u10、ina826芯片u9以及ref3318芯片jp3，其中，tl081芯片u10的第1引脚、第5引脚和第8引脚悬空，第2引脚与第6引脚之间通过0ω电阻r34连接，tl081芯片u10的第3引脚作为电压输入端vin用于接氨氮传感单元的传感器探头，第4引脚接接-5v电源并通过0.1uf瓷片电容c60接地，第7引脚接+5v电源并通过0.1uf瓷片电容c59接地；tl081芯片u10的第6引脚接ina826芯片u9的第4引脚，ina826芯片u9的第1、第5引脚接地，第2引脚与第3引脚通过49.9kω的电阻r32连接，第6引脚接ref3318芯片jp3的第3引脚并通过电容c19接地，ina826芯片u9的第7引脚作为电压输出端，用于与核心控制单元的模/数转换器输入引脚连接，ina826芯片u9的第8引脚接电源vdd+3v，并通过0.1uf电容c18接地；ref3318芯片jp3的第1引脚接地，第2引脚接+5v电源，第1引脚和第2引脚之间通过电容c17连接，电容c17和电容c19均为10uf无极性电容。

溶解氧传感器41的信号调理电路——第二信号调理电路42包括tl081芯片u7、ina826芯片u8以及ref3318芯片jp2，其中，tl081芯片u7的第1引脚、第5引脚和第8引脚悬空，第2引脚与第6引脚之间通过0ω电阻r30连接，tl081芯片u7的第3引脚作为电压输入端vin用于接溶解氧传感单元的传感器探头，第4引脚接接-5v电源并通过0.1uf瓷片电容c62接地，第7引脚接+5v电源并通过0.1uf瓷片电容c61接地；tl081芯片u7的第6引脚接ina826芯片u8的第4引脚，ina826芯片u8的第1、第5引脚接地，第2引脚与第3引脚通过1.5kω的电阻r29连接，第6引脚接ref3318芯片jp2的第3引脚并通过电容c16接地，ina826芯片u8的第7引脚作为电压输出端，用于与核心控制单元的模/数转换器输入引脚连接，ina826芯片u8的第8引脚接电源vdd+3v，并通过0.1uf电容c14接地；ref3318芯片jp2的第1引脚接地，第2引脚接vdd+5v电源，第1引脚和第2引脚之间通过电容c15连接，电容c15和电容c16均为10uf无极性电容。

上述第一调理电路32以及第二调理电路42中，tl081芯片的第2引脚与第6引脚之间通过0ω电阻连接而非直接短接，是因为0欧电阻具有较窄的电流通路，能有效的限制环路电流，抑制噪声，虽然tl081芯片在此处的放大倍数为1，但由于具有很大的输入阻抗，能够有效提高tl081芯片接收到的输入信号的信噪比；ina826芯片的第2引脚与第3引脚之间的大小决定ina826芯片部分的放大倍数，ref3318芯片部分则是给ina826的ref引脚提供一个基准的偏置电压。

图4是本发明的图1中驱动电路的一优选实施例的电路原理图。驱动电路的l298n芯片的ena、enb分别连接从stm32f103芯片第6、8引脚从而接入使能信号，in1至in4引脚分别连接stm32f103芯片的5、7、10、12引脚以获取控制信号，gnd、isena及isenb引脚接地，vss引脚接+5v电压，vs引脚接电源正电压vcc，驱动电路的第一至四输出端out1至out4引脚分别连接第一至第四二极管d1至d4的阳极，并同时分别连接第九至第十二二极管d9至d12的阴极，驱动电路的第一输出端与第二输出端之间以及第三输出端与第四输出端之间均依次串联有20k的限流电阻r1、r2以及反向并联的两个发光二极管d5、d6以及d7、d8，这些发光二极管用来对驱动电路的各输出端是否有输出进行指示。其中，控制信号可调节驱动电路的第一输出端与第二输出端的输出大小，第一至第四二极管d1至d4的阴极均连接至电源正电压vcc，第九至第十二二极管d9至d12的阳极均接地，p2和p3为接插件。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。