一种无人水质取样检测系统的制作方法

本实用新型涉及水质取样检测领域，尤其涉及一种基于无人机的水质取样检测系统。

背景技术：

基于无人机的水源侦检系统实时性强，能够在高危地区作业，非常适合于各种自然灾害的应急救援，在未来重大自然灾害救援饮水安全保障过程中，可减少卫勤人员及救援人员在地震、泥石流、洪水等恶劣地质灾害下的意外伤害，还可以在恶劣自然灾害条件下，在安全区域实现远程饮水的快速检测，更换消毒模块后还可进行小面积水域快速消毒。

目前，基于无人机技术的水源侦检系统往往只能够在线检测，很少具备同时进行水源取样和在线检测的功能，而且缺乏长时间连续多次对不同深度、不同区域的检测及自动取样。

技术实现要素：

针对上述已有技术存在的不足，本实用新型提供一种无人水质取样检测系统，用于长时间连续多次对不同深度、不同区域的检测及自动取样。

为了解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案为：

一种无人水质取样检测系统，包括：

无人机，下方安装有滑轨；

控制箱,与无人机通过滑轨相连，内部有电池、电路控制模块、升降电机、电机支架和卷筒。升降电机安装于电机支架上，电机支架固定于控制箱的底部，卷筒与升降电机之间由联轴器相连接。

拉线，与卷筒相连，在升降电机的驱动下进行卷线与放线的动作，进而通过拉线控制取样筒抬升与落下，可缠绕于卷筒上，内部包裹着水密电缆。水密电缆与电路控制模块相连。

取样筒，顶部无盖，均匀排列至少两个用于固定拉线的固定点，底部为圆锥形，开口，内部包含传感器组、水压计、密封电机以及密封盖、电机固定底座、丝杆。水密电缆与传感器组、水压计和密封电机相连，传感器组和水压计吊置于取样筒的上部，密封电机固定于电机固定底座，电机固定底座通过至少2 个支撑臂固定于取样筒内壁，密封盖与丝杆固定连接，以使密封电机带动密封盖转动，通过该套装置可以在不同水深条件下，连续多次对水质情况进行在线测量、记录以及取样。

控制箱内电路控制模块由主控单元、采集控制单元、电机驱动单元和电源单元组成。主控单元用于控制无人机飞行路径、通信，收集采集控制单元采集的水质数据，送至无人机转发给远端；采集控制单元可对水体质量进行综合检测以及对水样采集进行控制；电源单元用于供电电压转换，为电路控制模块、升降电机、密封电机提供电力；电机驱动单元将控制密封电机打开或关闭密封盖，并控制升降电机收起或下放取样筒。

作为优选，主控单元的核心芯片使用超低功耗器件MSP430FR69x，其有益效果是降低系统功耗，提高连续工作时间。

作为优选，主控单元检测水压计的水深数据，控制打开/关闭传感器组，其有益效果是进一步降低系统功耗，提高连续工作时间。

作为优选，传感器组包含了PH传感器、溶解氧传感器、电导率传感器、浊度传感器和温度传感器，可以同时测量水质的5种参数，其有益效果是可对水体质量进行综合检测。

作为优选，电源单元使用高效率的DC-DC开关电源芯片，其有益效果是提高转换电源效率，用于进一步降低系统功耗。

作为优选，控制箱的中间的面及取样筒的箱体采用高强度塑料材质，其有益效果是降低设备整体重量，用于降低系统功耗。

作为优选，无人机采用可悬停的多旋翼无人机，其有益效果是工作作业稳定，检测数据波动小。升降电机采用直流减速型，其有益效果是能够直接驱动卷筒旋转。

作为优选，电池、拉线、密封电机、以及电路控制模块中的主控单元、电源单元、采集控制单元、电机驱动单元均采用外部涂覆防水胶的方式进行防水处理，其有益效果是保证了水下作业的安全。

本实用新型的有益效果是，该无人水质取样检测系统能够实时在线检测，并根据水压计的结果进行不同深度水质检测，根据检测结果控制密封电机和密封盖对水样进行下密封，取样方便，同时通过控制密封电机和密封盖在指定水域打开，也可用于无人消毒。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的无人水质取样检测系统的整体结构图；

图2是本实用新型的无人水质取样检测系统的控制箱的结构示意图；

图3是本实用新型的无人水质取样检测系统的取样筒的结构示意图；

图4是本实用新型的无人水质取样检测系统的电路控制模块结构示意图；

图5是本实用新型的无人水质取样检测系统与无人机连接示意图。

图中：1.无人机，2.控制箱，3.拉线，4.取样筒，5.电源，6.电路控制模块，7.升降电机，8.电机支架，9.卷筒，10.水密电缆，11.传感器组，12.水压计， 13.密封电机，14.密封盖，15.电机固定底座，16.丝杆，17.主控单元，18.采集控制单元，19.电机驱动单元，20.电源单元

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

如图1所示，一种无人水质取样检测系统，包括无人机、控制箱、拉线、取样筒。控制箱和取样筒安装在无人机上，通过无人机水面悬停检测水质，并自动取样，通过无人机的通信模块反馈给后台操控平台的设备。控制箱可通过内部的升降电机控制取样筒的上升和降落。

如图2所示，控制箱内部有电池、电路控制模块、升降电机、电机支架和卷筒。升降电机安装于电机支架上，电机支架固定于控制箱的底部，卷筒与升降电机之间由联轴器相连接，在升降电机的驱动下进行卷线与放线的动作。

如图5所示，控制箱与无人机通过滑轨相连，安装简单可靠，只要从无人机正面将装置沿轨道平行推入卡牢固即可。

如图3所示，取样筒顶部无盖，均匀排列至少两个用于固定拉线的固定点，底部为圆锥形，开口，内部包含传感器组、水压计、密封电机以及密封盖、电机固定底座、丝杆。水密电缆与传感器组、水压计和密封电机相连，传感器组和水压计吊置于取样筒的上部，密封电机为丝杆步进电机，固定于电机固定底座，电机固定底座通过至少2个支撑臂固定于取样筒内壁，密封盖与丝杆固定连接，密封电机转动带动密封盖上下移动，从而对取样筒进行开合，密封盖四周使用密封用的胶条包裹，能够增强水样的密封性能。通过该套装置可以在不同水深条件下，连续多次对水质情况进行在线测量、记录以及自动取样。

如图4所示，控制箱按功能可划分为由主控单元、采集控制单元、电机驱动单元和电源单元组成等五部分组成。主控单元用于控制无人机飞行路径、通信，收集采集控制单元采集的水质数据，送至无人机转发给远端；采集控制单元可对水体质量进行综合检测以及对水样采集进行控制，通过RS485接口和 Modbus协议读取传感器组检测到的水质参数；电源单元用于供电电压转换，为电路控制模块、升降电机、密封电机提供电力；电机驱动单元将控制密封电机打开或关闭密封盖，并控制升降电机收起或下放取样筒。

使用时，无人机飞到指定地点水域，在水面悬停，首先主控单元控制密封电机打开密封盖，然后控制升降电机，放下取样筒。当主控单元检测到取样筒放入水中指定深度时，升降电机停止工作，此时，将开启传感器组检测状态，同时测量水质的5种参数，通过RS232接口经由无人机发送给远端。根据测量结果选择直接取样带走，或者在不同深度开始新的检测，取样时主控单元控制密封电机关闭密封盖，每次检测结束时关闭传感器组用于降低系统功耗，整个检测取样完毕后，主控单元控制升降收回取样筒。无人机与检测箱之间的通信为自定义协议，区分水质数据和无人机控制数据，灵活安全。

检测系统工作依靠无人机上的电池供电，降低使用功耗，可以延长无人机的飞行时间，设计时考虑了以下几个方面：

(1)在满足运行能力前提下，使用低功耗的器件；

(2)主控单元根据工作情况打开/关闭其他单元，如增加水压计检测，当检测到取样筒到达指定深度，满足测试条件时，传感器组才会开启；

(3)提高转换电源效率，使用高效率的DC-DC开关电源芯片，进一步降低系统功耗；

(4)降低设备重量，优化结构设计，在考虑设备具备一定程度抗冲击性的同时，降低设备整体重量，减轻无人机的负载。

作为优选，主控单元的核心芯片使用超低功耗器件MSP430FR69x，其有益效果是进一步降低系统功耗，提高连续工作时间。MSP430FR69x具有优化的超低功率模式，高达16MHz时钟频率的16位精简指令集(RISC)架构，工作模式大约100μA/MHz，待机0.4μA，实时时钟(RTC)(LPM3.5)0.35μA，关断电流 (LPM4.5)0.04μA，超低功耗铁电RAM(FRAM)，高达64KB的非易失性存储器，超低功耗写入，具有智能数字外设、高性能模拟、代码安全性和加密、多功能输入/输出端口、增强型串行通信和灵活时钟系统。

在一次水质检测开始时，主控单元检测水压计的水深数据，当水压计示数达到目标水深时，控制打开传感器组检测水质情况，当一次水质检测结束时，关闭传感器组，其有益效果是进一步降低系统功耗，提高连续工作时间。

作为优选，升降电机采用直流减速型，其有益效果是能够直接驱动卷筒旋转。

作为优选，传感器组包含了PH传感器、溶解氧传感器、电导率传感器、浊度传感器和温度传感器，可以同时测量水质的5种参数，其有益效果是可对水体质量进行综合检测。本实用新型的一种实施方式，PH传感器采用在线工业pH 电极，485接口，PH检测范围为0-14pH，精度±0.1pH，防水防尘标准为IP68，响应时间≤0.5min，温度补偿0－50℃自动温度补偿；溶解氧传感器采用荧光法，检测范围0-20mg/L或0-200％饱和度，防水防尘标准为IP68，分辨率 0.1mg/L，25℃反应时间T90:30s，T99:90s，温度补偿0－60℃自动温度补偿；电导率传感器采用电磁式，量程:20μs/cm-600ms/cm，精度:＜±1.5％，电极材料:PP，操作温度:0-100℃，防水防尘标准为IP68，测定范围10uS-500mS/cm，测试方式为4极式电极法，电极常数K＝0.917cm-1,±1.5％，反应时间(25℃) T90:30s T99:90s，温度补偿为内置地表水非线性温度补偿；浊度传感器为光纤式浊度，量程:0.1-1000NTU，精度:＜5％或0.3NTU，响应时间:＜2sec，操作温度:0～50℃，防水防尘标准为IP68，测定范围0.0-1000FNU，方法原理为90度散射比浊法，内置超声波发生器清洁镜片，测试镜片为蓝宝石镜片，测量精度为测量值的±3％；温度传感器测定范围0.0-60.0℃，响应时间≤0.5min。作为优选，无人机采用可悬停的多旋翼无人机，其有益效果是工作作业稳定，检测数据波动小。

作为优选，电池、拉线、密封电机、以及电路控制模块中的主控单元、电源单元、采集控制单元、电机驱动单元均采用外部涂覆防水胶的方式进行防水处理，其有益效果是保证了水下作业的安全。电池、拉线、电路控制模块中的主控单元、电源单元、采集控制单元、电机驱动单元采用整体涂覆的方式，升降电机采用防水型电机，防水防尘等级为IP66，密封电机采用防水型电机，防水防尘等级为IP68。