專利名稱：用于檢測工業污水水質的無線傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及傳感器，具體涉 及用于檢測工業污水水質的無線傳感器。
背景技術：
長年以來，工業水污染的問題一直困擾著人們。要減輕工業水污染帶來的惡果、進行污水處理，首先就需要對工業污水的水質進行檢測，以判定污染等級。因此，解決工業水污染問題的基礎是采用一種低成本、低能耗、自動化的工業污水水質檢測傳感器。水質檢測傳感器通常采用無線射頻傳輸裝置傳輸水質檢測信號。目前，常規的水質檢測無線傳感器均采用外接鋰電池作為系統的供電方式。但由于無線射頻傳輸裝置的功耗較大，而傳感器外接鋰電池的電量及體積會由于水域檢測環境的要求而受到嚴格限制，從而導致一般的水質檢測無線傳感器的鋰電池使用壽命較低，一般只能持續使用6個月左右。尤其是在濕度非常大的湖泊、河流、水庫等水域中，鋰電池的壽命會更短，除非添加非常復雜的除濕裝置，但是這樣會增加傳感器的成本，不利于水質檢測無線傳感器的推廣和大規模使用。同時，由于水質檢測無線傳感器一般都會部署在湖泊、河流、水庫等覆蓋范圍較廣的水域上，直接導致了更換傳感器電池的難度及成本都很大。尤其對于工業污水的水質檢測傳感器，一般只能做一次性使用。為了解決水質檢測傳感器電池使用壽命低的問題，將生物能源、太陽能、風能等清潔型能源應用于水質檢測傳感器領域，成為時下業界關注的研發重點。為此，中國實用新型專利CN201307111 (申請號為200820225062. 2)公開了一種基于太陽能的智能水質檢測裝置。該技術方案將太陽能電池板通過導線與鋰蓄電池相連，并將MCU控制模塊和無線通訊模塊分別連接至電池上。在陽光照射充足時，通過太陽能電池板為鋰蓄電池充電。這種方案存在的一個主要不利因素在于太陽能電池會過多的依賴于天氣、光照等自然條件，在惡劣天氣或夜間均無法使用。此外，由于太陽能電池板的造價及安裝成本都較高，也會直接導致傳感器的成本提升，并沒能達到節能環保的目的。中國發明專利CN102288739A (申請號為201110161848. 9)公開了一種風力發電系統向水質傳感器供電的水質監控系統。該技術方案利用自然風力吹動風力發電機的葉片旋轉，帶動風力發電機產生電流，以供給傳感器使用。這種方案的一個首要缺陷就在于每個傳感器都需要安裝風頁、風力發電機等設備，不僅會導致傳感器系統的體積增大，而且整個系統的成本也會直線升高。此外，依靠風力發電所轉換得到的電能不穩定且可持續使用性較差，這也導致該方案的實用性稍顯不足。由此可見，現有應用太陽能、風能等清潔型能源的工業污水水質檢測無線傳感器普遍存在制造成本高、實用性較差的缺陷。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是解決應用太陽能、風能等清潔型能源的工業污水水質檢測傳感器制造成本較高、實用性較差的問題。為了解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是提供一種用于檢測工業污水水質的無線傳感器，包括供電模塊、水質檢測模塊、無線傳輸模塊和控制模塊，在所述控制模塊的控制下，所述無線傳輸模塊實時將所述水質檢測模塊獲得到的水質檢測數據發送給外部控制中心；還包括用于實時檢測污水的PH值的PH探頭和電源切換模塊，所述供電模塊包括充電電池、充電管理模塊和原電池組，所述控制模塊根據所述PH值是否滿足PH設定值相應地發出第一或第二控制信號，所述電源切換模塊根據所述第一控制信號將無線傳感器的工作電源切換為所述原電池組，所述充電管理模塊根據所述第一控制信號接通所述原電池組至所述充電電池的充電電路，所述電源切換模塊根據所述第二控制信號將無線傳感器的工作電源切換為所述充電電池。 在上述方案中，還包括原電池組輸出電壓檢測模塊，實時檢測所述原電池組的輸出電壓，所述控制模塊根據所述原電池組的輸出電壓是否滿足無線傳感器的工作電壓條件再一次輸出所述第二控制信號。
在上述方案中，所述無線傳感器的工作電壓條件為電壓值穩定且達到標定值。在上述方案中，所述PH設定值為PH = 3 5。在上述方案中，所述充電管理模塊包括Buck快速轉換器，所述控制模塊通過調整PWM占空比調整所述Buck快速轉換器輸出至所述充電電池的充電電流。在上述方案中，所述充電電池具體為鋰電池。在上述方案中，所述原電池組由多個原電池串聯而成。本發明提供的技術方案，采用原電池和充電電池組合作為傳感器的工作電源，并通過電源切換模塊實現了原電池和充電電池的自動切換，達到了節能環保的目的，對解決工業水污染問題具有非常重大的意義。
圖I為本發明的結構框圖；圖2為本發明中無線傳感器的電源管理原理圖；圖3為本發明中原電池組的結構示意圖；圖4為本發明中無線傳感器的充電管理原理圖。
具體實施例方式下面結合說明書附圖和具體實施方式
對本發明作出詳細的說明。如圖I所示，本發明提供的用于檢測工業污水水質的無線傳感器，包括供電模塊10、水質檢測模塊20、無線傳輸模塊30和控制模塊40，其中水質檢測模塊20、無線傳輸模塊30和控制模塊40構成所述無線傳感器的主系統。供電模塊10用于給所述主系統供電。水質檢測模塊20的敏感膜置于待檢測的工業污水中，在控制模塊40的控制下，水質檢測模塊20通過其敏感膜對工業污水的水質進行實時檢測而獲得水質檢測數據，包括工業污水中氨氮含量、溫度、重金屬含量等參數，上述水質檢測數據經過處理和校正后，由無線傳輸模塊30實時發送給外部控制中心，通過外部控制中心進行分析、處理，為有關部門采取措施進行污水治理提供依據。
本發明的創新之處在于供電模塊10由充電電池11和原電池組13組合而成，并且設置了充電管理模塊12以及用于實時檢測污水的PH值的PH探頭50和電源切換模塊60，控制模塊40根據工業污水的PH值控制電源切換模塊60將傳感器的工作電源自動切換為充電電池11或原電池組13。具體地說，控制模塊40根據PH探頭50檢測到的工業污水PH值是否超過設定值發出第一或第二控制信號，電源切換模塊60根據第一控制信號將無線傳感器的工作電源切換至原電池組13，同時，充電管理模塊12根據第一控制信號接通原電池組13至充電電池11的充電電路，使原電池組13對充電電池11進行充電。電源切換模塊60根據第二控制信號將無線傳感器的工作電源切換至充電電池11。以下為本發明的一個具體實施例，本具體實施例中所采用的具體部件型號僅為一種常用選擇，本領域技術人員完全可以根據實際情況進行相應的替換，凡是與本發明具有相同或相近的技術方案，均落入本發明的保護范圍之內。請參見圖2，圖2為所述無線傳感器的電源管理的一種具體實施例示意圖，控制模塊40的核心為一片單片機，型號為C8051F902，充電電池13選用的是鋰電池。置于待測的 工業污水中的PH探頭50實時檢測工業污水的PH值(模擬參量)，并通過濾波放大電路41傳送至單片機C8051F902的ADC-1 (12bit)引腳，單片機C8051F902依據待測工業污水的PH值是否滿足PH設定條件相應地發出第一或第二控制信號，PH設定條件一般取PH = 3 5。第一或第二控制信號由單片機C8051F902的GPIO引腳發送給電源切換模塊60以實現充電電池11和原電池組13之間的自動切換。當切換至原電池組13為傳感器供電時，單片機C8051F902的ADC_2(12bit)弓丨腳將對原電池組13的輸出電壓進行監測，若原電池組13的輸出電壓不穩定或不能滿足標定值，則單片機C8051F902將再一次通過GPIO引腳傳送第二控制信號至電源切換模塊60，切換充電電池11做為無線傳感器的供電電源，從而保證無線傳感器的正常工作。原電池組13的輸出電壓需經過LDO線性穩壓器穩壓。原電池組13是由一組、兩組或兩組以上的原電池串聯構成，根據無線傳感器的實際工作電壓需要來決定原電池的數量，每組原電池由一個活性比較高的金屬電極和一個活性相對較低的金屬電極構成。原電池的具體結構為現有技術，圖3為兩個原電池串聯的原電池組的原理圖，如圖3所示，金屬電極21、23為活性較強的金屬電極，金屬電極20、22為活性相對較低的金屬電極，當待測溶液24的PH值較低時，金屬導線17中會產生電流，電極18為原電池組的負極，電極19為原電池組的正極，通過正極19和負極18為無線傳感器供電。圖4為無線傳感器的充電管理原理圖，如圖4所示，充電管理模塊中設有Buck快速轉換器25，Buck快速轉換器25用電感作為能量存儲單元。Buck快速轉換器25的控制端連接至單片機C8051F902的PWM接口，從而可由單片機C8051F902通過軟件控制PWM的占空比，以調節鋰電池的充電電流。在充電過程中，單片機C8051F902通過兩路ADC來檢測充電電池11的充電電壓及電流，如果充電電壓低于下限電壓時，則通過PWM接口調節Buck快速轉換器將充電電流減小，使充電電池處于預充電狀態；如果充電電壓超過下限電壓時，單片機C8051F902通過PWM調節Buck快速轉換器將充電電流調高，使充電電池處于恒流充電狀態；如果充電電壓達到上限電壓時，單片機C8051F902通過PWM調節Buck快速轉換器使得充電電池處于恒壓充電狀態；當檢測到充電電池電流超過上限電流時，則單片機C8051F902通過PWM調節Buck快速轉換器停止對充電電池充電。本發明的工作原理如下在默認情況下，無線傳感器采用充電電池11作為工作電源，PH探頭50放置于待測的工業污水中，檢測到的模擬信號傳輸至單片機C8051F902的ADC-1引腳，通過AD轉換得到待測污水的PH值，如果所得到的PH值顯示待測污水為酸性溶液，則通過單片機C8051F902的GPIO引腳向電源切換模塊60發出第一控制信號進行切換，斷開充電電池11，同時選擇原電池組13做為傳感器的工作電源。如果原電池組13的輸出電壓不穩定或不能滿足標定值，則單片機C8051F902再通過GPIO引腳傳送第二控制信號至電源切換模塊60進行切換，將無線傳感器的工作電源切換為充電電池11，保證無線傳感器正常工作。
在使用原電池組13供電時，充電管理模塊12開始工作，為鋰電池進行持續充電。并且單片機C8051F902實時檢測充電電壓和電流的大小，并通過脈寬調制PWM進行調節。工業污水一般都具有其獨特的一些參量指標，這包括了 弱酸性(PH值在3至5的范圍內)、較高的重金屬含量、較高的電導率等。本發明提供的方案可以很好的克服常規水質檢測無線傳感器中所存在的電池能耗問題。首先，它不僅可以采用清潔的新能源做為無線傳感器的工作電源，同時由于充份利用到了工業污水的電化學特性，使得無線傳感器受自然環境的約束也很小，可以作為一種可持續使用的能源。其次，由于化學原電池的制造成本和原材料成本都極低，使得無線傳感器更容易投付到實際的生產應用中去。并且，克服了廢棄電池污染的問題。本發明不局限于上述最佳實施方式，任何人應該得知在本發明的啟示下作出的結構變化，凡是與本發明具有相同或相近的技術方案，均落入本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.用于檢測工業污水水質的無線傳感器，包括供電模塊、水質檢測模塊、無線傳輸模塊和控制模塊，在所述控制模塊的控制下，所述無線傳輸模塊實時將所述水質檢測模塊獲得到的水質檢測數據發送給外部控制中心，其特征在于，還包括用于實時檢測污水的PH值的PH探頭和電源切換模塊，所述供電模塊包括充電電池和充電管理模塊以及原電池組，所述控制模塊根據所述PH值是否滿足PH設定值相應地發出第一或第二控制信號，所述電源切換模塊根據所述第一控制信號將無線傳感器的工作電源切換為所述原電池組，所述充電管理模塊根據所述第一控制信號接通所述原電池組至所述充電電池的充電電路，所述電源切換模塊根據所述第二控制信號將無線傳感器的工作電源切換為所述充電電池。
2.如權利要求I所述的用于檢測工業污水水質的無線傳感器，其特征在于，還包括原電池組輸出電壓檢測模塊，實時檢測所述原電池組的輸出電壓，所述控制模塊根據所述原電池組的輸出電壓是否滿足無線傳感器的工作電壓條件再一次輸出所述第二控制信號。
3.如權利要求2所述的用于檢測工業污水水質的無線傳感器，其特征在于，所述無線傳感器的工作電壓條件為電壓值穩定且達到標定值。
4.如權利要求I所述的用于檢測工業污水水質的無線傳感器，其特征在于，所述PH設定值為PH = 3 5。
5.如權利要求I所述的用于檢測工業污水水質的無線傳感器，其特征在于，所述充電管理模塊包括Buck快速轉換器，所述控制模塊通過調整PWM占空比調整所述Buck快速轉換器輸出至所述充電電池的充電電流。
6.如權利要求I所述的用于檢測工業污水水質的無線傳感器，其特征在于，所述充電電池具體為鋰電池。
7.如權利要求I所述的用于檢測工業污水水質的無線傳感器，其特征在于，所述原電池組由多個原電池串聯而成。
全文摘要
本發明公開了一種用于檢測工業污水水質的無線傳感器，包括供電模塊、水質檢測模塊、無線傳輸模塊、控制模塊以及用于實時檢測污水的PH值的PH探頭和電源切換模塊，無線傳輸模塊實時將水質檢測模塊獲得到的水質檢測數據發送給外部控制中心，供電模塊包括充電電池、充電管理模塊和原電池組，控制模塊根據所述PH值是否滿足PH設定值相應地發出第一或第二控制信號，電源切換模塊根據述第一控制信號將傳感器的工作電源切換為原電池組，根據第二控制信號將傳感器的工作電源切換為充電電池，充電管理模塊根據第一控制信號接通充電電池的充電電路。本發明，采用原電池和充電電池組合作為傳感器的工作電源，并可自動切換，達到了節能環保的目的。
文檔編號H02J7/36GK102944659SQ20121052383
公開日2013年2月27日 申請日期2012年12月7日 優先權日2012年12月7日
發明者許守明, 陳幫, 許 鵬, 楊鑄, 羅振 申請人:武漢郵電科學研究院