GR1010347B - Arrangement for the measurement and the wireless transmission of the seawater and freshwater quality parameters - Google Patents

Abstract

This arrangement aims to measure seawater quality parameters, their wireless transmission as well as their posting on the internet. The quantities measured are temperature, pH and turbidity, while there is also the possibility of using additional sensors. The construction’s function is based on the arduino microcontroller and consists of two main parts. The first part includes a circuit of sensors which is watertightly closed in a container that can remain for a long time under the surface of the sea. In addition, a GPS module has been placed in the construction to determine the position of the container on a map. The indications of the above sensors are transmitted wirelessly to the second circuit that is outside the water and through which the information is collected, recorded in graphs and posted on a website. The value of this construction lies in the fact that the monitoring of the parameters that are measured and especially their changes contribute to the evaluation of the water quality but also makes possible the early identification of risks from phenomena such as eutrophication, acidification, possible contamination, etc. Finally, it should be noted that the device constructed can also be used for research in freshwater ecosystems.

Description

Περιγραφή Description

Διάταξη μέτρησης και ασύρματης μετάδοσης παραμέτρων ποιότητας θαλασσινού ή γλυκού νερού Device for measurement and wireless transmission of sea or fresh water quality parameters

Η εφεύρεση αναφέρεται σε συσκευή μέτρησης παραμέτρων ποιότητας θαλασσινού ή γλυκού νερού-συγκεκριμένα θερμοκρασίας, θολερότητας και pH, κάτω από τη στάθμη της επιφάνειας του νερού και την ασύρματη μετάδοση των μετρούμενων τιμών σε συσκευή βάσης στην ξηρά η οποία με τη σειρά της αναρτά τα δεδομένα σε πραγματικό χρόνο στο διαδίκτυο. The invention relates to a device for measuring sea or fresh water quality parameters - specifically temperature, turbidity and pH - below the surface of the water and wirelessly transmitting the measured values to a land-based device which in turn uploads the data to real time online.

Οι μετρήσεις των παραμέτρων ποιότητας του θαλασσινού ή γλυκού νερού γίνονται κατά βάση με δειγματοληψία και μεταφορά του δείγματος σε εργαστήριο και δεν γίνονται σε συνεχόμενα χρονικά διαστήματα όπως επίσης ούτε σε πραγματικό χρόνο δηλαδή άμεσα. Αποτέλεσμα είναι το πλήθος των μετρήσεων να είναι μικρό και τα αποτελέσματα να προκύπτουν μετά από αρκετό χρόνο μιας και το δείγμα τις περισσότερες φορές θα πρέπει να μεταφερθεί σε ένα απομακρυσμένο εργαστήριο. Επιπλέον μεγέθη όπως η θερμοκρασία και η θολερότητα δεν έχουν ακριβείς τιμές λόγω του χρόνου που απαιτείται για τη μεταφορά του δείγματος. Ταυτόχρονα το δείγμα συλλέγεται συνήθως από τα επιφανειακά νερά και δεν είναι εύκολη η επιλογή για μεγαλύτερα βάθη. The measurements of the quality parameters of the seawater or fresh water are basically done by sampling and transporting the sample to a laboratory and are not done in continuous time intervals, nor in real time, i.e. immediately. As a result, the number of measurements is small and the results are obtained after a long time since the sample will most often have to be transported to a remote laboratory. Additional quantities such as temperature and turbidity do not have exact values due to the time required to transport the sample. At the same time the sample is usually collected from the surface waters and it is not easy to choose for greater depths.

Πλεονεκτήματα της συσκευής αυτής είναι Advantages of this device are

A) Η Συνεχής μέτρηση των μεγεθών θερμοκρασία, θολερότητα και pH κάτω από την επιφάνεια του νερού με αυτονομία ενέργειας μέσω φωτοβολταϊκού πάνελ. A) Continuous measurement of temperature, turbidity and pH under the water surface with energy autonomy through a photovoltaic panel.

Β) Η ρύθμιση του επιθυμητού βάθους τοποθέτησης του δοχείου αισθητήρων καθώς και προσαρμογή του σχοινιού πρόσδεσης στη σημαδούρα ανάλογα με το βάθος του νερού Γ) Ο προσδιορισμός των γεωγραφικών συντεταγμένων της διάταξης B) The adjustment of the desired placement depth of the sensor container as well as the adjustment of the mooring rope to the buoy according to the depth of the water C) The determination of the geographical coordinates of the device

Δ) Η ασύρματη μετάδοση των δεδομένων σε βάση λήψης D) The wireless transmission of data on a download basis

Ε) Η δημιουργία διαγραμμάτων των μετρούμενων τιμών για οποιαδήποτε επεξεργασία και στατιστική μελέτη. E) The creation of diagrams of the measured values for any processing and statistical study.

ΣΤ) Η ανάρτηση των δεδομένων σε ιστοσελίδα με πρόσβαση σε αυτή όλων των ενδιαφερομένων. F) The posting of the data on a website accessible to all interested parties.

Ζ) Η δυνατότητα προσαρμογής επιπλέον αισθητήρων στη συσκευή G) The ability to adapt additional sensors to the device

Η) Η δυνατότητα δημιουργίας δικτύου συσκευών για την παρακολούθηση ευρύτερου υδάτινου χώρου. H) The possibility of creating a network of devices to monitor a wider water area.

Η παρούσα εφεύρεση έχει το χαρακτηριστικό ότι οι αισθητήρες βυθίζονται στο νερό και λαμβάνουν περισσότερες από μια συνεχόμενες μετρήσεις, παραμένοντας μέσα σε αυτό. Επιπλέον το δοχείο που φέρει τους αισθητήρες μπορεί να βρίσκεται σε καθορισμένο βάθος από την επιφάνεια της θάλασσας το οποίο επιλέγει ο χρήστης πριν την πόντιση. Επιπλέον υπάρχει η δυνατότητα πόντισης του μέρους της διάταξης που φέρει τους αισθητήρες σε οποιοδήποτε βάθος και αυτό επιτυγχάνεται με τη βοήθεια της τροχαλίας καιτην περίσσεια του σχοινιού που δένεται στην σημαδούρα. The present invention has the feature that the sensors are immersed in the water and take more than one consecutive reading while remaining in it. In addition, the container carrying the sensors can be located at a specified depth from the sea surface, which the user chooses before filling. In addition, there is the possibility to point the part of the device that carries the sensors at any depth and this is achieved with the help of the pulley and the excess of the rope that is tied to the buoy.

Η εικόνα 1 δείχνει τη γραφική απεικόνιση του πρώτου από τα δύο μέρη της διάταξης. Figure 1 shows the graphic representation of the first of the two parts of the arrangement.

Η εικόνα 2 δείχνει το μέρος της κατασκευής που θα βρίσκεται έξω από το νερό και αποτελεί τη βάση λήψης των δεδομένων. Με τον υπολογιστή και με τα ηλεκτρονικά μέρη που συνοδεύουν το κύκλωμα βάσης (μικροεπεξεργαστής), γίνεται ο προγραμματισμός τους σε γλώσσα μηχανής και από την επεξεργασία των αποτελεσμάτων προκύπτουν οι γραφικές παραστάσεις των μετρούμενων μεγεθών συναρτήσει του χρόνου καιτα μετρούμενα μεγέθη αναρτώνται σε ιστοσελίδα στο διαδίκτυο.2 Figure 2 shows the part of the structure that will be out of the water and forms the basis of data acquisition. With the computer and with the electronic parts that accompany the base circuit (microprocessor), their programming is done in machine language and from the processing of the results, the graphical representations of the measured quantities as a function of time are obtained and the measured quantities are posted on a website on the internet.2

Η διάταξη αποτελείται από δύο βασικά δομικά μέρη. Το πρώτο περιλαμβάνει ένα διαμορφωμένο δοχείο (4) , μια σημαδούρα (6), μια τροχαλία και ένα σώμα (1) το οποίο αποτελείτο βαρίδιο στο βυθό. Μέσα στο δοχείο (4) βρίσκεται το πρώτο κύκλωμα το οποίο έχει ως βάση ένα μικροελεγκτή συνδεδεμένο με τρεις αισθητήρες (pH, θολερότητας και θερμοκρασίας οι οποίοι προβάλουν μέσα από το δοχείο προς τη θάλασσα (5) μετά από τροποποίηση αυτού. Επιπλέον στον μικροελεγκτή συνδέεται και αισθητήρας GPS ο οποίος είναι προσαρμοσμένος στη σημαδούρα (9), με διαφανές περίβλημα για τη στεγανοποίηση του. Οι οπές από τις οποίες προβάλλουν οι αισθητήρες έχουν στεγανοποιηθεί με σφραγιστικό θαλ άσσιων κατασκευών και επικαλύφθηκαν με μεμβρανοποιητή (υγρό PVC). Ο μικροελεγκτής λαμβάνει τις τιμές της θερμοκρασίας, της θολερότητας, του pH και των γεωγραφικών συντεταγμένων και τις μεταδίδει ασύρματα με τη χρήση κατάλληλης ηλεκτρονικής πλακέτας η οποία είναι συνδεδεμένη με μια high gain antenna που έχει προσδεθεί στη σημαδούρα (8). Η τροφοδοσία του ηλεκτρονικού κυκλώματος μέσα στο δοχείο γίνεται από μπαταρία επαναφορτιζόμενη , η φόρτιση της οποίας επιτυγχάνεται από φωτοβολταϊκό που είναι τοποθετημένο στη σημαδούρα (7). Το δοχείο με τους αισθητήρες μπορεί να δένεται με απλό τρόπο με τη χρήση κρίκων ασφαλείας (carabiner), στην επιθυμητή απόσταση από τη σημαδούρα. Ταυτόχρονα υπάρχει στην κατασκευή τροχαλία (3) με τη βοήθεια της οποίας ρυθμίζεται κάθε φορά το απαραίτητο μήκος του σχοινιού για την τοποθέτηση της διάταξης ανάλογα με το βάθος στη θέση πόντισης. Η διαδικασία που ακολουθείται είναι η εξής: αρχικά το σχοινί δένεται στη βάση της σημαδούρας και κατόπιν ορίζεται το επιθυμητό βάθος τοποθέτησης του δοχείου των αισθητήρων μέσω των κρίκων του πάνω στο σχοινί, μετρώντας σε αυτό από το σημείο που δέθηκε στη βάση της σημαδούρας. Έπειτα το σχοινί περνά από την τροχαλία και πριν δεθεί η άλλη άκρη του στη σημαδούρα, το σύστημα (βάρος, τροχαλία, δοχείο αισθητήρων) ποντίζεται στο νερό, κρατώντας την ελεύθερη άκρη του σχοινιού έως ότου φτάσει το βάρος στον πυθμένα. Μόλις συμβεί αυτό και πριν δέσουμε το σχοινί στη σημαδούρα αφήνουμε περίσσεια σχοινιού τόση όσο ορίζεται από το διπλάσιο του "σημαντικού ύψους κύματος" του τόπου στον οποίο γίνεται η πόντιση. Τα δεδομένα για το "σημαντικό ύψος κύματος " τα λαμβάνουμε από πίνακες χαρτογράφησης των θαλασσίων κυμάτων που προκύπτουν από μετεωρολογικές υπηρεσίες. Κατά τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η διατήρηση του δοχείου των αισθητήρων σε σταθερό βάθος μιας και το τμήμα του σχοινιού από το δοχείου μέχρι τη σημαδούρα διατηρεί κατακόρυφη ή την βέλτιστη κατακόρυφη θέση (στην περίπτωση κυματισμού), εικόνες 3,4. Επιπλέον είναι κρίσιμης σημασίας να αναφερθεί το γεγονός, ότι το βάρος συνολικά του δοχείου των αισθητήρων είναι ρυθμισμένο να είναι ελαφρώς μεγαλύτερο από την άνωση που ασκείται στο δοχείο έτσι ώστε η συνισταμένη των δύο αυτών δυνάμεων να ποντίζει το δοχείο έως ότου τεντωθεί το σχοινί, σε κατακόρυφη θέση. Κατά τη μελέτη της κατασκευής επιδιώκεται το βάρος του δοχείου να είναι λίγο μεγαλύτερο από την άνωση έτσι ώστε να προκαλείται η βύθισή του αλλά και ταυτόχρονα να μην μεταφέρονται μεγάλες δυνάμεις μέσω του σχοινιού στη σημαδούρα και προκαλούν την επιπλέον βύθισή της. Ένα παράδειγμα μελέτης που έγινε και εφαρμόστηκε φαίνεται στην εικόνα 5. Η τροχαλία (3) έχει τη δυνατότητα να περιστρέφεται ολόκληρη γύρω από άξονα ταυτιζόμενο με διάκεντροτου τροχού της τροχαλίας, έτσι ώστε να μην περιπλέκεται το σχοινί που συνδέει τα μέρη της διάταξης που βρίσκονται στο νερό. The device consists of two main structural parts. The first includes a shaped container (4), a buoy (6), a pulley and a body (1) which was a weight on the bottom. Inside the container (4) is the first circuit which is based on a microcontroller connected to three sensors (pH, turbidity and temperature) which project through the container towards the sea (5) after modifying it. In addition to the microcontroller is also connected GPS sensor which is attached to the buoy (9), with a transparent housing to seal it. The holes from which the sensors project are sealed with marine construction sealant and coated with film coater (liquid PVC). The microcontroller receives the values of temperature, turbidity, pH and geographic coordinates and transmits them wirelessly using a suitable electronic board which is connected to a high gain antenna attached to the buoy (8).The electronic circuit inside the vessel is powered by a battery rechargeable, the charging of which is achieved by a photovoltaic placed on the sign water (7). The container with the sensors can be tied in a simple way using carabiners, at the desired distance from the buoy. At the same time, there is a pulley (3) in the construction, with the help of which the necessary length of the rope is adjusted each time for placing the device according to the depth in the stitching position. The procedure followed is as follows: first the rope is tied to the base of the buoy and then the desired depth of placement of the sensor container is defined through its rings on the rope, measuring from the point where it was tied to the base of the buoy. The rope is then passed through the pulley and before its other end is tied to the buoy, the system (weight, pulley, sensor container) is lowered into the water, holding the free end of the rope until the weight reaches the bottom. Once this happens and before tying the rope to the buoy leave an excess of rope as defined by twice the "significant wave height" of the spot where the mooring is being made. We obtain the "significant wave height" data from sea wave mapping tables produced by meteorological services. In this way it is achieved to keep the sensor container at a constant depth since the section of rope from the container to the buoy maintains a vertical or optimal vertical position (in the case of waves), images 3,4. Furthermore, it is critical to mention the fact that the overall weight of the sensor container is set to be slightly greater than the buoyancy exerted on the container so that the composite of these two forces will push the container until the rope is stretched, in a vertical position. During the construction study, the weight of the container is intended to be slightly greater than the buoyancy so as to cause it to sink but at the same time not to transfer large forces through the rope to the buoy and cause it to sink further. An example of a study carried out and implemented is shown in figure 5. The pulley (3) has the ability to rotate entirely around an axis identified with the diameter of the pulley wheel, so as not to tangle the rope connecting the parts of the device that are in the water .

Μετά την λήψη των μετρούμενων τιμών από τους αισθητήρες αυτές εκπέμπονται από την κεραία της σημαδούρας (8) καί λαμβάνονται από το δεύτερο μέρος της, από τη κεραία (10) του δεύτερου μέρους της κατασκευής, η οποία συνδέεται με ηλεκτρονικό κύκλωμα που περιλαμβάνει μικροελεγκτή (11)και το οποίο με τη σειρά του συνδέεται σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Με τον υπολογιστή γίνεται ο προγραμματισμός λειτουργίας όλων των ηλεκτρονικών μερών της διάταξης, σε γλώσσα μηχανής και σε αυτόν γίνεται επεξεργασία των δεδομένων και δημιουργία γραφικών παραστάσεων, των μετρούμενων από τους αισθητήρες τιμών, σε συνάρτηση με το χρόνο ενώ προσδιορίζεται σε ένα χάρτη και η θέση του πρώτου μέρους της διάταξης (σχήμα 1) που βρίσκεται στη θάλασσα. Τέλος οι μετρούμενες τιμές στέλνονται σε μια βάση δεδομένων η οποία με τη βοήθεια του μικροεπεξεργαστή τις αναρτά στο διαδίκτυο ως μεμονωμένες ή με τη μορφή διαγραμμάτων συναρτήσει του χρόνου After receiving the measured values from the sensors, they are transmitted by the antenna of the buoy (8) and received by the second part of it, by the antenna (10) of the second part of the structure, which is connected to an electronic circuit that includes a microcontroller (11 ) and which in turn is connected to a computer. The computer is used to program the operation of all the electronic parts of the device, in machine language, and it processes the data and creates graphical representations of the values measured by the sensors, as a function of time, while its position is also determined on a map of the first part of the arrangement (figure 1) located in the sea. Finally, the measured values are sent to a database which, with the help of the microprocessor, posts them on the internet as individuals or in the form of diagrams over time

Στο σχήμα 1 υπάρχουν στο δοχείο τρεις αισθητήρες (5) αλλά αυτό δεν αποκλείει τη δυνατότητα επιπλέον αισθητήρων . Ακόμη δίνεται η δυνατότητα χρήσης πολλών διατάξεων όπως αυτής του σχήματος 1 οι οποίες μπορούν να συνδέονται στο ίδιο κύκλωμα βάσης. In figure 1 there are three sensors (5) in the container but this does not exclude the possibility of additional sensors. It is also possible to use several devices such as that of figure 1 which can be connected to the same base circuit.

Claims (6)

ΑΞΙΩΣΕΙΣ 1. Η διάταξη μέτρησης καί ασύρματης μετάδοσης παραμέτρων ποιότητας θαλασσινού ή γλυκού νερού αποτελείται στο ένα μέρος της από βαρίδιο (1), σχοινί (2) , τροχαλία (3) καί δοχείο (4) εντός του οποίου περιέχοντας ηλεκτρονικό κύκλωμα καί επαναφορτιζόμενη μπαταρία ενώ έξω από αυτό προβάλλουν αισθητήρες θερμοκρασίας , θολερότητας , pH (5) καί τα οποία βυθίζονται στο νερό όπου καί λαμβάνοναι περισσότερες από μία τιμές των μεγεθών θερμοκρασίας, θολερότητας καί pH χωρίς να βγαίνουν τα παραπάνω μέρη από το νερό. Επιπλέον υπάρχει σημαδούρα (6) για να διατηρεί τη διάταξη που αναφέρθηκε σε όρθια θέση. Στη σημαδούρα είναι προσαρμοσμένο ηλιακό πάνελ (7) για την εξασφάλιση της τροφοδοσίας της επαναφορτιζόμενης μπαταρίας, κεραία (8) καί αισθητήρας GPS (9). Το δεύτερο μέρος της διάταξης1. The device for measuring and wireless transmission of sea or fresh water quality parameters consists in one part of a weight (1), a rope (2), a pulley (3) and a container (4) inside which contains an electronic circuit and a rechargeable battery while outside from this they project sensors for temperature, turbidity, pH (5) and which are immersed in the water where more than one value of the quantities temperature, turbidity and pH is obtained without leaving the above parts from the water. In addition there is a buoy (6) to keep the aforementioned device in an upright position. A solar panel (7) is attached to the buoy to ensure the supply of the rechargeable battery, an antenna (8) and a GPS sensor (9). The second part of the provision αποτελείται από κεραία (10), ηλεκτρονικό κύκλωμα (11) καί υπολογιστή (12), το οποίο λαμβάνει ασύρματα τα μεγέθη που μετρώνται από τους αισθητήρες, καί αναρτά τα δεδομένα σε ζωντανό χρόνο στο διαδίκτυο.it consists of an antenna (10), an electronic circuit (11) and a computer (12), which wirelessly receives the values measured by the sensors, and posts the data in real time on the internet. 2. Η διάταξη μέτρησης καί ασύρματης μετάδοσης παραμέτρων ποιότητας θαλασσινού ή γλυκού νερού σύμφωνα με την αξίωση 1 χαρακτηρίζεται, έχοντας την τροχαλία (3) , από τη δυνατότητα να ποντίζεται σε οποιοδήποτε επιθυμητό βάθος καί να ρυθμίζεται το μήκος του σχοινιού (2) που δένεται στη σημαδούρα έτσι ώστε η διάταξη να διατηρεί θέση το δυνατόν κατακόρυφη.2. The device for measuring and wireless transmission of seawater or fresh water quality parameters according to claim 1 is characterized, having the pulley (3), by the possibility of sinking to any desired depth and adjusting the length of the rope (2) tied to the buoy so that the device maintains a position as vertical as possible. 3. Η διάταξη μέτρησης και ασύρματης μετάδοσης παραμέτρων ποιότητας θαλασσινού ή γλυκού νερού σύμφωνα με την αξίωση 1 χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι η τροχαλία (2) που χρησιμοποιείται έχει τη δυνατότητα να περιστρέφεται ολόκληρη γύρω από άξονα ταυτιζόμενο με διάκεντρο του τροχού της τροχαλίας, έτσι ώστε να μην περιπλέκεται το σχοινί που συνδέει τα μέρη της διάταξης που βρίσκονται στο νερό.3. The device for measuring and wirelessly transmitting sea or fresh water quality parameters according to claim 1 is characterized by the fact that the pulley (2) used is capable of rotating entirely around an axis identified with the center of the pulley wheel, so that not to entangle the rope connecting the parts of the device that are in the water. 4. Η διάταξη μέτρησης και ασύρματης μετάδοσης παραμέτρων ποιότητας θαλασσινού ή γλυκού νερού σύμφωνα με την αξίωση 1 χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι το σχοινί (2) που φέρει δένεται στη σημαδούρα κατόπιν στο δοχείο , έπειτα περνά από την τροχαλία και επαναδένεται στη σημαδούρα αφήνοντας περίσσεια αυτού έτσι ώστε να μην σκεπάζεται η σημαδούρα από το νερό στην περίπτωση κυματισμού.4. The device for measuring and wirelessly transmitting sea or fresh water quality parameters according to claim 1 is characterized by the fact that the carrying rope (2) is tied to the buoy then to the container, then passes through the pulley and is retied to the buoy leaving an excess of it so that the buoy is not covered by the water in case of waves. 5. Η διάταξη μέτρησης και ασύρματης μετάδοσης παραμέτρων ποιότητας θαλασσινού ή γλυκού νερού σύμφωνα με την αξίωση 1 χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι το βάρος συνολικά του δοχείου (4) που φέρει η διάταξη, είναι μεγαλύτερο της άνωσης που ασκείται σε αυτό από το νερό, έτσι ώστε το βάθος στο οποίο λαμβάνονται οι τιμές από τους αισθητήρες του δοχείου, να παραμένει σταθερό όπως θα προεπιλέγεται κάθε φορά και το δοχείο να είναι ακριβώς επάνω ή το εγγύτερο δυνατόν στην κατακόρυφο γραμμή που περνά από το σημείο πρόσδεσης του σχοινιού στη σημαδούρα.5. The device for measuring and wireless transmission of sea or fresh water quality parameters according to claim 1 is characterized by the fact that the overall weight of the container (4) carried by the device is greater than the buoyancy exerted on it by the water, so so that the depth at which the values are taken from the vessel's sensors remains constant as it will be preselected each time and the vessel is exactly on or as close as possible to the vertical line passing from the anchor point of the rope to the buoy. 6. Η διάταξη μέτρησης καί ασύρματης μετ θαλασσινού ή γλυκού νερού σύμφωνα με γεγονός ότι το ηλεκτρονικό κύκλωμα (11) σ αποτελείται καί από μικροεπεξεργαστή ο ο υπολογιστή , αποδίδει τις τιμές των αισθητ των μετρούμενων παραμέτρων συναρτήσε τους αισθητήρες κατόπιν ηλεκτρονικού πρ στο διαδίκτυο σε ιστοσελίδα.6. The device for measuring and wireless with sea or fresh water according to the fact that the electronic circuit (11) s also consists of a microprocessor or the computer, renders the values of the measured parameters depending on the sensors after electronic pr on the internet on a website. άδοσης παραμέτρων ποιότηταςperformance of quality parameters την αξίωση 1 χαρακτηρίζεται από τοclaim 1 is characterized by το δεύτερο μέρος της διάταξηςthe second part of the provision ποίος προγραμματιζόμενος από τονwho programmed by τήρων (5 καί 9), όπως καί γραφήματαnumbers (5 and 9), as well as graphs ι του χρόνου. Οι μετρούμενες τιμές από ογραμματισμού μπορούν και αναρτώνταιi of the year. Measured values from ograms can and are posted