[发明专利]基于微生物燃料电池的水质监测装置

权利要求书

1.一种基于微生物燃料电池的水质监测装置，其特征在于，包括：

主机体(4)；主机体(4)中设有蓄电池模块，所述蓄电池模块为所述基于微生物燃料电池的水质监测装置提供电源；所述主机体可在水环境中进行移动，以检测水环境中不同区域的水质；

所述主机体上方固定有旋翼支架(14)，所述旋翼支架(14)上对称连接有多个螺旋桨机构；具体地，所述旋翼支架(14)连接有连接杆(15)，所述连接杆(15)的端部连接有驱动电机(2)，所述驱动电机(2)的驱动轴连接有螺旋桨(1)；

所述主机体内部还设有微处理器和BDS定位模块；所述BDS定位模块将位置信息传送给微处理器，微处理器根据接收到的位置信息进行主机体的路径规划，控制主机体的移动；

在所述主机体(4)上设置有集成传感器模块(3)和微生物燃料电池模块；

所述集成传感器模块(3)，用于采集水环境中的pH值和温度；

所述微生物燃料电池模块，用于通过边界层滑模控制对所述蓄电池模块进行持续稳定的充电，并采集水环境产生的电流随时间变化的数据；其中，所述电流随时间变化的数据用以判断水体重金属污染状况，当水质正常时，电流基本维持在0.014～0.015mA之间，电流越大表明水质污染越严重，当电流大于0.015mA但不超过0.04mA时为轻度污染，大于0.04mA时定为重度污染；

所述边界层滑模控制通过控制稀释率保持输出电压的稳定，微处理器通过控制进液蠕动泵(9)的开合度控制外界水环境进入微生物燃料电池产电单元(8)的流量，从而控制稀释率；进液蠕动泵连接于微生物燃料电池产电模块与外界水域之间，进液蠕动泵的开合度与控制器u存在线性关系；所述微生物燃料电池产生的稳定电压较小，经过升压模块升压后对锂电池持续充电；

其中，所述边界层滑模控制包括：

通过微生物与电化学动力学，建立微生物燃料电池的数学模型；

确定滑模控制中的滑模函数，定义一个Lyapunov函数作为收敛函数来保证滑模函数的收敛，构建滑模趋近率，使收敛函数始终不大于0，求解滑模趋近率得到滑模控制器；

在滑模控制器的基础上，在控制率上进行边界层设计，采用饱和函数替代控制率中的符号函数，最终得到边界层滑模控制器；

边界层滑模控制器难以直接获取的状态变量底物浓度x₁、微生物浓度x₂和HCO₃^-离子的浓度x₃，利用估计方法，通过测量PH以及电压值估计x₁、x₂和x³的值，进而通过滑模控制器保证微生物电池产电模块输出电压的稳定。

2.根据权利要求1所述的基于微生物燃料电池的水质监测装置，其特征在于，所述主机体下方连接有所述微生物燃料电池模块，所述旋翼支架(14)的顶部安装有所述集成传感器模块(3)。

3.根据权利要求2所述的基于微生物燃料电池的水质监测装置，其特征在于，所述微生物燃料电池模块包括微生物燃料电池产电单元(8)和微生物燃料电池传感器(11)，所述微生物燃料电池产电单元(8)用于对所述蓄电池模块进行持续稳定的充电；所述微生物燃料电池传感器(11)用于采集利用水环境产生的电流随时间变化的数据。

4.根据权利要求3所述的基于微生物燃料电池的水质监测装置，其特征在于，所述微生物燃料电池产电单元(8)的一侧设有进液蠕动泵(9)；所述微生物燃料电池模块的两侧分别固定有出液蠕动泵(6)和储罐(5)，所述出液蠕动泵(6)固定在储罐(5)的出口；其中，每个储罐(5)存储有用于调整水环境的pH值的溶液。

5.根据权利要求3所述的基于微生物燃料电池的水质监测装置，其特征在于，所述微生物燃料电池产电单元(8)包括有产电阳极(10)和产电阴极(7)，所述微生物燃料电池传感器(11)包括传感器阳极(12)和传感器阴极(13)。