CN112946216A - 一种智能水质监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能水质监测系统，包括：采集模块，用于探测及采集水样；定位模块，用于定位采集模块所要检测的水质位置；检测容器，用于容纳待测水样；水质检测模块，用于测量水质的酸碱度、含氧量、温度中的一项或多项；水样判断器，用于判断检测的水质所属的样本模型，并获取光源及待测水质对应的光谱；云服务器存储有预设水质样本模型数据库，预设水质样本模型是COD样本模型；控制模块还用于将光谱预处理，得到已测水质样本模型，通过无线通信模块传输到云服务器；本发明可以实现多种水质参数的同步在线检测，及时获取、更新水质检测结果与水质样本模型，能确保水质监测的时效性与精确性。

Description

一种智能水质监测系统

技术领域

本发明涉及水质监测技术领域，更具体的说是涉及一种智能水质监测系统。

背景技术

目前，各个河涌偷排漏排情况严重，水污染日益严重，水质监测工作重要性尤为突出。水质监测大都以人工作业的方式进行，效率低下，时效性差，准确率难以得到保障，对河涌存在偷排漏排情况难以随时监督取样，是阻碍河涌污染溯源工作进行的主要因素。

现有的检测仪器或者设备只能对单一参数进行测量，无法实现在线检测。其不利于数据的整合，而且需要多种设备结合才能完成综合评价，成本较高。另外，现有的仪器设备无法自动清洗，水样容器随着使用时间的增加，容器壁上不可避免的存在残留物，若不能及时清洗将直接影响检测结果，并且，水质监测数据只能现场查看对于远程需查看数据的用户而言是较为不便的。

因此，提供一种智能水质监测系统，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种智能水质监测系统，灵活程度高能实时进行监测，有效提高工作效率，确保水质监测的时效性与精确性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种智能水质监测系统，包括：

采集模块，所述采集模块设有采集探头，用于探测及采集水样；

定位模块，用于定位所述采集模块所要检测的水质位置；

检测容器，用于容纳待测水样；

水质检测模块，所述水质检测模块通过浮球安装于所述检测容器内中的水体中，用于测量水质的酸碱度、含氧量、温度中的一项或多项；

水样判断器，用于判断检测的水质所属的样本模型，所述水样判断器包括光谱水质检测单元，所述光谱水质检测单元设置在所述检测容器内的两侧，用于获取光源及待测水质对应的光谱；

云服务器，所述云服务器存储有预设水质样本模型数据库，所述预设水质样本模型是COD样本模型；

控制模块，所述采集模块、定位模块、水质检测模块及水样判断器均与所述控制模块连接，所述控制模块还用于将光谱预处理，得到已测水质样本模型，通过无线通信模块传输到所述云服务器。

进一步的，所述云服务器中设有报警模块，所述云服务器存储有水质参数指标对应的数据库，不同的水质参数指标对应不同的预设值用于对收集的水质数据进行分析，当水质数据异常时，向远程查看终端发出报警信息，并将水质监测结果和其对应的水源位置发送给所述远程查看终端。

进一步的，所述云服务器通过无线通信模块连接于所述远程查看终端，所述远程查看终端包括PC控制端和移动控制端。

进一步的，所述水质检测模块包括：PH值传感器、溶解氧传感器和温度传感器。

进一步的，所述检测容器内设有用于清洁检测容器的超声清洗模块，所述超声清洗模块与所述控制模块连接。

进一步的，所述光谱水质检测单元包括光源、光接收板以及光电检测模块；所述光源与光接收板相对设置在所述检测容器的侧壁处，所述光接收板用于接收由光源发出的光；所述光源接收板与所述光电检测模块电连接；

所述光电检测模块包括：电流电压转换电路、放大电路以及滤波电路；

所述电流电压转换电路用于将所述光接收板产生的电流信号转换为对应的电压信号；

所述放大电路用于将所述电压信号放大预定的倍数后输出；所述滤波电路用于滤除放大电路输出的电压放大信号的干扰信号后，输出稳定的电压信号。

进一步的，所述光源包括发出红外光、紫外光以及可见光的单色LED灯；

所述光接收板包括用于接收红外光和可见光的Si质光电晶体以及GaN基紫外探测器。

进一步的，还包括无人机本体，所述无人机本体上设有所述采集模块及图像模块，所述无人机本体与所述控制模块电连接，所述控制模块用于根据预设移动路线和预设移动时间控制所述无人机本体移动。

进一步的，所述图像模块包括依次电连接的摄像头、图像采集卡和图像存储器，所述摄像头用于实时采集环境的图像信息，所述图像采集卡用于接收摄像头发送的图像信息并进行压缩处理，所述图像存储器用于接收并存储图像采集卡发送的图像信息。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种智能水质监测系统，通过水质检测模块与定位模块获取当前测量的水质的数据指标和地理位置，将水质的各种参数传输到云服务器，并依托云服务器的数据传输、存储、分析技术，构建多平台(PC、平板、智能手机)的水质实时监测系统。通过将检测获得的水质参数与云服务器存储的数据库进行相关信息的匹配，得到当前地理位置水质的具体参数，获得水质参数，使得水质数据库可以及时获取、更新水质检测结果，方便水质检测员做出相应的措施。

系统管理者可随时随地、全面、准确、实时地获取水质净化设备状态的信息，并可实现自动报警和提示，及时定位水质位置，为后期水质净化管理提供信息参考，提高效率和自动化水平。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的结构示意图。

图2为本发明提供的水质检测过程的结构示意图。

其中：

1-采集模块；2-定位模块；3-水质检测模块；4-水样判断器；5-云服务器；6-控制模块；7-PC控制端；8-移动控制端；9-超声清洗模块；10-图像模块；

41-光谱水质检测单元；411-光源；412-光接收板；413-光电检测模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种智能水质监测系统，图1-2所示，包括：

采集模块1，采集模块1设有采集探头，用于探测及采集水样；

定位模块2，用于定位采集模块1所要检测的水质位置；

检测容器，用于容纳待测水样；

水质检测模块3，水质检测模块3包括：PH值传感器、溶解氧传感器和温度传感器，各传感器通过浮球安装于检测容器内中的水体中，用于测量水质的酸碱度、含氧量、温度中的一项或多项；pH值传感器是基于玻璃电极法的pH检测装置，检测电极检测液体的pH；温度传感器可以是基于红外线的温度检测装置，红外线探头检测液体的温度；

水样判断器4，用于判断检测的水质所属的样本模型，水样判断器4包括光谱水质检测单元41，光谱水质检测单元41设置在检测容器内的两侧，用于获取光源及待测水质对应的光谱；

云服务器5，云服务器5存储有预设水质样本模型数据库，预设水质样本模型是COD样本模型；

控制模块6，采集模块1、定位模块2、水质检测模块3及水样判断器4均与控制模块6连接，控制模块还用于将光谱预处理得到已测水质样本模型，通过无线通信模块传输到云服务器5。

需要说明的是，无线通信模块包括但不限于5G通信模块、4G通信模块、物联网通信模块、WIFI通信模块或GSM通信模块任一种或多种。

水样模型包括但不限于：河流水样模型、河口水样模型、湖泊(水库)水样模型、海湾水样模型、地下水样模型等。

控制模块具体可以是任何合适的，具有一定逻辑运算能力的芯片或者集成电路，可以包括一个或多个处理器以及存储器。

在一些实施例中，由于光谱水质检测单元、PH值传感器、溶解氧传感器和温度传感器通常采集获得的信号为模拟信号，而控制模块通常需要输入的是数字信号，为了保证控制模块对于采集信号的处理，还可以包括A/D采集模；A/D采集模块具有模拟信号输入端口，对这些模拟电压信号进行模数转换以后，可以将相应的数字信号通过控制模块的GPIO接口，输入至控制模块中，由控制模块对其进行后续处理。

在一个实施例中，云服务器5中设有报警模块，云服务器5存储有水质参数指标对应的数据库，不同的水质参数指标对应不同的预设值用于对收集的水质数据进行分析，当水质数据异常时，向远程查看终端发出报警信息，并将水质监测结果和其对应的水源位置发送给远程查看终端。

有利的，云服务器5通过无线通信模块连接于远程查看终端，远程查看终端包括PC控制端7和移动控制端8。

在一个实施例中，检测容器为检测池，一定时间后可能会存在一些残留物质在检测池内，为了确保水质采样结果的准确性，通常应当在检测前，对相应的管道和检测池进行清洁，检测容器内设有用于清洗检测容器的超声清洗模块9，超声清洗模块9与控制模块6连接，该超声清洗模块可以基于超声换能器实现，用以产生一定频率和强度的超声波的清洁装置。

在一个实施例中，光谱水质检测单元是其中最重要的检测单元，可以实现多种不同的水质指标或者参数的检测，例如，色度、浊度、COD、TOC、硝酸盐氮以及UV 254吸收系数等；

其原理为：根据水样吸收光谱分析检测水质的方法，是电磁辐射以不连续的方式与原子和分子相互作用以产生特征吸收或发射分布，由于水中存在许多有机物具有强烈吸收光光辐射的特性，用于测定COD，形成COD模型，判断该检测的水质所属的模型。当已测水质样本模型与云服务器中预设水质样本模型数据库相匹配时，则判断已测水质样本模型为第一预设水样模型；当已测水质样本模型与预设水质样本模型数据库不匹配时，则云服务器存储已测水质样本模型到预设水质样本模型数据库，并判断已测水质样本模型为第二预设水样模型。

具体的，光谱水质检测单元41包括光源411、光接收板412以及光电检测模块413；光源411包括发出红外光、紫外光以及可见光的单色LED灯；

光源411与光接收板412相对设置在检测容器的侧壁处，光接收板412用于接收由光源411发出的光；光源接收板412与光电检测模块413电连接；

光电检测模块413包括：电流电压转换电路、放大电路以及滤波电路；电流电压转换电路用于将光接收板412产生的电流信号转换为对应的电压信号；放大电路用于将电压信号放大预定的倍数后输出；滤波电路用于滤除放大电路输出的电压放大信号的干扰信号后，输出稳定的电压信号；最终输出的稳定的电压信号可以传输到控制模块中，由控制模块进行相应的光谱分析或者由控制模块通过通信模块转发到其他的云端平台中进行光谱分析。

光接收板412包括用于接收红外光和可见光的Si质光电晶体以及GaN基紫外探测器。

在本实施例中使用单色LED作为光源具有体积小、驱动电压低，能耗低，亮度高、寿命长、成本低等特点，且能满足比较复杂的环境下使用。

采用上述三种类型的光进行光谱分析后，检测获得各项指标的原理：

1、色度(水样颜色深浅的亮度)：本实施例中是指检测为水样的真色。即指去除悬浮物后水样呈现的颜色。本发明实施例提供的所述光谱水质检测单元采用检测可见光的吸光度来测量色度。

2、浊度(TURB)：是指溶液对光线通过时所产生的阻碍程度，包括悬浮物对光的散射和溶质分子对光的吸收。本发明实施例提供的所述光谱水质检测单元采用检测溶质分子对光的吸收来进行浊度的测量。

由于水样中的有机物会对浊度的测定产生干扰，但有机物的吸收峰一般在260nm—300nm(不属于红外光的波长范围)。因此，若使用红外光进行浊度检测时，可以最大限度的减少水中溶解的光吸收物质的影响。

3、化学需氧量(COD)：是指水体中易被强氧化剂氧化的还原性物质(主要为有机物)的浓度。由于在水中多种还原性的有机物对紫外光都有特征吸收。因此，基于该选择性吸收原理，在本实施例中，可以使用标准溶液建立特定波长处吸光度值与COD浓度值的关系，从而根据对特定波长的紫外光的吸光度值计算待测水样中COD的浓度。

4、总有机碳(TOC)：指水中溶解性和悬浮性各种有机污染物含碳的总量。总有机碳具有相类似的特性，在本实施例中，可以采用与COD检测相类似的方法，通过检测水样的在一定波长的紫外吸光度间接获取TOC的含量。

5、硝酸盐氮：是指水中亚硝酸氮、氨氮等含氮化合物中在有氧的条件下，经无机化合物作用最终形成的分解物。

在本实施例中，所述光谱水质检测单元利用硝酸根离子在220nm波长处的吸收度的特性进行硝酸盐氮含量的检测。

本发明实施例无需试剂、加热回流等，对于样品无污染并且可以快速同步测量水中吸收光谱、COD、TOC、硝酸盐氮、色度、浊度SS、温度、PH值等多个参数。

在一个实施例中，还包括无人机本体，无人机本体与控制模块6电连接，控制模块6用于根据预设移动路线和预设移动时间控制无人机本体移动。无人机本体上设有采集模块1及图像模块9，图像模块9用于采集水样环境的图像。

具体的，图像模块10包括依次电连接的摄像头、图像采集卡和图像存储器，摄像头用于实时采集环境的图像信息，图像采集卡用于接收摄像头发送的图像信息并进行压缩处理，图像存储器用于接收并存储图像采集卡发送的图像信息。

采用图像模块能够实时采集水体的环境图像，并通过定位模块实时定位所监测的地理位置，当测得的水质环境参数不满足设定阀值时进行报警；利用无人机实现了方便地对任意水内位置处的水质样品进行采集对水内水质样品的采集，不需要人为下水采集，克服地理位置带来的采集难度的问题。

进一步地，无人机本体上还设置有增氧机和喷洒药剂，增氧机用于调节水质、促进水体对流、增加池水溶氧和散发有毒气体；喷洒药剂用于喷洒生石灰、光合细菌制剂或降解型水质改良剂。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种智能水质监测系统，其特征在于，包括：

采集模块(1)，所述采集模块(1)设有采集探头，用于探测及采集水样；

定位模块(2)，用于定位所述采集模块(1)所要检测的水质位置；

检测容器，用于容纳待测水样；

水质检测模块(3)，所述水质检测模块(3)通过浮球安装于所述检测容器内的水体中，用于测量水质的酸碱度、含氧量、温度中的一项或多项；

水样判断器(4)，用于判断检测的水质所属的样本模型，所述水样判断器(4)包括光谱水质检测单元(41)，所述光谱水质检测单元(41)设置在所述检测容器内的两侧，用于获取光源及待测水质对应的光谱；

云服务器(5)，所述云服务器(5)存储有预设水质样本模型数据库，所述预设水质样本模型是COD样本模型；

控制模块(6)，所述采集模块(1)、定位模块(2)、水质检测模块(3)及水样判断器(4)均与所述控制模块(6)连接，所述控制模块还用于将光谱预处理得到已测水质样本模型，通过无线通信模块传输到所述云服务器(5)。

2.根据权利要求1所述的一种智能水质监测系统，其特征在于，所述云服务器(5)中设有报警模块，所述云服务器(5)存储有水质参数指标对应的数据库，不同的水质参数指标对应不同的预设值，用于对收集的水质数据进行分析，当水质数据异常时，向远程查看终端发出报警信息，并将水质监测结果和其对应的水源位置发送给所述远程查看终端。

3.根据权利要求2所述的一种智能水质监测系统，其特征在于，所述云服务器(5)通过所述无线通信模块连接于所述远程查看终端，所述远程查看终端包括PC控制端(7)和移动控制端(8)。

4.根据权利要求1所述的一种智能水质监测系统，其特征在于，所述水质检测模块包括：PH值传感器、溶解氧传感器和温度传感器。

5.根据权利要求1所述的一种智能水质监测系统，其特征在于，所述检测容器内设有用于清洁检测容器的超声清洗模块(9)，所述超声清洗模块(9)与所述控制模块(6)连接。

6.根据权利要求1所述的一种智能水质监测系统，其特征在于，所述光谱水质检测单元(41)包括光源(411)、光接收板(412)以及光电检测模块(413)；

所述光源(411)与光接收板(412)相对设置在所述检测容器的侧壁处，所述光接收板(412)用于接收由光源(411)发出的光；所述光源接收板(412)与所述光电检测模块(413)电连接；

所述光电检测模块(413)包括：电流电压转换电路、放大电路以及滤波电路；所述电流电压转换电路用于将所述光接收板(412)产生的电流信号转换为对应的电压信号；所述放大电路用于将所述电压信号放大预定的倍数后输出；所述滤波电路用于滤除放大电路输出的电压放大信号的干扰信号后，输出稳定的电压信号。

7.根据权利要求6所述的一种智能水质监测系统，其特征在于，所述光源(411)包括发出红外光、紫外光以及可见光的单色LED灯；

所述光接收板(412)包括用于接收红外光和可见光的Si质光电晶体以及GaN基紫外探测器。

8.根据权利要求1所述的一种智能水质监测系统，其特征在于，还包括无人机本体，所述无人机本体上设有所述采集模块(1)及图像模块(10)，所述图像模块(10)用于采集水样环境的图像。

9.根据权利要求8所述的一种智能水质监测系统，其特征在于，所述无人机本体与所述控制模块(6)电连接，所述控制模块(6)用于根据预设移动路线和预设移动时间控制所述无人机本体移动。

10.根据权利要求9所述的一种智能水质监测系统，其特征在于，所述图像模块(10)包括依次电连接的摄像头、图像采集卡和图像存储器，所述摄像头用于实时采集环境的图像信息，所述图像采集卡用于接收摄像头发送的图像信息并进行压缩处理，所述图像存储器用于接收并存储图像采集卡发送的图像信息。

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