基于直接光譜法的全天候長(zhǎng)流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種水質(zhì)監(jiān)測(cè)與預(yù)警管理系統(tǒng)，特別是一種 基于直接光譜法的全天候長(zhǎng)流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 水是人類賴以生存和發(fā)展的重要資源，面對(duì)日益嚴(yán)峻的水污染問(wèn)題，人們對(duì)水環(huán) 境的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)提出了更高的要求。
[0003]目前，檢測(cè)水質(zhì)主要使用傳統(tǒng)的化學(xué)法在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，需要通過(guò)人工的現(xiàn)場(chǎng) 采樣、運(yùn)輸，并利用大型的專用設(shè)備來(lái)完成。對(duì)采樣、制樣的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)要求高、耗時(shí)較長(zhǎng)、成 本高、工作量大，而且不能實(shí)時(shí)的水質(zhì)的情況，還會(huì)造成二次污染。研究一種更快、更準(zhǔn)確 的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)水質(zhì)狀況的儀器是水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。
[0004] 現(xiàn)有的新型設(shè)備在檢測(cè)和監(jiān)測(cè)方面都有一定的應(yīng)用，但也存在諸多問(wèn)題，如無(wú)法 實(shí)現(xiàn)對(duì)大面積流域水質(zhì)的監(jiān)測(cè)，測(cè)量參數(shù)單一，應(yīng)用場(chǎng)景受限等，只能被動(dòng)監(jiān)測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn) 水質(zhì)的預(yù)測(cè)。對(duì)于大面積水域、復(fù)雜地形水域以及人們難以到達(dá)水域的水質(zhì)參數(shù)，不僅無(wú) 法滿足實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的需求，而且無(wú)法對(duì)復(fù)雜水域水環(huán)境進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)和管理。
[0005] 基于紫外一可見(jiàn)光光譜（ultraviolet-visible spectrometry, UV-Vis)分析技術(shù) 可以直接或間接測(cè)定水體中大多數(shù)金屬離子、非金屬離子、有機(jī)物污染物、硝酸鹽以及化學(xué) 需氧量（Chemical Oxygen Demand，C0D)等多種參數(shù)。UV-Vis光譜法監(jiān)測(cè)水體就是利用測(cè) 得水體的紫外-可見(jiàn)吸收光譜來(lái)建立水質(zhì)相關(guān)的參數(shù)模型，建立水體與其紫外-可見(jiàn)光吸 收光譜之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，該法具有無(wú)需化學(xué)試劑、測(cè)量速度快等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，UV-Vis光譜法 水體監(jiān)測(cè)，可以將光譜探頭浸入水中，能夠?qū)λw進(jìn)行在線、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水體 環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控、突發(fā)性污染事故預(yù)警以及流域趨勢(shì)分析等功能。特別是，隨著傳輸速率快、 頻帶寬的4G通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，全天候、整流域水體安全性監(jiān)測(cè)成為可能，此可將水體 是否發(fā)生污染險(xiǎn)情上傳至監(jiān)控中心，從而及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，預(yù)先做好相應(yīng)的預(yù)防措施，以 便將損失降到最低。
[0006] 申請(qǐng)?zhí)枮?01310745779. 5,名稱為"一種水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法"的專利申請(qǐng)文件公 開(kāi)了一種包含測(cè)量裝置、控制器、顯示器、多個(gè)試劑容器、多個(gè)備用試劑容器、蒸餾水容器、 清洗容器以及廢液容器的一種水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠獲得至少兩種波長(zhǎng)的光，監(jiān)測(cè)不同的污 染因子。該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)水質(zhì)過(guò)程繁瑣，需要復(fù)雜的水樣預(yù)處理，運(yùn)用化學(xué)試劑產(chǎn)生二次污染， 且能夠監(jiān)測(cè)的參數(shù)十分有限，無(wú)法同時(shí)獲取流域的水質(zhì)狀況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于直接光譜法的全天候長(zhǎng)流域水質(zhì)監(jiān)測(cè) 與預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)流域內(nèi)水體環(huán)境全天候的在線測(cè)量、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、突發(fā)性預(yù) 警、流域分析以及水環(huán)境監(jiān)控，減少因水體污染造成的損失，保障人們飲水安全。
[0008] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0009] -種基于直接光譜法的全天候長(zhǎng)流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括水質(zhì)監(jiān) 測(cè)裝置、云數(shù)據(jù)處理平臺(tái)和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)；
[0010] 所述水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)量為多個(gè)，根據(jù)需要放置于水體岸邊、水面浮標(biāo)或其他水 面平臺(tái)上，對(duì)長(zhǎng)流域的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，所述水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置利用直接光譜法獲取監(jiān)測(cè)水 體的吸收光譜，并將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)和水質(zhì)信息通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞絺魉椭猎茢?shù)據(jù)處理平 臺(tái)；云數(shù)據(jù)處理平臺(tái)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中；遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)通 過(guò)對(duì)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)全天候長(zhǎng)流域水質(zhì)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù) 警。
[0011] 進(jìn)一步，所述水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置包括傳感器模塊、GPS模塊、微處理器、無(wú)線通信模塊和 電源模塊；
[0012] 所述傳感器模塊包括多種傳感器探頭和A/D轉(zhuǎn)換模塊，通過(guò)多路繼電器進(jìn)行工作 狀態(tài)的切換，實(shí)時(shí)采集監(jiān)控流域的水質(zhì)信息，所述水質(zhì)信息包括溫度、PH值、流速、電導(dǎo)率 等；光譜探頭與光譜儀相連，用于獲取水質(zhì)的紫外-可見(jiàn)吸收光譜，可用于C0D、T0C、TURB和 N03-N的解算；
[0013] 所述微處理器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和控制監(jiān)測(cè)裝置各模塊工作，存儲(chǔ)和上傳采集的水質(zhì)信 息；在微處理器中，利用壓縮算法完成光譜數(shù)據(jù)的壓縮，并將處理后的光譜數(shù)據(jù)及其他傳感 數(shù)據(jù)按照采集時(shí)間與數(shù)據(jù)類型進(jìn)行分類存儲(chǔ)，通過(guò)無(wú)線通信模塊傳輸至云數(shù)據(jù)處理平臺(tái)；
[0014] 所述無(wú)線通信模塊主要包括無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊和廣域網(wǎng)模塊，負(fù)責(zé)水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置 與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)間的通信；無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)組建并加入無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，組建的 網(wǎng)絡(luò)可自愈和，抗干擾性強(qiáng)；廣域網(wǎng)模塊主要負(fù)責(zé)將設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)Internet中，可以隨 時(shí)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)至云數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。
[0015] 進(jìn)一步，所述水質(zhì)吸收光譜壓縮算法采用小波變換編碼，閾值的選取采用能量閾 值法。
[0016] 進(jìn)一步，所述電源模塊由太陽(yáng)能電池板、鋰電池組、備用電池、穩(wěn)壓電路、電壓轉(zhuǎn)換 電路組成；太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能存儲(chǔ)于鋰電池組中，通過(guò)穩(wěn)壓電路及電壓轉(zhuǎn) 換電路為傳感器模塊、微處理器模塊和無(wú)線通信模塊提供穩(wěn)定電壓；當(dāng)天氣狀況不佳，鋰電 池電量耗盡時(shí)，備用電池進(jìn)入工作狀態(tài)。
[0017] 進(jìn)一步，在設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置的投放位置時(shí)，考慮投入點(diǎn)的數(shù)量將裝置的放置位 置分為三類：1)按流域監(jiān)測(cè)斷面劃分出的位置；2)源頭和重點(diǎn)污染源；3)在不方便設(shè)立固 定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地方，采用船載的方式臨時(shí)采集數(shù)據(jù)。
[0018] 進(jìn)一步，水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置放置就位后上電工作，根據(jù)位置選擇加入的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸 網(wǎng)絡(luò)組，注冊(cè)相應(yīng)的裝置序號(hào)，并將監(jiān)測(cè)裝置的詳細(xì)信息上傳至云數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，詳細(xì)信息 主要包括：位置信息、裝置序號(hào)、裝置的網(wǎng)絡(luò)地址、監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)備狀態(tài)、電池電量等；
[0019] 所述水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)入監(jiān)測(cè)狀態(tài)：在定時(shí)模式下，每隔固定 的時(shí)間自動(dòng)喚醒，通過(guò)多路開(kāi)關(guān)控制相應(yīng)的傳感器采集對(duì)應(yīng)的水質(zhì)信息，如水質(zhì)吸收光譜、 溫度、pH、流速、電導(dǎo)率等，采集到的水質(zhì)吸收光譜在監(jiān)測(cè)裝置中通過(guò)小波變換編碼壓縮后， 與其他傳感數(shù)據(jù)按照采集時(shí)間與數(shù)據(jù)類型進(jìn)行分類存儲(chǔ)，同時(shí)將水質(zhì)信息按照相應(yīng)的幀格 式進(jìn)行封裝，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至云數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與傳輸完成后，監(jiān) 測(cè)裝置將進(jìn)入睡眠狀態(tài)，以降低系統(tǒng)功耗，等待下一次手動(dòng)或自動(dòng)喚醒；在手動(dòng)模式下，用 戶手動(dòng)控制監(jiān)測(cè)裝置開(kāi)始采集，通過(guò)云端以單播的方式發(fā)送至目標(biāo)水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置，水質(zhì)監(jiān) 測(cè)裝置收到指令后，從睡眠狀態(tài)喚醒，完成數(shù)據(jù)采集與傳輸后再次進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
[0020] 進(jìn)一步，所述云數(shù)據(jù)處理平臺(tái)包括云端數(shù)據(jù)庫(kù)和云端服務(wù)器：
[0021 ] 云端數(shù)據(jù)庫(kù)主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)流域內(nèi)水質(zhì)信息的存儲(chǔ)，其中包含水質(zhì)原始信息，如水 質(zhì)吸收光譜、溫度、PH、流速、電導(dǎo)率等，還包含通過(guò)智能算法解算后的水質(zhì)信息以及監(jiān)測(cè)裝 置的運(yùn)行狀態(tài)信息，這些信息按照時(shí)間、地點(diǎn)、內(nèi)容等進(jìn)行分類存入云端數(shù)據(jù)庫(kù)，供云端服 務(wù)器查詢和調(diào)用；
[0022] 云端服務(wù)器主要負(fù)責(zé)水質(zhì)數(shù)據(jù)的分析與解算，利用云計(jì)算等技術(shù)，對(duì)所獲得的流 域內(nèi)不同位置的水質(zhì)吸收光譜進(jìn)行批量處理；通過(guò)主成份分析（PCA)和極限學(xué)習(xí)機(jī)與粒子 群優(yōu)化算法（PSO-ELM)分類建立應(yīng)用于不同水質(zhì)場(chǎng)景的紫外可見(jiàn)光譜法水質(zhì)預(yù)測(cè)模型，根 據(jù)光譜的特征自動(dòng)選取相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型，解算出流域中對(duì)應(yīng)位置水質(zhì)的參數(shù)