基于直接光譜法的全天候長流域水質(zhì)監(jiān)測與預警系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種水質(zhì)監(jiān)測與預警管理系統(tǒng)，特別是一種 基于直接光譜法的全天候長流域水質(zhì)監(jiān)測與預警系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 水是人類賴以生存和發(fā)展的重要資源，面對日益嚴峻的水污染問題，人們對水環(huán) 境的檢測和監(jiān)測提出了更高的要求。
[0003]目前，檢測水質(zhì)主要使用傳統(tǒng)的化學法在實驗室進行分析，需要通過人工的現(xiàn)場 采樣、運輸，并利用大型的專用設(shè)備來完成。對采樣、制樣的技術(shù)經(jīng)驗要求高、耗時較長、成 本高、工作量大，而且不能實時的水質(zhì)的情況，還會造成二次污染。研究一種更快、更準確 的檢測、監(jiān)測和預測水質(zhì)狀況的儀器是水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。
[0004] 現(xiàn)有的新型設(shè)備在檢測和監(jiān)測方面都有一定的應用，但也存在諸多問題，如無法 實現(xiàn)對大面積流域水質(zhì)的監(jiān)測，測量參數(shù)單一，應用場景受限等，只能被動監(jiān)測，無法實現(xiàn) 水質(zhì)的預測。對于大面積水域、復雜地形水域以及人們難以到達水域的水質(zhì)參數(shù)，不僅無 法滿足實時在線監(jiān)測的需求，而且無法對復雜水域水環(huán)境進行有效監(jiān)測和管理。
[0005] 基于紫外一可見光光譜（ultraviolet-visible spectrometry, UV-Vis)分析技術(shù) 可以直接或間接測定水體中大多數(shù)金屬離子、非金屬離子、有機物污染物、硝酸鹽以及化學 需氧量（Chemical Oxygen Demand，C0D)等多種參數(shù)。UV-Vis光譜法監(jiān)測水體就是利用測 得水體的紫外-可見吸收光譜來建立水質(zhì)相關(guān)的參數(shù)模型，建立水體與其紫外-可見光吸 收光譜之間的對應關(guān)系，該法具有無需化學試劑、測量速度快等優(yōu)點。同時，UV-Vis光譜法 水體監(jiān)測，可以將光譜探頭浸入水中，能夠?qū)λw進行在線、實時的監(jiān)測，從而實現(xiàn)對水體 環(huán)境實時監(jiān)控、突發(fā)性污染事故預警以及流域趨勢分析等功能。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)測成為可能，此可將水體 是否發(fā)生污染險情上傳至監(jiān)控中心，從而及時發(fā)出預警信息，預先做好相應的預防措施，以 便將損失降到最低。
[0006] 申請?zhí)枮?01310745779. 5,名稱為"一種水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)及方法"的專利申請文件公 開了一種包含測量裝置、控制器、顯示器、多個試劑容器、多個備用試劑容器、蒸餾水容器、 清洗容器以及廢液容器的一種水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，能夠獲得至少兩種波長的光，監(jiān)測不同的污 染因子。該系統(tǒng)監(jiān)測水質(zhì)過程繁瑣，需要復雜的水樣預處理，運用化學試劑產(chǎn)生二次污染， 且能夠監(jiān)測的參數(shù)十分有限，無法同時獲取流域的水質(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流域水質(zhì)監(jiān)測 與預警系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對流域內(nèi)水體環(huán)境全天候的在線測量、實時監(jiān)測、突發(fā)性預 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流域水質(zhì)監(jiān)測與預警系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括水質(zhì)監(jiān) 測裝置、云數(shù)據(jù)處理平臺和遠程監(jiān)控平臺；
[0010] 所述水質(zhì)監(jiān)測裝置的數(shù)量為多個，根據(jù)需要放置于水體岸邊、水面浮標或其他水 面平臺上，對長流域的水質(zhì)數(shù)據(jù)進行提取，所述水質(zhì)監(jiān)測裝置利用直接光譜法獲取監(jiān)測水 體的吸收光譜，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)和水質(zhì)信息通過無線傳輸?shù)姆绞絺魉椭猎茢?shù)據(jù)處理平 臺；云數(shù)據(jù)處理平臺對接收到的數(shù)據(jù)進行匯總和分析，并存入數(shù)據(jù)庫中；遠程監(jiān)控平臺通 過對存入數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行查詢和顯示，實現(xiàn)對全天候長流域水質(zhì)環(huán)境的實時監(jiān)測和預 警。
[0011] 進一步，所述水質(zhì)監(jiān)測裝置包括傳感器模塊、GPS模塊、微處理器、無線通信模塊和 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，通過多路繼電器進行工作 狀態(tài)的切換，實時采集監(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、電導率 等；光譜探頭與光譜儀相連，用于獲取水質(zhì)的紫外-可見吸收光譜，可用于C0D、T0C、TURB和 N03-N的解算；
[0013] 所述微處理器負責協(xié)調(diào)和控制監(jiān)測裝置各模塊工作，存儲和上傳采集的水質(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)按照采集時間與數(shù)據(jù)類型進行分類存儲，通過無線通信模塊傳輸至云數(shù)據(jù)處理平臺；
[0014] 所述無線通信模塊主要包括無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和廣域網(wǎng)模塊，負責水質(zhì)監(jiān)測裝置 與遠程監(jiān)控平臺間的通信；無線數(shù)據(jù)傳輸模塊負責組建并加入無線數(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；廣域網(wǎng)模塊主要負責將設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)Internet中，可以隨 時接收或發(fā)送數(shù)據(jù)至云數(shù)據(jù)處理平臺。
[0015] 進一步，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] 進一步，所述電源模塊由太陽能電池板、鋰電池組、備用電池、穩(wěn)壓電路、電壓轉(zhuǎn)換 電路組成；太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能存儲于鋰電池組中，通過穩(wěn)壓電路及電壓轉(zhuǎn) 換電路為傳感器模塊、微處理器模塊和無線通信模塊提供穩(wěn)定電壓；當天氣狀況不佳，鋰電 池電量耗盡時，備用電池進入工作狀態(tài)。
[0017] 進一步，在設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測裝置的投放位置時，考慮投入點的數(shù)量將裝置的放置位 置分為三類：1)按流域監(jiān)測斷面劃分出的位置；2)源頭和重點污染源；3)在不方便設(shè)立固 定監(jiān)測點的地方，采用船載的方式臨時采集數(shù)據(jù)。
[0018] 進一步，水質(zhì)監(jiān)測裝置放置就位后上電工作，根據(jù)位置選擇加入的無線數(shù)據(jù)傳輸 網(wǎng)絡(luò)組，注冊相應的裝置序號，并將監(jiān)測裝置的詳細信息上傳至云數(shù)據(jù)處理平臺，詳細信息 主要包括：位置信息、裝置序號、裝置的網(wǎng)絡(luò)地址、監(jiān)測裝置的設(shè)備狀態(tài)、電池電量等；
[0019] 所述水質(zhì)監(jiān)測裝置根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的參數(shù)進入監(jiān)測狀態(tài)：在定時模式下，每隔固定 的時間自動喚醒，通過多路開關(guān)控制相應的傳感器采集對應的水質(zhì)信息，如水質(zhì)吸收光譜、 溫度、pH、流速、電導率等，采集到的水質(zhì)吸收光譜在監(jiān)測裝置中通過小波變換編碼壓縮后， 與其他傳感數(shù)據(jù)按照采集時間與數(shù)據(jù)類型進行分類存儲，同時將水質(zhì)信息按照相應的幀格 式進行封裝，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至云數(shù)據(jù)處理平臺，水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與傳輸完成后，監(jiān) 測裝置將進入睡眠狀態(tài)，以降低系統(tǒng)功耗，等待下一次手動或自動喚醒；在手動模式下，用 戶手動控制監(jiān)測裝置開始采集，通過云端以單播的方式發(fā)送至目標水質(zhì)監(jiān)測裝置，水質(zhì)監(jiān) 測裝置收到指令后，從睡眠狀態(tài)喚醒，完成數(shù)據(jù)采集與傳輸后再次進入睡眠狀態(tài)。
[0020] 進一步，所述云數(shù)據(jù)處理平臺包括云端數(shù)據(jù)庫和云端服務器：
[0021 ] 云端數(shù)據(jù)庫主要負責監(jiān)測流域內(nèi)水質(zhì)信息的存儲，其中包含水質(zhì)原始信息，如水 質(zhì)吸收光譜、溫度、PH、流速、電導率等，還包含通過智能算法解算后的水質(zhì)信息以及監(jiān)測裝 置的運行狀態(tài)信息，這些信息按照時間、地點、內(nèi)容等進行分類存入云端數(shù)據(jù)庫，供云端服 務器查詢和調(diào)用；
[0022] 云端服務器主要負責水質(zhì)數(shù)據(jù)的分析與解算，利用云計算等技術(shù)，對所獲得的流 域內(nèi)不同位置的水質(zhì)吸收光譜進行批量處理；通過主成份分析（PCA)和極限學習機與粒子 群優(yōu)化算法（PSO-ELM)分類建立應用于不同水質(zhì)場景的紫外可見光譜法水質(zhì)預測模型，根 據(jù)光譜的特征自動選取相應的預測模型，解算出流域中對應位置水質(zhì)的參數(shù)