CN103149242B - 一种基于物联网的水体微生物含量检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的水体微生物含量检测系统，包括微生物传感器、终端节点模块、控制节点模块、局域控制模块和中央控制模块，通过在水体中设置多个终端节点模块向与其无线连接的控制节点模块传输监测数据，控制节点再将数据依次发送给局域控制中心模块和中央控制模块，建立监测网络，实现数据的实时传输，从而达到远程监测和控制；同时，局域控制模块接收到一部分微生物含量数据后，通过对数据计算一阶导数和二阶导数判断微生物含量数据剩余部分的趋势，缩短测量时间，提高实时性；通过数模转换装置中对数据进行压缩，降低数据量，提高数据传输速度和正确率；通过实时监控控制节点模块与局域控制模块的通信状态，当通信中断时保存欲发送数据，提高数据发送的安全性和正确率。

Description

一种基于物联网的水体微生物含量检测系统

技术领域

本发明涉及生物材料及通信领域，具体涉及一种基于物联网的水体微生物含量检测系统。

背景技术

随着社会的发展，环境保护越来越受到关注，而水质的好坏更是与人们的生活息息相关。微生物传感器在水质检测中发挥着越来越重要的作用，比如BOD微生物传感器，它可以实现在线监测，能够克服传统的5天培养法获取数据滞后的问题，并且仪器成本和检测费用也较低；但是，目前这类传感器还没有配套的数据采集和无线传输系统，这限制了其推广应用范围。本发明来源于对水体中的微生物浓度实行远程监测的需求，它通过无线方式获取测量数据，并通过Internet将数据上传到数据中心进行综合分析，能够为水质的好坏提供判断依据。

微生物传感器主要由两部分耦合组成：第一部分是微生物膜，此膜是将微生物以一定的方式固定化于基质(如醋酸纤维素等)上形成；第二部分是信号转换器(如O2电极、气敏电极或离子选择电极等)。微生物在利用物质进行呼吸或代谢的过程中，将消耗溶液中的溶解氧或产生一些电活性物质。在微生物的数量和活性保持不变的情况下，其所消耗的溶解氧量或所产生的电活性物质的量反映了被检测物质的量，再借助气体敏感膜电极(如溶解氧电极、氨电极、二氧化碳电极、硫化氢电极)或离子选择电极(如pH玻璃电极)以及微生物燃料电池检测溶解氧和电活性物质的变化，就可求得待测物质的量，这是微生物传感器的一般原理。

如图1所示，在现有的微生物含量检测方法中，研究人员在对水体中微生物含量进行测量时，采用笔式记录仪对转换后的模拟信号波形进行记录。测试完成后，测试人员从记录纸上人工抄录数据并完成数据转换，进而得到微生物含量数据。纸质记录仪体积大、笨重、不宜携带，且其数据记录需要人工操作，存在工作效率低、错误率高及数据不易重复利用的弊端。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于物联网的水体微生物含量检测系统，能够对水体内微生物含量进行实时监测，同时通过在水体中设置多个终端节点模块向与其无线连接的控制节点模块传输监测数据，控制节点再将数据依次发送给局域控制中心模块和中央控制模块，建立监测网络，实现数据的实时传输，从而达到远程监测和控制。

本发明的一种基于物联网的水体微生物含量检测系统，包括微生物传感器、终端节点模块、控制节点模块、局域控制模块和中央控制模块，其中，中央控制模块与L个局域控制模块相连，每个局域控制模块与M个控制节点模块相连，每个控制节点模块与N个终端节点模块相连，每个终端节点模块与一个微生物传感器有线相连，其中L、M、N均为正整数；

所述微生物传感器设置在被测量的水体中，用来测量表征其所在位置的水体微生物浓度的电压模拟量，并将该电压模拟量输出至与其连接的终端节点模块；

每个所述终端节点模块中设置有互相连接的模数转换装置和无线收发装置；其中，模数转换装置与微生物传感器的输出端有线连接，接收微生物传感器采集的电压模拟量数据后再对该数据进行采样，得到电压数字信号；无线收发装置与控制节点模块进行无线通信，将电压数字信号发送给控制节点模块；同时，接收控制节点模块发送的控制命令，控制模数转换装置对电压模拟量数据开始采集或者停止采集；

每个所述终端节点模块根据从控制节点模块接收的控制命令，开始或停止从微生物传感器进行采集所述电压模拟量；终端节点模块接收微生物传感器采集的电压模拟量数据后再对该数据进行采样，得到电压数字信号然后将其发送给控制节点模块；

每个所述控制节点模块接收终端节点模块发送的电压数字信号，并将电压数字信号发送给与其连接的局域控制模块；同时，控制节点模块实时检测与局域控制模块的通信状态，当通信中断时，将微生物含量数据信号存储在内存中；当通信状态恢复正常后，再将未发送的微生物数据信号发给局域控制模块；控制节点模块根据从局域控制模块接收的开始采集和结束采集命令发送给终端节点模块；

所述每个局域控制模块接收中央控制模块发送的开始采集控制命令后下发给对应的控制节点模块；然后，还对接收的所有与其相连的控制节点模块发送的电压数字量信号进行存储后处理：局域控制模块对于先后接收到的微生物传感器输出的每一个采样点对应的电压数字信号分别求其对时间的一阶导数和二阶导数，当二阶导数第一次小于0时，记录该采样点对应的电压的一阶导数，即为电压的梯度；后把该电压梯度上传给所述中央控制模块；最后，当局域控制模块获得该电压梯度后，向控制节点模块发送结束采集的控制命令；

所述中央控制模块在采集开始之前向局域控制模块发送开始采集控制命令；然后接收局域控制模块发送的电压的梯度后，在预先获得的该系统使用的微生物传感器标定的电压梯度与微生物浓度关系中进行查找，找到与该电压梯度最接近的标定的电压梯度，并记录该标定电压梯度对应的微生物浓度，即为此时该微生物传感器测得的所在水体的微生物浓度值；

所述数模转换装置对电压模拟信号进行采样后，将第一个采样点数据作为当前发送数据通过无线收发装置发送给控制节点模块；再将该当前发送数据与后一个采样点数据求差值，判断差值与设定值关系：如果差值小于该设定值时，不发送该采样点数据，然后继续将后一采样点的数据与该当前发送数据求差值并比较，当某一采样点与当前发送数据的差值大于设定值时，将该采样点数据值作为当前发送数据发送给控制节点模块；对接收到的全部采样点按照上述方法进行处理，控制点模块即得到压缩后的电压数字信号；其中，设定值与用户在实际应用中对数据的采样精度有关。

本发明具有如下有益效果：

通过在水体中设置多个终端节点模块向与其无线连接的控制节点模块传输监测数据，控制节点再将数据依次发送给局域控制中心模块和中央控制模块，建立监测网络，实现数据的实时传输，从而实现基于物联网的远程监测和控制系统；同时，局域控制模块接收到一部分微生物含量数据后，通过对数据计算一阶导数和二阶导数判断微生物含量数据剩余部分的趋势，缩短测量时间，提高实时性；

通过数模转换装置中对数据进行压缩，降低数据量，提高数据传输速度和正确率；

通过实时监控控制节点模块与局域控制模块的通信状态，当通信中断时保存欲发送数据，提高数据发送的安全性和正确率。

附图说明

图1为现有技术中微生物含量检测过程框图。

图2为现有技术中纸质记录仪实际测定标准S2-传感器的响应信号。

图3本发明的系统框图。

图4为本发明的微生物含量数据及其一阶导数和二阶导数的处理结果图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于物联网的水体微生物含量检测系统，如图3所示，本系统包括微生物传感器、终端节点模块、控制节点模块、局域控制模块和中央控制模块，其中，中央控制模块与L个局域控制模块通过互联网相连，每个局域控制模块通过有线方式与M个控制节点模块相连，每个控制节点模块通过无线方式与N个终端节点模块相连，每个终端节点模块与一个微生物传感器有线相连；

微生物传感器设置在被测量的水体中，用来测量表征其所在位置的水体微生物浓度的电压模拟量，并将该电压模拟量输出至与其连接的终端节点模块；

每个所述终端节点模块中设置有互相连接的模数转换装置和无线收发装置；其中，模数转换装置与微生物传感器的输出端有线连接，接收微生物传感器采集的电压模拟量数据后再对该数据进行采样，得到电压数字信号；无线收发装置与控制节点模块进行无线通信，将电压数字信号发送给控制节点模块；同时，接收控制节点模块发送的控制命令，控制模数转换装置对电压模拟量数据开始采集或者停止采集；

每个控制节点模块接收终端节点模块发送的电压数字信号，并将电压数字信号发送给与其连接的局域控制模块；同时，控制节点模块实时检测与局域控制模块的通信状态，当通信中断时，将微生物含量数据信号存储在内存中；当通信状态恢复正常后，再将未发送的微生物数据信号发给局域控制模块；控制节点模块根据从局域控制模块接收的开始采集和结束采集命令发送给终端节点模块；

每个局域控制模块接收中央控制模块发送的开始采集控制命令后下发给对应的控制节点模块；然后，还对接收的所有与其相连的控制节点模块发送的电压数字量信号进行存储后处理：在现有技术水平下，在对水体微生物浓度测量时，微生物传感器的响应速度较慢，一般为几分钟到几十分钟，因此会影响整个系统的测试速度，从而影响微生物浓度监测的实时性。根据现有经验可知，微生物浓度除了与测量的电压波形的最大电压值有一定关系之外，还与电压变化速率相关。如图4所示，分别为电压数据的电压-时间曲线图、电压一阶导数-时间曲线图和电压二阶导数-时间曲线图，从三个曲线图中可以看出，电压数据变化率具有比较好的对称性，在电压一阶导数曲线图中可以看到，电压变化率大概在时间的中点处达到最大，该最大变化率即为电压梯度，结合电压曲线图，可知，要求得该电压梯度，大概测量电压曲线的一半数据，即可获得电压梯度，由此可通过电压变化率与浓度的关系得到微生物浓度，则通过用“电压梯度-浓度”关系替换原有的“电压-浓度”关系，可以节省将近一半的测量时间。基于上述考虑，本发明采用下述方案提高微生物浓度测试速度：

局域控制模块对于先后接收到的微生物传感器输出的每一个采样点对应的电压数字信号分别求其对时间的一阶导数和二阶导数，当二阶导数第一次小于0时，说明电压的一阶导数达到最大值，则该采样点的一阶导数即为电压的梯度，然后再把该电压梯度上传给所述中央控制模块；最后，当局域控制模块获得该电压梯度后，向控制节点模块发送结束采集的控制命令。

中央控制模块在采集开始之前向局域控制模块发送开始采集控制命令；然后接收局域控制模块发送的电压的梯度后，；如图2所示，技术人员对各种微生物传感器的电压-浓度已经进行标定，进而可以得到电压梯度-浓度的标定值。针对每一种微生物传感器，微生物浓度不同时，会得到不同的电压梯度-浓度对应关系。在现有技术对该系统使用的微生物传感器标定的电压梯度与微生物浓度关系中进行查找，找到与该电压梯度最接近的标定的电压梯度，并记录该标定电压梯度对应的微生物浓度，即为此时该微生物传感器测得的所在水体的微生物浓度值。

本发明通过在水体中设置微生物传感器和多个终端节点模块向与其无线连接的控制节点模块传输监测数据，控制节点模块再将数据依次发送给局域控制中心模块和中央控制模块，建立了监测网络，实现基于物联网的数据实时传输，从而实现远程监测和控制。

本发明中，当终端节点模块中的数模转换装置对微生物传感器输出的电压模拟量进行采样后，会得到大量的电压数字信号数据；当多个终端节点模块将电压数字信号都发送给控制节点模块时，由于数据量较大会给无线网络带来压力，还给控制节点的处理能力带来一定考验，可能会导致数据传输错误或者数据丢失，因此，有必要对电压数字信号进行压缩，考虑到本系统是对水体微生物浓度进行测量，即最终获得电压的梯度即可表征浓度值，因此在满足用户的采样精度要求下，在获得电压梯度之前的一些冗余数据是没用的，因此，本发明采用如下方法对电压数字信号进行压缩：

数模转换装置对电压模拟信号进行采样后，如图2所示，根据现有技术对电压数据的采集可知，电压随时间不断增大，开始时缓慢增大，中间陡增，最后阶段又缓慢增长，因此，开始的数据大多数为无用数据，将第一个采样点数据作为当前发送数据通过无线收发装置发送给控制节点模块；再将该当前发送数据与后一个采样点数据求差值，判断差值与设定值关系：如果差值小于该设定值时，说明该点为无用数据，不发送该采样点数据，然后继续将后一采样点的数据与该当前发送数据求差值并比较，当某一采样点与当前发送数据的差值大于设定值时，说明该点可能为有用数据，因此将该采样点数据值作为当前发送数据发送给控制节点模块；对接收到的全部采样点按照上述方法进行处理，将一些冗余数据剔除后，控制点模块即得到压缩后的电压数字信号。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于物联网的水体微生物含量检测系统，其特征在于，包括微生物传感器、终端节点模块、控制节点模块、局域控制模块和中央控制模块，其中，中央控制模块与L个局域控制模块相连，每个局域控制模块与M个控制节点模块相连，每个控制节点模块与N个终端节点模块相连，每个终端节点模块与一个微生物传感器有线相连，其中L、M、N均为正整数；

所述微生物传感器设置在被测量的水体中，用来测量表征其所在位置的水体微生物浓度的电压模拟量，并将该电压模拟量输出至与其连接的终端节点模块；

每个所述终端节点模块中设置有互相连接的模数转换装置和无线收发装置；其中，模数转换装置与微生物传感器的输出端有线连接，接收微生物传感器采集的电压模拟量数据后再对该数据进行采样，得到电压数字信号；无线收发装置与控制节点模块进行无线通信，将电压数字信号发送给控制节点模块；同时，接收控制节点模块发送的控制命令，控制模数转换装置对电压模拟量数据开始采集或者停止采集；

每个所述终端节点模块根据从控制节点模块接收的控制命令，开始或停止从微生物传感器进行采集所述电压模拟量；终端节点模块接收微生物传感器采集的电压模拟量数据后再对该数据进行采样，得到电压数字信号然后将其发送给控制节点模块；

每个所述控制节点模块接收终端节点模块发送的电压数字信号，并将电压数字信号发送给与其连接的局域控制模块；同时，控制节点模块实时检测与局域控制模块的通信状态，当通信中断时，将微生物含量数据信号存储在内存中；当通信状态恢复正常后，再将未发送的微生物数据信号发给局域控制模块；控制节点模块根据从局域控制模块接收的开始采集和结束采集命令发送给终端节点模块；

所述每个局域控制模块接收中央控制模块发送的开始采集控制命令后下发给对应的控制节点模块；然后，还对接收的所有与其相连的控制节点模块发送的电压数字量信号进行存储后处理：局域控制模块对于先后接收到的微生物传感器输出的每一个采样点对应的电压数字信号分别求其对时间的一阶导数和二阶导数，当二阶导数第一次小于0时，记录该采样点对应的电压的一阶导数，即为电压的梯度；后把该电压梯度上传给所述中央控制模块；最后，当局域控制模块获得该电压梯度后，向控制节点模块发送结束采集的控制命令；

所述中央控制模块在采集开始之前向局域控制模块发送开始采集控制命令；然后接收局域控制模块发送的电压的梯度后，在预先获得的该系统使用的微生物传感器标定的电压梯度与微生物浓度关系中进行查找，找到与该电压梯度最接近的标定的电压梯度，并记录该标定电压梯度对应的微生物浓度，即为此时该微生物传感器测得的所在水体的微生物浓度值；

所述数模转换装置对电压模拟信号进行采样后，将第一个采样点数据作为当前发送数据通过无线收发装置发送给控制节点模块；再将该当前发送数据与后一个采样点数据求差值，判断差值与设定值关系：如果差值小于该设定值时，不发送该采样点数据，然后继续将后一采样点的数据与该当前发送数据求差值并比较，当某一采样点与当前发送数据的差值大于设定值时，将该采样点数据值作为当前发送数据发送给控制节点模块；对接收到的全部采样点按照上述方法进行处理，控制点模块即得到压缩后的电压数字信号；其中，设定值与用户在实际应用中对数据的采样精度有关。