CN103335955A - 一种水质在线监测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水质在线监测方法与装置，方法包括下述步骤：S1、检测模型建立阶段，得到试纸颜色变化与检测指标浓度之间的关系，建立检测模型；S2、信息采集阶段，将样品滴到试纸层上，试纸层因检测指标浓度不同而呈现不同颜色，在线采集颜色变化图像信息；S3、特征量提取阶段，首先对采集来的原始数据进行预处理，然后进行特征量提取，提取试纸层的图像信息；S4、检测判别阶段，将提取的图像信息特征量进行特征层融合处理，由所建立的在线监测模型进行在线检测。本发明能够实时、快速、准确的测量水中污染物的含量并评估水体质量，同时检测装置结构轻巧、操作简单、成本低，对监测水体质量、保障农业的可持续发展等方面具有直接的现实意义。

Description

一种水质在线监测方法与装置

技术领域

本发明涉及环境保护的技术领域，特别涉及一种水质在线监测方法与装置。

背景技术

目前，中国水质污染的总体形势相当严峻。据不完全调查，全国因污水灌溉污染耕地2167千hm²。据《2008年中国环境状况公报》显示，全国地表水污染依然严重。七大水系水质总体为中度污染，浙闽区河流水质为轻度污染，湖泊（水库）富营养化问题突出。全国七大江河水系中Ⅴ类水质占24.2%，劣V类水质占0.8%。而环保总局发布的另一项重要调查显示，在被统计的中国131条流经城市的河流中，严重污染的有36条，重度污染的有21条，中度污染的有38条。据估算，中国因污水灌溉引起的耕地污染面积为2170千hm²，占耕地总面积的2.3%。污水已经成为中国城镇近郊农业灌溉用水的重要水源，尤其是在干旱缺水季节，污水灌溉仍然是解决燃眉之急的重要途径。污水灌溉对农作物生产的影响主要表现为两个方面：一是污染物在作物体中富集，影响作物品质；其次影响农作物产量。

目前，水质检测的常用方法主要有实验室法，即从河流、湖泊中采集水样带回实验室，通过物理化学实验分析，测定水样中污染物的成分和浓度。市面上也有许多水质检测仪器，可以实现对水体一些指标，比如总氯含量、重金属含量、氨氮含量、总氮含量、总磷含量等进行实时检测，得出数据并进行数据的传输，同时还可以远程操控系统连续或间歇运行。

实验室法检测元素和物质的含量，准确率高、误差小，不易受外界环境变化的影响，具有严谨、定量分析准确等优点。但是，该方法在取样回到实验室时样品保存不易，容易变质；取样过程耗时耗力；检测时间长，不能及时得到结果；操作复杂，要求检测者具备相当的化学知识；同时，由于人力和物力的限制，监测工作仅限于几个断面和点，监测频率也是每月数次，难以保证所测数据的准确性和时效性。而市面上的在线水质检测仪器可以克服传统实验室检测的缺点，很好的实现实时检测，省时省力，操作便捷，自动化程度高。可是其往往设备体积庞大，检测指标较少或者单一，造价昂贵，对于农业生产来说并不是理想的选择。

灌溉用水污染直接影响到人们生活的根本，是迫在眉睫的问题。因此，必须研制符合农业生产现状的传感器装置。符合农业生产现状的传感器装置须达到以下要求：

（1）检测指标多样化，检测方法简单易行，检测速度快。

（2）检测装置结构轻巧、操作方便，检测过程省时省力。

（3）检测设备成本低，能够满足农业生产需要。

（4）不易受外界环境变化的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种能够快速检测水体质量，并同时测量多个指标的方法。

本发明的另一目的在于，提供一种在线水质检测的装置。

为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的水质在线监测方法，包括下述步骤：

S1、检测模型建立阶段，首先进行试纸颜色变化与水中污染物浓度变化对应关系的实验，通过分析得到颜色变化与浓度的关系，然后根据浓度-颜色关系进行标定，不同的颜色对应不同的污染物浓度，划定污染等级，最后录入嵌入式系统，建立检测模型；

S2、信息采集阶段，将样品滴到试纸层上，试纸层因指标浓度不同而呈现不同的颜色，然后在线采集颜色变化图像信息；

S3、特征量提取阶段，首先对采集来的原始数据进行预处理，然后进行特征量提取，提取试纸层的图像信息；所述的原始数据指摄像头直接输出、未经任何加工处理的数据；

S4、检测判别阶段，将提取的图像信息特征量进行特征层融合处理，由所建立的在线监测模型进行在线检测和污染等级评定。

步骤S1中，对待检测指标进行检测的具体步骤为：

S11、对其进行试纸测验，即将试纸放入含有已知浓度的该物质溶液中，待其反应后，取出试纸；

S12、采集试纸图像数据信息；

S13、设定不同浓度的溶液重复进行试纸反应，根据不同浓度下试纸的颜色变化，通过图像分析，划定颜色变化所对应的浓度梯度，作为颜色标定；

S15、将颜色标定录入嵌入式系统中，编辑比色程序；

S16、在线采集试纸颜色变化图像信息，将图像信息传递给嵌入式系统；

S17、将步骤S16中得到的图像信息与步骤S15中做好的颜色标定进行颜色的分析和对比，得出比色结果，并上传到数据库；建立在线检测模型。

步骤S1中，在对试纸颜色进行标定时，每一种指标试纸进行多次试验和校正，得到准确的浓度-颜色对应关系；

步骤S1中，污染等级划定依据中国农田灌溉用水标准（GB5084-2005），并结合实际情况进行划定；

步骤S1中，检测指标包括水样的pH、六价铬浓度、氯化物浓度、硫化物浓度和总磷浓度；在信息采集过程中，所用光源为摄像头自带光源。

在步骤S2中的在线采集颜色变化图像信息之后，将图像信息转换为RGB格式。

步骤S3中，所述的对原始数据进行预处理包括图像的增强、分割、目标特征提取。

步骤S4中，所述的提取图像信息的特征量通过人工神经网络的方法进行特征层信息融合。

为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的水质在线监测装置，包括箱体及安装在箱体内部的电源模块、光源及信息采集模块、数据处理及控制模块、数据传输模块、存储模块；电源模块为整个检测装置提供电力供应；光源及信息采集模块，摄像头自带光源，为信息采集模块提供所需的光照条件，摄像头对试纸拍照进行图像信息采集；数据处理及控制模块对图像信息进行读取，并对数据进行处理加工，并控制检测装置上其他模块的工作状态；数据传输模块与数据处理模块相连接，通过有线或无线的方式将检测装置的检测结果输出；存储模块用于存储系统处理的结果。

箱体包括进排水系统、传动系统、以及过滤层；

进排水系统包括入水管、出水阀；

传动系统为卷有试纸的主动轴和从动轴，从动轴卷有未使用的试纸，主动轴通过摩擦力将使用过的试纸收起来；

过滤层将入水管的水进行过滤，以减小泥沙对检测结果的影响，所述过滤层设置在出水管和试纸之间。

优选的，所述数据处理模块采用基于ARM Cortex-A8内核的嵌入式系统，对图像信息进行分析对比。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明所使用的方法简单易行，所使用的实验材料——试纸价格低廉、反应迅速，克服了市面上水质检测仪器价格高昂的缺点，适合于大规模的生产使用。

2、本发明提供了一种水质在线监测方法与装置，能够实时、快速、准确的测量评估水体质量，同时检测装置结构轻巧、操作简单、成本低，对监测水体质量、保障农业的可持续发展等方面具有直接的现实意义。

3、本发明提供了一种水质传感器，克服了传统实验法在检测水体质量时操作复杂的缺点，能够及时、准确的对水体质量进行测量和评估，同时兼具时效性和准确性。

附图说明

图1是本发明的水质在线检测方法技术方案示意图。

图2是本发明的水质在线检测装置结构原理示意图。

图3是本发明的装置三维剖面示意图。

图4是本发明的装置三维示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例水质在线监测方法采用pH试纸、六价铬试纸、氯化物试纸、硫化物试纸和总磷试纸，通过五种试纸实现对水质五种指标（基于《中国农田灌溉用水标准》（GB5084-2005））的检测。本实施例中可以设置更多试纸对水质指标进行检测，本实施例择取其中五项进行实行。

如图1所示，本实施例的技术方案包括以下步骤：

在模型检测阶段，具体实施流程如图1中上部分箭头所指，首先取一批农田灌溉用水水样，作用于试纸上。然后对灌溉用水中污染物的浓度进行测定。再将污染物浓度与颜色变化程度进行对比分析。最后对颜色进行标定，得到浓度与颜色的对应关系。

在实际应用时，具体实施流程如图1下方的箭头所示，在采集图像信息时，采用摄像头光源进行照明，用摄像头对试纸拍照得到图像。通过在线采集试纸上的图像信息后，将图像信息转换为RGB格式，通过图像预处理之后，采用水质在线检测模型对图像进行对比分析，得出检测结果。

其具体步骤如下：

a、在模型建立阶段，对于某种检测指标，首先对其进行试纸测验，将检测指标所对应的试纸放入含有已知浓度的该物质溶液中，待其反应后，取出试纸；然后，设定不同物质浓度的溶液进行试纸反应；再根据不同浓度下试纸的颜色变化，划定颜色变化所对应的浓度梯度，作为标定；最后将颜色标定录入嵌入式系统中，编辑比色程序。在线采集试纸颜色变化图像信息，将信息传递给嵌入式系统；将图像信息与事先做好的标定进行颜色的分析和对比，得出比色结果，并上传到数据库；建立在线检测模型。

b、在信息采集阶段，将样品滴到试纸层上，试纸层因指标浓度不同而呈现不同的颜色，然后在线采集颜色变化图像信息。

c、在特征量提取阶段，首先对采集来的原始数据进行预处理，然后进行特征量提取，提取试纸层的图像信息；这里的原始数据指摄像头直接输出、未经任何加工处理的数据。

d、在检测判别阶段，将提取的图像信息特征量进行特征层融合处理，由所建立的在线监测模型进行检测。

在对试纸颜色进行标定时，每一种指标试纸必须进行多次试验和校正，以得到准确的颜色--浓度对应关系。

本实施例的一种水质在线监测装置，包括电源模块、光源及数据采集模块、格式转换模块、数据传输模块、数据处理及控制模块、存储模块；电源模块为整个装置提供电力供应；光源及信息采集模块，摄像头自带光源，为信息采集模块提供所需的光照条件，摄像头对试纸拍照进行图像信息采集；格式转换模块将信息转换为合适的格式，以适应数据处理需要；数据传输模块与数据处理模块相连接，通过有线或无线的方式将检测装置的检测结果通过显示屏输出；数据处理及控制模块，即采用基于ARM Cortex-A8内核的嵌入式系统，对图像进行分析对比，并控制检测装置上其他模块的工作状态；存储模块用于存储系统处理的结果。

本实施例的具体工作过程如下：

如图2所示，进水过程：用电动机给水泵提供动力，从农田中抽水。水被抽入水泵中，经过入水管1，进入箱体2。然后水流在入水管被分流成五股较小的水流滴在滤纸层10上，经过过滤，滴在试纸层5，试纸会因水中污染物含量不同而显现不同的颜色。

如图2所示，设置第一固定柱3和第二固定柱8，使流经试纸而往下滴落的水能全部滴入蓄水池4中，而不影响其它部件。

如图2、图3所示，轴的运动；主动轴7与电动机相连，从动轴11上事先缠上试纸层5，同时试纸的另一头缠在主动轴上。主动轴由电动机提供动力，当主动轴转动时，带动试纸运动，通过摩擦力带动从动轴运动。主动轴将反应过的试纸卷起来，而从动轴则释放未使用过的试纸。

如图2所示，在光源的照射下，针孔摄像头6对反应过的试纸进行拍照，同时将数据传送给数据处理及控制模块13，进行比色分析，得出结果，并在显示屏12上显示污染物浓度和污染等级，同时由存储模块进行数据的存储。

如图2所示，箱体里的水到一定量时可通过出水阀9流出。

如图4所示，还包括控制单元13，所述控制单元13是将数据传输模块、数据处理及控制模块、存储模块集成在一起，设置在水质监测装置的上端，通过上述模块，对装置的数据处理以及分析进行合理的控制。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水质在线监测方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、检测模型建立阶段，通过试纸实验，得到试纸颜色变化与检测指标浓度之间的关系，建立检测模型；

S2、信息采集阶段，将样品滴到试纸层上，试纸层因指标浓度不同而呈现不同的颜色，然后实时采集颜色变化图像信息；

S3、特征量提取阶段，首先对采集来的原始图像数据进行预处理，然后进行特征量抽取，提取试纸层的图像信息；所述的原始数据指摄像头直接输出、未经任何加工处理的数据；

S4、检测判别阶段，将提取的图像信息特征量进行特征层融合处理，由所建立的在线监测模型进行实时检测和污染等级评定。

2.根据权利要求1所述的水质在线监测方法，其特征在于，步骤S1中，对测量测指标进行检测的具体步骤为：

S11、对其进行试纸测验，将试纸放入含有已知浓度的该物质溶液中，待其反应后，取出试纸；

S12、采集试纸图像数据信息；

S13、设定不同浓度的溶液重复进行试纸反应，根据不同浓度下试纸的颜色变化，通过图像分析，划定颜色变化所对应的浓度梯度，作为颜色标定；

S15、将颜色标定录入嵌入式系统中，编辑比色程序；

S16、在线采集试纸颜色变化图像信息，将图像信息传递给嵌入式系统；

S17、将步骤S16中得到的图像信息与步骤S15中做好的颜色标定进行颜色的分析和对比，得出比色结果，并上传到数据库；建立在线检测模型。

3.根据权利要求2所述的水质在线监测方法，其特征在于，首先进行试纸颜色变化与水中污染物浓度变化对应关系的实验，然后根据浓度-颜色关系进行标定，不同的颜色对应不同的污染物浓度，最后录入嵌入式系统，在对试纸颜色进行标定时，每一种指标试纸进行多次试验和校正，得到准确的浓度-颜色对应关系。

4.根据权利要求1所述的水质在线监测方法，其特征在于，步骤S1中，检测指标包括水样的pH、六价铬浓度、氯化物浓度、硫化物浓度和总磷浓度；在信息采集过程中，所用光源为摄像头自带光源。

5.根据权利要求1所述的水质在线监测方法，其特征在于，在步骤S2中获得的在线采集颜色变化图像信息之后，将图像信息转换为RGB格式。

6.根据权利要求1所述的水质在线监测方法，其特征在于，步骤S3中，所述的对原始数据进行预处理包括图像的增强、分割、目标特征提取。

7.根据权利要求1所述的水质在线监测方法，其特征在于，步骤S4中，所述的提取图像信息的特征量通过神经网络的方法进行特征层信息融合。

8.一种水质在线监测装置，其特征在于，包括箱体及安装在箱体内部的电源模块、光源及信息采集模块、数据处理及控制模块、数据传输模块、存储模块；电源模块为整个检测装置提供电力供应；光源及信息采集模块，摄像头自带光源，为信息采集模块提供所需的光照条件，摄像头对试纸拍照进行图像信息采集；数据处理及控制模块对图像信息进行读取，并对数据进行处理加工，并控制检测装置上其他模块的工作状态；数据传输模块与数据处理模块相连接，通过有线或无线的方式将检测装置的检测结果输出；存储模块用于存储系统处理的结果。

9.根据权利要求8所述的水质在线监测装置，其特征在于，箱体包括进排水系统、传动系统、以及过滤层；

进排水系统包括入水管、出水阀；

传动系统为卷有试纸的主动轴和从动轴，从动轴卷有未使用的试纸，主动轴通过摩擦力将使用过的试纸收起来；

过滤层将入水管的水进行过滤，以减小泥沙对检测结果的影响，所述过滤层设置在出水管和试纸之间。

10.根据权利要求8所述的水质在线监测装置，其特征在于，所述数据处理模块采用基于ARM Cortex-A8内核的嵌入式系统，对图像信息进行分析对比。

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