CN105954204A - 一种基于射频识别的光学特性水质监控系统 - Google Patents

一种基于射频识别的光学特性水质监控系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于射频识别的光学特性水质监控系统，包含数据采集终端以及与其连接的数据监控终端，所述数据采集终端包含光谱辐射仪、水下光谱仪、水体吸收/衰减测量仪、水体后向散射测量仪、紫外可见分光光度计、模数转换电路、放大电路、控制器模块、数据传输模块、电源模块；所述数据监控终端包含存储器模块、显示模块、时钟模块、处理器模块、射频识别模块，本发明集多功能的各仪器设备检测于一体，一台仪器能检测多种参数，应用方便，有效的避免因各仪器设备数据的处理相互独立，难以实现数据之间的相互校核与关联，数据处理的效率低且易出错，无法满足大量实测光学数据的处理问题。

Description

一种基于射频识别的光学特性水质监控系统
技术领域
本发明涉及一种水质采集处理系统，尤其涉及一种基于射频识别的光学特性水质监控系统，属于水质检测领域。
背景技术
养殖用水由于受到人类活动以及其它因素的影响，造成进入水体的物质超过了水体自净能力，导致水质恶化，影响到水体用途。其中主要的污染物有：重金属污染物，非金属无机有毒污染物，有毒有机物，耗氧有机物，酸、碱污染物，这些都会严重影响养殖业的发展。鉴于此，业界开发了多种水质检测设备，但是此类设备的综合检测能力往往不足，检测参数
较为单一，且数据不利于传送。
水质监测是水质评价与水污染防治的主要依据，随着水体污染问题的日渐严重，水质监测成为社会经济可持续发展必须解决的重大问题。因此，快捷准确的水质监测就显得尤为重要。遥感技术的出现和发展，给水质的监测评价提供了新的机遇与选择。水环境遥感是以遥感技术为依托，通过分析水体反射、吸收和散射太阳辐射能而形成的光谱特征与水质参数浓度之间的关系，建立水质参数反演算法实现的。利用卫星遥感信息进行大面积范围内水体重要污染物质的空间分布及动态的定量分析，能够在一定程度上弥补常规采样观测时空间隔大且费时费力的缺陷和困难，可以反映水质在空间和时间上的分布和变化情况，发现一些常规方法难以揭示的污染源和污染物迁移特征，具有监测范围广、速度快、成本低和便于进行长期动态监测的优势。因此，应用遥感技术进行水质机理研究，进而研究水资源的合理利用和保护，已引起各国的日益关注，成为当前国际、国内遥感界的研究热点和难点之一。
目前，国内拥有该类仪器设备的科研院所、高等院校等也不断增加，如中国科学院遥感所、国家海洋研究所、南海海洋研究所、南京地理与湖泊研究所、武汉大学、华东师范大学、南京大学、盐城师范学院等多家单位都已拥有该类测量设备，但是，由于不同设备由不同厂家生产，其波谱分辨率、响应函数等都有很大差别，并且仪器直接测量的数据往往需要经过处理和转换之后才能作为具有光学意义的光谱存放入波谱数据库中。目前几乎没有专业、通用的软件系统来处理其实测数据。研究者通常使用仪器自带的软件对实测信号预处理转换成具有光学意义的光谱信号之后，结合如 SPSS、EXCEL 等数学统计软件进行数据处理。部分研究者出于自身需要，针对某一仪器数据、某一水质参数的算法等开发了只适用于某研究、甚至某个数据处理流程需要的功能模块，这些功能模块各自互不兼容，不成体系，多数只是将单个的模型算法计算机程序化。因此，各仪器设备数据的处理相互独立，难以实现数据之间的相互校核与关联，数据处理的效率低且易出错，无法满足大量实测光学数据的处理问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种基于射频识别的光学特性水质监控系统。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案
一种基于射频识别的光学特性水质监控系统，包含数据采集终端以及与其连接的数据监控终端，所述数据采集终端包含光谱辐射仪、水下光谱仪、水体吸收/衰减测量仪、水体后向散射测量仪、紫外可见分光光度计、模数转换电路、放大电路、控制器模块、数据传输模块、电源模块，所述光谱辐射仪、水下光谱仪、水体吸收/衰减测量仪、水体后向散射测量仪、紫外可见分光光度计分别依次通过模数转换电路、放大电路连接控制器模块，所述数据传输模块、电源模块分别连接在控制器模块相应端口上；所述数据监控终端包含存储器模块、显示模块、时钟模块、处理器模块、射频识别模块，所述存储器模块、显示模块、时钟模块、第二数据传输模块分别与处理器模块连接；
所述射频识别模块包括一整流稳压电路，所述整流稳压电路包含耦合电路、限幅检测电路、限幅泄流电路、稳压电路；所述耦合电路、限幅检测电路、限幅泄流电路依次连接，所述稳压电路分别与限幅泄流电路、稳压电路连接，所述耦合电路用于将输入信号耦合到射频识别模块上；所述限幅检测电路用于检测整流后的电压幅度；所述限幅泄流电路用于泄放多余的电流；所述稳压电路用于进行稳压处理进而输出稳定的电源电压。
作为本发明一种基于射频识别的光学特性水质监控系统的进一步优选方案，所述光谱辐射仪采用HydroRad高光谱辐射仪。
作为本发明一种基于射频识别的光学特性水质监控系统的进一步优选方案，所述水下光谱仪采用RAMSES-ARC 水下光谱仪。
作为本发明一种基于射频识别的光学特性水质监控系统的进一步优选方案，所述水体吸收/衰减测量仪采用AC-S水体光吸收-衰减测量仪。
作为本发明一种基于射频识别的光学特性水质监控系统的进一步优选方案，所述水体后向散射测量仪采用HydroScat-6P水体后向散射测量仪。
作为本发明一种基于射频识别的光学特性水质监控系统的进一步优选方案，所述紫外可见分光光度计采用1901系列紫外可见分光光度计。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明集多功能的各仪器设备检测于一体，一台仪器能检测多种参数，应用方便，二是方便测量信号的统一引出处理，三是提高了水质的分析精度，另外也大大提高了的性价比；有效的避免因各仪器设备数据的处理相互独立，难以实现数据之间的相互校核与关联，数据处理的效率低且易出错，无法满足大量实测光学数据的处理问题。
2、本发明还设有时钟模块和数据存储模块，通过数据存储模块实时存储微控制器模块发送检测指令并处理水质的各项检测参数，通过时钟模块实时记录存储时间，有效地避免因仪器故障带来的数据丢失。
附图说明
图1是本发明结构框图；
图2是本发明数据采集终端结构图；
图3是本发明数据监控终端结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，一种基于射频识别的光学特性水质监控系统，包含数据采集终端以及与其连接的数据监控终端；
如图2所示，所述数据采集终端包含光谱辐射仪、水下光谱仪、水体吸收/衰减测量仪、水体后向散射测量仪、紫外可见分光光度计、模数转换电路、放大电路、控制器模块、数据传输模块、电源模块，所述光谱辐射仪、水下光谱仪、水体吸收/衰减测量仪、水体后向散射测量仪、紫外可见分光光度计分别依次通过模数转换电路、放大电路连接控制器模块，所述数据传输模块、电源模块分别连接在控制器模块相应端口上；所述光谱辐射仪、水下光谱仪、水体吸收/衰减测量仪、水体后向散射测量仪、紫外可见分光光度计分别将采集的信息参数传输至控制器模块经过第一数据传输模块传输至数据处理终端；
如图3所示，所述数据监控终端包含存储器模块、显示模块、时钟模块、处理器模块、射频识别模块，所述存储器模块、显示模块、时钟模块、射频识别模块分别与处理器模块连接。所述处理器模块用于将处理结果通过数据存储模块进行存储，时钟模块用于实时记录存储时间；所述射频识别模块包括一整流稳压电路，所述整流稳压电路包含耦合电路、限幅检测电路、限幅泄流电路、稳压电路；所述耦合电路、限幅检测电路、限幅泄流电路依次连接，所述稳压电路分别与限幅泄流电路、稳压电路连接，所述耦合电路用于将输入信号耦合到射频识别模块上；所述限幅检测电路用于检测整流后的电压幅度；所述限幅泄流电路用于泄放多余的电流；所述稳压电路用于进行稳压处理进而输出稳定的电源电压。
所述数据采集终端与数据处理终端通过无线网络连接，所述光谱辐射仪采用HydroRad高光谱辐射仪，所述水下光谱仪采用RAMSES-ARC 水下光谱仪，所述水体吸收/衰减测量仪采用AC-S水体光吸收-衰减测量仪，所述水体后向散射测量仪采用HydroScat-6P水体后向散射测量仪，所述紫外可见分光光度计采用1901系列紫外可见分光光度计，所述控制器模块和处理器模块均采用AVR系列单片机，所述第一数据传输模块和第二数据传输模块均采用GPRS无线数据传输模块。
其中所述光谱辐射仪、水下光谱仪、水体吸收/衰减测量仪、水体后向散射测量仪、紫外可见分光光度计的具体工作如下：
光谱辐射仪，所述光谱辐射仪采用HydroRad高光谱辐射仪：通过观测获得水面光谱数据，包括仪器对着水面测量获得的测量值、仪器对着天空测量获得的测量值、仪器正对着遮挡太阳直射光前后的漫反射参考板测量获得的测量值；利用光谱辐射仪获取的数据，计算导出水面总入射辐照度、离水辐亮度、遥感反射率、刚好位于水面以下的辐照度比；在水体中进行长时间光学测量的一个难点是生物污染，通常仪器在一段时间后就会有藻类等生物覆盖在仪器表面，特别是光学仪器，只要在镜头上有东西附着就会产生测量误差。HOBILabs公司为方便水下光谱长期测量的，在HydroRad的基础上增加了HydroShutter-HR防污系统。HydroShutter-HR防污系统专门用于光纤型HydroRad光学传感器以及HydroRad-ES1，铜质快门覆盖于传感器表面，通过电动控制防护镜头，在每次采样前，快门自动打开，采样完成后，快门旋转覆盖传感器，从而使传感器能够在水下进行长时间的测量而不被浮游生物污染。
水下光谱仪，用于观测获取水表面和水表面以下不同深度的上行辐亮度、下行辐照度；
利用水下光谱仪获取的数据，计算导出漫衰减系数、归一化离水辐亮度、水表面以下辐照度比、以及水表面以下遥感反射率；RAMSES-ARC 水下光谱仪：RAMSES系列传感器采集目标光谱信息，通过分析光谱文件，从中取得与研究目标相关的光谱信息与测量数据。该仪器为精确的高光谱分析应用提供极大方便。可测量辐照度和辐亮度，可用于水中测量，也可用于空气中测量。 特点：辐照度和辐亮度测量，传感器式设计，低功耗，体积小，应用范围广，精度高，空气和水中校准，模块化系统，最新的纳米涂层技术；
水体吸收/衰减测量仪，用于测量水体吸收系数和衰减系数，并对所测数据进行温度、盐度校正，以及散射校正；本发明所述水体吸收/衰减测量仪采用AC-S水体光吸收-衰减测量仪，AC-S水体固有光学特性测量仪是由美国WET Labs公司生产的能同时测量水体衰减系数和吸收系数的高光谱仪器。该仪器提供4nm的光谱分辨率，400-720nm的光谱测量范围。仪器采用双路径结合两个氩气填充的白炽灯泡，经过一个旋转扫描的线性可变滤波器来得到分散光谱。光经过10CM或25CM的水体传播后，分别由狭窄的孔径接收器与大面积探测器来接收得到衰减系数和吸收系数。
水体后向散射测量仪，用于测量后向散射系数，并将仪器获取的信号值转化为具有光学意义的参数值，进而计算水体颗粒物的后向散射系数和总后向散射系数；进而优化生物光学模型参数，以准确模拟水面遥感反射率；HydroScat-6(以下简称HS-6)是世界上第一款商业化的多光谱后向散射仪，能同时测量后向散射和荧光，是迄今为止唯一一款能提供6个波长后向散射的仪器。HS-6在推向市场的10余年间，一直以其稳健卓越的性能和高灵敏度、高可靠性享誉业界。HS-6设备齐全，自身带有完整的嵌入式控制器，数据储存单元及充电电池。由美国HOBI Labs公司自主研发的基于windows平台的软件-HydroSoft功能十分强大，可用于仪器的标定、测量数据的校正，确保测量的准确性。
紫外可见分光光度计，用于测量水体组分的吸收光学特性，包括悬浮颗粒物吸光度、非藻类悬浮颗粒物吸光度、有色可溶性有机物吸光度以及叶绿素吸光度，并对原始数据进行校正处理；利用著名的QAA模型，进行光学闭合检验，优化参数，输出更加准确的参数值，并最终模拟输出水面遥感反射率。紫外可见分光光度计是一种历史悠久、覆盖面很广、使用很多的分析仪器，在有机化学、生物化学、药品分析、食品检验、医药卫生、环境保护、生命科学等各个领域的科研、生产工作中都得到了极其广泛的应用。
北京普析通用仪器有限责任公司作为分析仪器的专业制造企业，多年的紫外分光光度计设计和制造经验在TU1901系列上得到了更充分地体现。TU-1901、TU-1900紫外可见分光光度计系列产品以其出色的技术指标和稳定可靠的工作特性，友好直观的显示界面，流畅的人机对话操作，成功实现了超高精度和可靠性测量的严格要求，能极大地满足最专业用户分析工作需要。
综上所述，本发明集多功能的各仪器设备检测于一体，一台仪器能检测多种参数，应用方便，二是方便测量信号的统一引出处理，三是提高了水质的分析精度，另外也大大提高了的性价比；有效的避免因各仪器设备数据的处理相互独立，难以实现数据之间的相互校核与关联，数据处理的效率低且易出错，无法满足大量实测光学数据的处理问题。
本发明还设有时钟模块和数据存储模块，通过数据存储模块实时存储微控制器模块发送检测指令并处理水质的各项检测参数，通过时钟模块实时记录存储时间，有效地避免因仪器故障带来的数据丢失。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种基于射频识别的光学特性水质监控系统，其特征在于：包含数据采集终端以及与其连接的数据监控终端，所述数据采集终端包含光谱辐射仪、水下光谱仪、水体吸收/衰减测量仪、水体后向散射测量仪、紫外可见分光光度计、模数转换电路、放大电路、控制器模块、数据传输模块、电源模块，所述光谱辐射仪、水下光谱仪、水体吸收/衰减测量仪、水体后向散射测量仪、紫外可见分光光度计分别依次通过模数转换电路、放大电路连接控制器模块，所述数据传输模块、电源模块分别连接在控制器模块相应端口上；所述数据监控终端包含存储器模块、显示模块、时钟模块、处理器模块、射频识别模块，所述存储器模块、显示模块、时钟模块、第二数据传输模块分别与处理器模块连接；
所述射频识别模块包括一整流稳压电路，所述整流稳压电路包含耦合电路、限幅检测电路、限幅泄流电路、稳压电路；所述耦合电路、限幅检测电路、限幅泄流电路依次连接，所述稳压电路分别与限幅泄流电路、稳压电路连接，所述耦合电路用于将输入信号耦合到射频识别模块上；所述限幅检测电路用于检测整流后的电压幅度；所述限幅泄流电路用于泄放多余的电流；所述稳压电路用于进行稳压处理进而输出稳定的电源电压。
2.根据权利要求1所述的一种基于射频识别的光学特性水质监控系统，其特征在于：所述光谱辐射仪采用HydroRad高光谱辐射仪。
3.根据权利要求1所述的一种基于射频识别的光学特性水质监控系统，其特征在于：所述水下光谱仪采用RAMSES-ARC 水下光谱仪。
4.根据权利要求1所述的一种基于射频识别的光学特性水质监控系统，其特征在于：所述水体吸收/衰减测量仪采用AC-S水体光吸收-衰减测量仪。
5.根据权利要求1所述的一种基于射频识别的光学特性水质监控系统，其特征在于：所述水体后向散射测量仪采用HydroScat-6P水体后向散射测量仪。
6.根据权利要求1所述的一种基于射频识别的光学特性水质监控系统，其特征在于：所述紫外可见分光光度计采用1901系列紫外可见分光光度计。
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