CN106596888A - 采用终端机和手机的网络水质检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水质检测技术领域，具体来说是一种采用终端机和手机的网络水质检测系统，包括网络、终端机、数据处理服务器和手机。其优点是：创造性地将数据获得与数据处理计算分为两个阶段，打破了该领域以往技术对算法限制；带有免费的定位，导航，温度，时间和录像功能，能确定检测的真实性；不同水质环境对检测结果的影响可以用数学方法修正改进；终端机和手机传输的是中间数据，数据包在传输过程中被他人获取也得不出水质检测的信息，保障了测试数据的公共安全；用一台数据处理服务器用于服务于成千个终端机，排除了个体仪器计算的差错，降低了90％的仪器成本，降低了对外国仪器的依赖程度，对满足现实需求、实现水质检测的覆盖具有积极意义。

Description

采用终端机和手机的网络水质检测系统

[技术领域]

本发明涉及水质检测技术领域，具体来说是一种采用终端机和手机的网络水质检测系统。

[背景技术]

自2009年起，在线水质检测以26％的增长率逐年递增，然而由于强调自动化，导致自动在线检测指标不多且准确性不高。而且我国有大江河7条，203条水系，有近几十万个水文站，虽然每年水质检测的站点在增加，但是整体的普及率仍然不高，而且需要进行水质检测的远远不止江河水系，生活污水、渔业水质、温泉水质、游泳池水质、农田灌溉水质、河道水质和雨水水质等都需要进行检测，然而目前检测站点和检测项次远远不够，这很大程度上是由于检测成本的制约。

2013年，我国已有地表水自动监测站1440个，投入为170万元/站，运行费为15万/站，兴建与运行费用到2015年为40亿，每年更新还需投入100万/站。而且现有的自动检测，无法排除水中离子彼此干扰，检测重金属很不准确。

对地表水和水源地的检测项次有109项，在2015年总的地表水测试费用达到了40亿元。有近1万个检测断面。当检测断面达到2万时，其年操作费用需要30亿/年。

地下水检测站有4110个，还没有实现在线监测，其检测的费用约为地表水的一半，估算为20亿元/年。

我国有水产养殖面积7300公顷。每公顷4个监测点，检测5个指标，每天一次，每指标花费20元，一年就是10亿/年。

2015年我国海岸线检测站仅50套，却需要检测3.2万公里海水。我国海岸线，有2万公里可以通行，按10公里一个监测点，每天测一次，每次20个指标，每指标20元，一年就是2.92亿/年。

自来水的检测项有100项，生活饮用水的检测项有106项。其中常规检测项为36项，费用3600元，大约￥100/检测项。

工业废水的检测项至少有45项，在2013年工业污水在线检测设备规模就达到了约3万套，寿命约为5年。全国3149个市县，19522各镇，国家及各省点名必须安装的企业7千多家。以全国四万套计，年运行费用以10万/台计，年花费达到40亿，这还不包括检测错误，检测中心验证的费用。

造成费用昂贵的原因在于，现有的水质检测装置将运算系统和水质分析仪本身集合在一起，即每一个水质分析仪都自带一套运算系统，这就需要将光学原理通过芯片微型化，而这种技术往往掌握不被我国所掌握，这就导致运算系统的成本非常高。如我国专利申请号:CN201510152119.5公开了一种水质检测系统、水质检测装置、移动终端和水质检测方法，其运算系统就是集成在水质检测装置中的，移动终端接收以及显示的都是经过运算后得到的最终水质结果。更不利的是，几乎所有的移动检测终端，都没有严格采用国家标准程序检测水质，大大地降低了准确度。而且对水检测仪器改进的各种投入，都集中在减小体积和减轻重量上，很少有投入是提高其精度的。这是水质检测成本增加的最根本原因。

而实际上传统的光学仪器虽然笨重，但其实其测值却更加精确，且其重量和体积是可以被优化的，而成本却远低于微型化的芯片。

因此，需要设计一种新型的水质检测系统，改变以往的从水质检测仪器中的数据库、软件和计算公式算出检测结果的检测方法，并将数据处理设备从水质检测仪中分离出来，置于后台的大型计算机中，用一台计算机掌控成千上万个水质监测终端机，统一运行，实现降低成本、方便检测，提高精度的目的。

[发明内容]

本发明的目的在于解决现有的不足，提供一种采用终端机和手机的网络水质检测系统，通过试剂包上的二维码或条形码以及终端机两个来源获取数据，并创造性地将数据获得与数据处理计算分为两个阶段，通过手机，将基本数据，即计算结果所需要的各变量而非最终结果，传输给数据处理服务器后再进行数据处理并得出结果。

为了实现上述目的，设计一种采用终端机和手机的网络水质检测系统，包括网络、若干台终端机、一台数据处理服务器和若干部手机，其特征在于：所有终端机只设有测量吸光度或透光率功能模块以及无线发射模块，终端机将所测吸光度或透光率以及终端机的唯一识别码通过无线发射模块传输给手机；吸光度或透光率以及终端机的唯一识别码，称为终端机信息，手机扫描二维码或条形码以获得包括所测物质、浓度范围、峰值波长和谷值波长数据,称为二维码信息；手机自有的定位、导航、温度、时间和录像信息，称为手机信息，将上述手机扫描所获的二维码信息和终端机发送到手机上的终端机信息以及手机信息打成数据包，通过网络发送至数据处理服务器的后台数据库；数据处理服务器中的软体将收到的数据包打开，归类并根据朗伯-比尔定律原理计算出被测物质的水质浓度。

所述的手机中包括定位、时间、导航、温度检测和视频录制功能模块；导航功能模块用于取得取水轨迹，每台终端机上设有区别于其他终端机的唯一识别码，是数据包的组成部分。

所述的试剂包上，或者其他订制的二维码、条形码信息含有后台运算，计算出水质浓度结果的数个变量，只有这些变量与终端机信息汇成一起，才能通过计算得出某一物质在本次水质检测中的浓度值：例如被测定的物质s，测定s所用标准试剂的测值的浓度范围为r，在此浓度范围内被测物质在吸光度-波长曲线的峰值或谷值的波长是p，如果用Cn表示该物质在水中的浓度，A为本次水质检测的吸光度或透光率，包括可用吸光度，透光率计算出的所有物理量，那么，Cn＝Y(s，r，p，A)，二维码信息提供了得出浓度的四个量中的三个，二维码信息的获取，由扫描完成，再由手机软件捕获到数据包中。

所述的终端机的唯一识别码和所测到的吸光度或透光率，或通过吸光度，透光率能计算出的非最终水质浓度数据，是数据包的组成部分，以蓝牙方式传递给手机，实现了终端机与手机的对话和信息共享。

所述的手机传递的是一个多维矢量数据包,多维矢量数据包是中间数据而并非最终的水质浓度值，只有后台将数据包打开运算后才出结果，手机中的软件完成数据包的制作，即将二维码信息和终端机信息以及手机信息获取后创建一个数据包，再通过网络传送到后台数据库。

所述的后台运行的数据处理服务器中的软体将收到的数据包打开，归类并根据朗伯-比尔定律原理计算出被测物质的水质浓度，A＝abc，其中A是吸光度，c是被测物质的水质浓度，b是装有测试样本的器皿厚度，a是c物质在不同浓度下的吸光系数，后台的指令也可以通过网络传到现场操作人员的手机上，让操作人员根据后台指令完成取水，加试剂，扫描，获取数据包，传送数据包的整个过程。

所述的终端机内部设有电源或外接电源，所有终端机信息还被保留在终端机的芯片中，所述的终端机与手机之间能通过无线或有线方式连接。

所述的数据处理服务器设有验证系统，验证系统用于验证手机传输至数据处理服务器的数据，验证不通过后反馈给手机。

所述的数据处理服务器计算出被测物质的水质浓度具体方法，但不限于此方法，如下：Y＝a_nX0+a_n-1X1+……₊aXn+B,其中X代表不同批次测试的吸光度，当被检测水体环境影响到检测结果时，将采用抽取最少原水样本进行按国家标准程序的化学分析，用数理统计分析中线性回归方法，重新计算被检测物质吸光度，从而得出更精确的结果。

所述的手机能替换或被替换成带无线发射模块的装置。

本发明同现有技术相比，组合结构简单可行，且保证检测精确度，其优点在于：

1.创造性地将数据获得与数据处理计算分为两个阶段，且数据的获取源于正本，即从终端机得到被测物质的光学信息；从特制二维码上获取试剂功能的信息，从手机上获取定位、导航、时间、温度等手机信息，使计算结果更精确，方法更统一，不同水质环境对检测结果的影响可以用数学方法修正改进，完全打破了以往数据输入和处理能力的限制，打破了该领域以往技术对算法限制；

2.带有免费的定位，导航，温度，时间和录像功能，能确定检测的真实性，且便于数据的管理；

3.终端机和手机传输的是中间数据，需经过计算才能得到最终的测试结果，即使数据包在传输过程中被他人获取也得不出水质检测的信息，有效地防止了信息的泄露，保障了测试数据的公共安全；

4.用一台数据处理服务器服务于成千上万个水质分析终端机，排除了个体仪器计算的差错，降低了90％的仪器成本，降低了对外国仪器的依赖程度，并可以将终端机推广到国外，对满足现实需求、实现水质检测的覆盖具有积极意义；

5.提高了设备效率，算出的数据更准确更廉价，为大数据服务提供了可行性，且可以大量国产化制造，为国家节约巨额外汇资金；

6.降低了测试成本和设备的瓶颈，能增加污水的检测机会和需求，为管控污染，提供了有效预警和决策依据；

7.将检测变为零误差的纯操作劳动，由任何普通人士承担，而将结果分析交给专业人士，使检测中心的分析管理职能更强，更具指导和监督性。

简言之，原有的水质检测仪是一台仪器装一套软体，而本发明的水质检测系统是千台，万台一套软体；原有的水质检测仪每台计算出的结果都有不同，如同在一个大商场里，人们用不同的货币和不同的度量衡交易，且不能轻易改进；而本发明的水质检测系统，如同统一货币与度量衡一样，还可以通过抽样检测改进结果，而且本发明的水质检测系统能够得到廉价和准确的数据，设备投入仅为现有设备的十分之一，且能调动成千设备终端，使启动大江大河的实时动态检测成为可行，也终止了重复进口国外高端设备的浪费同时保证了检测精确度，改正了原有水质检测仪计算上的以误传误封闭性和混杂无序的计算结果，对满足现实需求、实现水质检测的覆盖具有积极意义。

[附图说明]

图1是本发明采用终端机和手机的网络水质检测系统进行检测的工作流程示意图；

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作进一步说明，这种装置的结构和原理对本专业的人来说是非常清楚的。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

现有的检测都是从单一来源，即从水质检测仪获取浓度、检测对象以及吸光度波长三个值，并且在同一仪器中计算出结果。而本发明是从特制的二维码或条形码扫描获得检测对象和浓度，吸光度则从终端机上获得，是从不同来源获取相关数据，最终结果则是由远离终端机的后台服务器统一算出。

含有试剂功能的二维码或条形码信息，加上终端机提供的实测光学数据，能通过计算得出某一物质在本次水质检测中的浓度值，包括被测定的物质s，本试剂测值的浓度范围r，在此浓度范围内被测物质的吸光度与波长曲线的峰值或谷值时的波长p。如果用Cn表示该物质在水中的浓度，A为本次水质检测的吸光度，包括可用吸光度计算出的所有物理量，如透光率等，那么，Cn＝Y(s，r，p，A)。含有试剂功能信息的二维码或条形码信息的获取，由手机，或者带有蓝牙和无线收发功能的设备扫描完成，再由手机，或者带有蓝牙和无线收发功能的设备中的相应软件捕获到数据包中。

首先，通过手机获得包括定位、时间、温度、视频和通过导航功能获得的取水轨迹的信息，通过扫描获得的试剂包上印制的二维码获得二维码信息，包括所测物质，浓度范围，峰值和谷值的波长，以及蓝牙从终端机传递到手机或者带有蓝牙和无线收发功能的设备所测得的终端机信息，即吸光度，透光度等与吸光度有数理关系的数值。手机中的软件将三股信息打成数据包。

然后，数据包通过手机无线网络功能传递到后台数据处理服务器。手机传递的不是水质浓度最终结果，而是一个可解析为多个变量，并通过这些变量能计算出最终结果的多维矢量数据包。这样可以保证公共信息在没有得到系统地，全面地认证之前，不会被泄露。即使数据包被人解读也得不出水质检测的信息，只有后台将数据包打开运算后才出结果。在此，手机只是“通道”，不能储存或保留数据，数据保留在后台的数据库以及终端机的芯片中。

数据处理服务器将收到的数据包打开，归类并根据朗伯-比尔定律计算出被测物质的水质浓度。其原理是利用溶液中某物质对特定化合物的显色反应，使被检测水样本溶液呈某种颜色，再利用被染色溶液的吸光性质，得出其吸光度：A＝abc，其中A是吸光度，c是被测物质的水质浓度，b是装有测试样本的器皿厚度，a是吸光系数。各种物质在不同浓度下的吸光系数，能通过实验获得，并能根据特殊水体进行校正。后台的指令也可以通过无线网络传到现场操作人员的手机上，让操作人员根据后台指令操作取水，加试剂，扫描，获取数据包，传送数据包的整个过程。

在这整个过程中，操作者的手机既是终端机的显示屏，也是数据传送中枢，又是检测结果免费补充信息的提供者。部分用于野外的终端机可不设电源，它们能用太阳能电源或野外水质取样汽车(相当于流动的工作站)的电源供电。所有取得的数据，除传送给后台数据库外，还被保留在终端机的芯片中，以备查验。

实施例2

首先，在现场取一升原水。手机定位与导航以及检测设备-终端机的唯一识别码组成了本次检测的手机信息。在手机软件“Water”发出“绑定”指令后，终端机的唯一识别码信息由蓝牙从终端机传到手机。

本次检测按照国家标准检测程序检测铝离子。手机扫描测试铝离子的标准试剂包上的二维码，从而得到：检测物质铝离子，检测浓度范围是0-0.8每毫克升，波峰值是522纳米。现场操作人员将试剂倒入被检测水中，进行作色反应，并将作色后的溶液倒入标准器皿中，插入终端机，按标准程序操作。从终端机测出的吸光度值为X1。操作员在手机订制软件“Water”界面上按下上传指令，并通过手机将波峰522数值、手机信息、二维码信息和终端机信息打包由无线网络传到后台服务器。后台操作人员认证，接收到的522峰值与服务器中预先储存的铝离子在此浓度范围峰值一致时才进行计算，算出铝离子浓度。如若出现不一致，说明现场在检测时，可能没有将终端机调到522峰值，后台操作员可以通过指令提醒现场操作人员更正。其他物质的检测过程与操作程序与此次测铝离子雷同。之所以检测不同水样是为了证明检测的正确性，正式检测无需多个水样检测。后台服务器运算的结果见下表：

参见表1，是本发明系统对水质铝离子进行检测得出的结果，并与仪器法标准检测得出的值进行对比。

表1

实施例3

参见表3，是本发明系统对水质中六价铬进行检测得出的结果，所用试剂包如表2所示。

表2

表3

实施例4

参见表5，是本发明系统对水质铜离子进行检测得出的结果，所用试剂包如表4所示。

表4

表5

实施例5

参见表7，是本发明系统对水质镍离子进行检测得出的结果，所用试剂包如表6所示。

表6

表7

实施例6

参见表9，是本发明系统对水质锌离子进行检测得出的结果，所用试剂包如表8所示。

表8

表9

实施例7

参见表10，是本发明系统对水质氟化物进行检测得出的结果。

表10

实施例8

参见表12，是本发明系统对水质锌离子进行检测得出的结果，所用试剂包如表11所示。

表11

表12

实施例9

参见表14，是本发明系统对水质氯化物进行检测得出的结果，所用试剂包如表13所示。

表13

表14

实施例10

参见表16，是本发明系统对水质硫化物进行检测得出的结果，所用试剂包如表15所示。

表15

表16

实施例11

参见表18，是本发明系统对水质总磷酸盐进行检测得出的结果，所用试剂包如表17所示。

表17

表18

实施例12

参见表20，是本发明系统对水质硝氮进行检测得出的结果，所用试剂包如表19所示。

表19

表20

实施例13

参见表22，是本发明系统对水质氨氮进行检测得出的结果，所用试剂包如表21所示。

表21

表22

实施例14

参见表24，是本发明系统对水质COD进行检测得出的结果，并与仪器法标准检测得出的值进行对比，所用试剂包如表23所示。

表23

表24

实施例15

参见表26，是本发明系统对水质挥发酚进行检测得出的结果，并与仪器法标准检测得出的值进行对比，所用试剂包如表25所示。

表25

表26

实施例16

参见表28，是本发明系统对水质苯胺进行检测得出的结果，并与仪器法标准检测得出的值进行对比，所用试剂包如表27所示。

表27

表28

实施例17

参见表30，是本发明系统对水质TOC进行检测得出的结果，并与仪器法标准检测得出的值进行对比，所用试剂包如表29所示。

表29

表30

Claims (10)

1.一种采用终端机和手机的网络水质检测系统，包括网络、若干台终端机、一台数据处理服务器和若干部手机，其特征在于：所有终端机只设有测量吸光度或透光率功能模块以及无线发射模块，终端机将所测吸光度或透光率以及终端机的唯一识别码通过无线发射模块传输给手机，吸光度或透光率以及终端机的唯一识别码，称为终端机信息；手机扫描二维码或条形码以获得包括所测物质、浓度范围、峰值波长和谷值波长数据,称为二维码信息；手机自有的定位、导航、温度、时间和录像信息，称为手机信息，将上述手机扫描所获的二维码信息和终端机发送到手机上的终端机信息以及手机信息打成数据包，通过网络发送至数据处理服务器的后台数据库；数据处理服务器中的软体将收到的数据包打开，归类并根据朗伯-比尔定律原理计算出被测物质的水质浓度。

2.如权利要求1所述的一种采用终端机和手机的网络水质检测系统，其特征在于手机中包括定位、时间、导航、温度检测和视频录制功能模块；导航功能模块用于取得取水轨迹，每台终端机上设有区别于其他终端机的唯一识别码，是数据包的组成部分。

3.如权利要求1所述的一种采用终端机和手机的网络水质检测系统，其特征在于试剂包上，或者其他订制的二维码、条形码信息含有后台运算，计算出水质浓度结果的数个变量，只有这些变量与终端机信息汇成一起，才能通过计算得出某一物质在本次水质检测中的浓度值：例如被测定的物质s，测定s所用标准试剂的测值的浓度范围为r，在此浓度范围内被测物质在吸光度-波长曲线的峰值或谷值的波长是p，如果用Cn表示该物质在水中的浓度，A为本次水质检测的吸光度或透光率，包括可用吸光度，透光率计算出的所有物理量，那么，Cn＝Y(s，r，p，A)，二维码信息提供了得出浓度的四个量中的三个，二维码信息的获取，由扫描完成，再由手机软件捕获到数据包中。

4.如权利要求1所述的一种采用终端机和手机的网络水质检测系统，其特征在于终端机的唯一识别码和所测到的吸光度或透光率，或通过吸光度，透光率能计算出的非最终水质浓度数据，是数据包的组成部分，以蓝牙方式传递给手机，实现了终端机与手机的对话和信息共享。

5.如权利要求1所述的一种采用终端机和手机的网络水质检测系统，其特征在于手机传递的是一个多维矢量数据包,多维矢量数据包是中间数据而并非最终的水质浓度值，只有后台将数据包打开运算后才出结果，手机中的软件完成数据包的制作，即将二维码信息和终端机信息以及手机信息获取后创建一个数据包，再通过网络传送到后台数据库。

6.如权利要求1所述的一种采用终端机和手机的网络水质检测系统，其特征在于后台运行的数据处理服务器中的软体将收到的数据包打开，归类并根据朗伯-比尔定律原理计算出被测物质的水质浓度，A＝abc，其中A是吸光度，c是被测物质的水质浓度，b是装有测试样本的器皿厚度，a是c物质在不同浓度下的吸光系数，后台的指令也可以通过网络传到现场操作人员的手机上，让操作人员根据后台指令完成取水，加试剂，扫描，获取数据包，传送数据包的整个过程。

7.如权利要求1所述的一种采用终端机和手机的网络水质检测系统，其特征在于终端机内部设有电源或外接电源，所有终端机信息还被保留在终端机的芯片中，所述的终端机与手机之间能通过无线或有线方式连接。

8.如权利要求1所述的一种采用终端机和手机的网络水质检测系统，其特征在于所述的数据处理服务器设有验证系统，验证系统用于验证手机传输至数据处理服务器的数据，验证不通过后反馈给手机。

9.如权利要求1所述的一种采用终端机和手机的网络水质检测系统，其特征在于数据处理服务器计算出被测物质的水质浓度具体方法，但不限于此方法，如下：Y＝a_nX0+a_n-1X1+……₊aXn+B,其中X代表不同批次测试的吸光度，当被检测水体环境影响到检测结果时，将采用抽取最少原水样本进行按国家标准程序的化学分析，用数理统计分析中线性回归方法，重新计算被检测物质吸光度，从而得出更精确的结果。

10.如权利要求1-9任一所述的一种采用终端机和手机的网络水质检测系统，其特征在于所述的手机能替换或被替换成带无线发射模块的装置。