CN107957357A - 一种排水管道水质自动采样方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种排水管道水质自动采样装置，包括水质监测中心，包括总控制器、与总控制器相连的第一数据处理单元和本地服务器，多个水质采样节点。其中，每个水质采样节点包括采样控制箱、后台控制器和第二数据处理单元，采样控制箱包括多模式通信适配器、电源、GPS定位器和单片机，还设有检测单元，检测单元包括涡流传感器、水样采集模块和水质监测模块。本发明通过划分区域分布水质采样节点和采样控制箱，将信息分块采集，分块处理，不仅能够快速采样，而且采集的信息不会错乱，检修更换元件时能够精准定位，能够通过多次采集混合采样、定时采样、触发采样和网络采样四种方式对水样进行采集，采集方式多样化，实用性更强。

Description

一种排水管道水质自动采样方法及装置

技术领域

本发明涉及水质采样检测领域，特别涉及一种排水管道水质自动采样方法及装置。

背景技术

众所周知，排水管道因为其受限空间、小型化和集成化等众多原因，在水质采集检测实施时比较困难，但是随着社会的发展，污水排放要求越来越严格，建立智能监控的污水检测系统越来越迫切，但是却没有一个高效便捷的系统能够快速精确检测排水管水质。

目前排水管道水质监测的方式，一是由工作人员携带监测仪器，监测时把仪器探头从井口插入排水管道，这种方式不但操作不便，而且难于对管道水质进行深入内部的监测。另一种解决方案是在排水管道内部安装水质采样传感器，然后通过无线通信技术将采样的水质数据发送给接收端，水质采样传感器采用定期抽样的方式执行监测，不工作时则进入待机状态。但是，排水管道的排水过程历时短暂，水量变化幅度大、水流速度变化剧烈，水流高峰时可以充满整个管道断面且流速很快，但大部分时间内管道内可能没有水，单纯依靠定时抽样监测，难以保证定时抽样时间与管道排水时间完全吻合，因此无法实现良好可靠的监测效果。另外，定时采样频率的设定目前也基本凭借经验来设定，一套系统当中每个节点都采取相同的频率，可能有的节点采样频率过高而造成了不必要的功率消耗，导致电池很容易耗尽，而排水管道节点更新电池又非常不便，也有一部分节点采样频率过低，不能很好反映该节点处水质的深度变化，从功耗和采样效果两方面来看都没有达到最优化。

因此，发明一种排水管道水质自动采样方法及装置来解决上述问题很有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种排水管道水质自动采样方法及装置，以解决上述背景技术中提出的问题，即如何使水质采样节点的采样时间点与排水管道内部水流状态相匹配，并且科学精确、低功耗、高可靠性地设定节点定时采样的时间频率，以及如何实现采样数据的上传、分析与整个系统海量节点的有效管理控制。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种排水管道水质自动采样装置，包括：

水质监测中心，用于对一定地理范围内的水质采样节点进行总体控制，对水质数据进行汇总存储，以及进行水质数据分析并进行分析结果的图表化展示；所述水质监测中心包括总控制器、与所述总控制器相连的第一数据处理单元和本地服务器；其中，总控制器用于对地理范围内分布的每个水质采样节点下达水质采样的控制命令，以及接收由各个水质采样节点上传的水质数据、节点位置的定位信息以及采样时间点；总控制器接收的水质数据、定位信息经处理后发送给本地服务器；本地服务器与云端服务器通信连接，将获取的水质数据以及节点位置的定位信息上传至云端服务器；并且本地服务器还连接第一数据处理单元，由第一数据处理单元对水质数据进行存储、数据分析判断以及图表显示；

多个水质采样节点，与所述水质监测中心相连，包括采样控制箱、后台控制器和第二数据处理单元；其中，每个水质采样节点的采样控制箱用于进行本节点的供电、定位、采样以及多模式通信，所述采样控制箱包括多模式通信适配器、电源、GPS定位器和单片机，并且设有检测单元，所述检测单元包括涡流传感器、水样采集模块和水质监测模块；水质采样节点的水质数据、水流量数据、单次采样水量以及定位信息经后台控制器接收；所述后台控制器与所述第二数据处理单元和所述总控制器进行通信；后台控制器将每个水质采样节点的水质数据、水流量数据和定位信息上传至总控制器，并且从总控制器接收水质采样的控制命令，将该水质采样的控制命令通过多模式通信传输给采样控制箱进行执行；所述后台控制器还将水质数据、水流量数据以及定位信息传输给第二数据处理单元，由第二数据处理单元对水质数据进行存储以及数据分析判断。

在一个示例性实施例中，其中，所述涡流传感器持续监测管道水流量，将水流量信号发送给单片机；单片机判断该信号与水流量阈值的大小，当大于水流量阈值时发出触发采样信号，控制水样采集模块从管道水流中采集水样，并且控制水质监测模块对水样水质进行检测；并且单片机记录下每次触发采样的触发采样时间；单片机将水质数据、水流量数据以及触发采样时间通过多模式通信适配器发送给后台控制器。

在一个示例性实施例中，本地服务器接收云端服务器送的网络采样指令后，通过总控制器将网络采样指令发送给后台控制器，后台控制器将网络采样指令发送给单片机，单片机控制水样采集模块从管道水流中采集水样，并且控制水质监测模块对水样水质进行检测；单片机将检测获得的水质数据通过多模式通信适配器发送给后台控制器。

在一个示例性实施例中，后台控制器接收总控制器发出定时采样信号，并发送给单片机，单片机响应定时采样信号，控制水样采集模块从管道水流中采集水样，并且控制水质监测模块对水样水质进行检测，检测后获取的数据经A/D转换器转换后发送给单片机，单片机将水质数据通过多模式通信适配器发送给后台控制器。

在一个示例性实施例中，其中，所述水质采样节点上进一步设有红外传感器、摄像头、报警器和触摸显示屏，所述红外传感器、摄像头、报警器和触摸显示屏均与后台控制器电性连接。

在一个示例性实施例中，其中，所述多模式通信适配器包括GSM、433短距离通讯和NB-IOT三种通讯方式。

在一个示例性实施例中，其中，水样采集模块包括：水泵、电磁阀、采样瓶、称重传感器；每次采样触发后，根据预设的采集水样重量阈值和本次使用的采样瓶编号，单片机向指定采样瓶对应连接的电磁阀发送开启指令，启动水泵进行采样，采样瓶下的称重传感器持续检测采样的水量变化，将重量变化信号发送给单片机；单片机判断该重量变化信号与采集水量重量阈值的大小，当大于等于采集水量重量阈值时关闭水泵和电磁阀，并向后台控制器发送采样成功信号；如果采样超时，单片机向后台控制器发送采样失败信号；并且单片机记录下每次触发采样的触发采样时间和结束采样时间。

在一个示例性实施例中，其中，所述水质监测模块对水样采集模块采集到采样瓶内的水样水质进行自动监测，获取水质数据；并且所述水质监测模块设置一种或多种类型水质指标的超标阈值，当水质数据超过所述超标阈值，则所述水质监测模块向后台控制器发送水质超标警报。进一步优选的是，所述水质监测模块包括pH监测仪、COD监测仪、SS监测仪、氨氮检测仪、石油类检测仪和BOD5检测仪，所述pH监测仪、COD监测仪、SS监测仪、氨氮检测仪、石油类检测仪和BOD5检测仪均包括水质探头。

在一个示例性实施例中，所述第二数据处理单元包括节点数据存储模块、节点数据分析模块以及反馈设置模块；所述节点数据存储模块从后台控制器获得采样控制箱每次进行采样所获得的水质数据、水流量数据以及采样时间点，并且存储记录了每次采样的水质数据、水流量数据和采样时间点的采样记录；所述节点数据分析模块从所述节点数据存储模块获得所存储的采样记录，对每次采样的水质数据、水流量数据和采样时间点进行分析；节点数据分析模块根据采样记录分析本节点的水流量变化规律以及水质变化规律，确定触发本节点执行水质采样的水流量阈值；所述反馈设置模块从节点数据分析模块获取该水流量阈值，并将该水流量阈值发送至后台控制器。

在一个示例性实施例中，所述第一数据处理单元包括区域数据存储模块、区域数据分析模块、图表显示模块和数据库；所述区域数据存储模块用于存储由各个水质采集节点所收集的水质数据、定位信息以及采样时间点；所述区域数据分析模块用于分析各个节点采集的上述数据，根据各节点的水质数据相似度以及节点位置分布，将全部节点合并为若干的监测区域，并且为每个监测区域确定定时采样的频率；所述数据库为每个监测区域记录其平均水质数据以及采样时间，并且将平均水质数据与数据库中预存的标准水质数据进行对比，判别出采样结果是否符合排水标准；所述图表显示模块用于将数据分析判断模块分析处理后的监测区域水质数据转换成文字或制成表格和图像。

本发明实施例还提供一种排水管道水质自动采样方法，包括：

每个水质采样节点的后台控制器接收总控制器发出的定时采样信号，并发送给本节点采样控制箱；采样控制箱的单片机根据定时采样信号，控制水样采集模块从管道水流中采集水样，并且控制水质监测模块对水样水质进行检测；水质监测模块获取检测信号后，进行A/D转换并发送给单片机；单片机根据水质监测模块的检测结果生成水质数据，并且基于多模式通信将水质数据、单次采样水量传输至后台控制器；和/或

涡流传感器持续检测排水管道的水流量；当涡流传感器检测到水流量达到一定阈值以上时，发送触发采样信号给单片机；单片机响应触发采样信号，水样采集模块从管道水流中采集水样，并且控制水质监测模块对水样水质进行检测；单片机将触发采样时间以及水质数据、单次采样水量基于多模式通信上传给后台控制器；和/或

本地服务器接收云端服务器发送的采样指令，并通过总控制器将采样指令发送给水质采样节点的后台控制器，后台控制器将采样指令发送给本节点采样控制箱的单片机，单片机控制水样采集模块从管道水流中采集水样，并且控制水质监测模块对水质进行检测；单片机根据水质监测模块的检测结果生成水质数据，并且基于多模式通信将水质数据、单次采样水量传输至后台控制器；

后台控制器获得采样控制箱每次采样后上传的水质数据，对于触发采样还获得所述触发采样时间，后台控制器将这些数据经第二数据处理单元处理后，发送给总控制器；

总控制器接收每个水质采样节点的后台控制器发送的水质数据，经第一数据处理单元对水质数据进行分析处理后，将水质数据发送给本地服务器，最后通过本地服务器上传至云端服务器。

本发明的技术效果和优点：通过划分区域分布水质采样节点和采样控制箱，将信息分块采集，分块处理，不仅能够检测出水质排放不达标的位置，而且采集的信息不会错乱，检修更换元件时能够精准定位，装置使用寿命长，水质监测不会受到影响，能够通过定时采样、触发采样和网络采样三种方式对水质进行检测，检测方式多样化，实用性更强，能够对排水管的水质进行检测，检测时能耗较低，并且触发采样能够采集水的排放高峰时间，方便定时采样和网络采样的顺利进行，所述多模式通信适配器以及水质探头只有在水质采样和通信过程中保持正常工作状态，而在非采样和通信过程中，保持低功耗的待机模式，降低节点功耗，延长电源使用寿命。

附图说明

图1为本发明排水管道水质自动采样装置的整体结构示意图。

图2为本发明的采样控制箱内部结构图。

图3为本发明数据处理部分的具体示意图。

图中：1水质监测中心、2水质采样节点、3采样控制箱、4总控制器、5后台控制器、6多模式通信适配器、7电源、8 GPS定位器、9单片机、10检测单元、11涡流传感器、12水质监测模块、13第二数据处理单元、14第一数据处理单元、15本地服务器、16云端服务器、17水样采集模块、17A水泵、17B电磁阀、17C采样瓶。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据图1所示，本发明实施例提供一种排水管道水质自动采样装置的采集装置，包括：

水质监测中心1，包括总控制器4、与所述总控制器4相连的第一数据处理单元14和本地服务器15；

多个水质采样节点2，与所述水质监测中心1相连，包括采样控制箱3、后台控制器5和第二数据处理单元13。

水质监测中心1负责对一定地理范围(例如一个社区、一个街道乃至一个城区)内的水质监测进行总体控制，对水质数据进行汇总存储，以及进行水质数据分析并进行分析结果的图表化展示。其中，总控制器4可以对该地理范围内分布的每个水质采样节点2下达水质采样的控制命令，以及接收由各个水质采样节点2上传的水质数据、节点位置的定位信息以及采样时间点。总控制器4接收的水质数据、定位信息经处理后发送给本地服务器15。本地服务器15还与云端服务器16通信连接，本地服务器15将获取的水质数据以及节点位置的定位信息上传至云端服务器16。并且本地服务器15还连接第一数据处理单元14，由第一数据处理单元14对水质数据进行存储、数据分析判断以及图表显示。

每个水质采样节点2的采样控制箱3用于进行本节点的供电、定位、采样以及多模式通信。图2为采样控制箱3的局部结构图，采样控制箱3内部包括多模式通信适配器6、电源7、GPS定位器8和单片机9；采样控制箱的一侧设有检测单元10，所述检测单元10包括涡流传感器11、水样采集模块17和水质监测模块12。其中，所述多模式通信适配器6包括GSM、433短距离通讯和NB-IOT三种通讯方式，通信选择方式更灵活，适应现场需求。所述涡流传感器11型号设置为LWGY，所述涡流传感器11上设有水流量探头。水样采集模块17具体包括：水泵17A、电磁阀17B、采样瓶17C以及位于每个采样瓶17C下方的称重传感器。每次采样触发后，根据预设的采集水样重量阈值和本次使用的采样瓶编号，单片机9向指定采样瓶17C对应连接的电磁阀17B发送开启指令，启动水泵17A进行采样。采样瓶17C下的称重传感器持续检测采样的水量变化，将重量变化信号发送给单片机9；单片机9判断该重量变化信号与采集水量重量阈值的大小，当大于等于采集水量重量阈值时关闭水泵17A和电磁阀17B，完成本次水样采集，并向后台控制器发送采样成功信号；如果采样超时，即达到预定的最长采集时间阈值时仍然没有达到采集水样重量阈值，单片机9向后台控制器发送采样失败信号；并且单片机9记录下每次触发采样的触发采样时间和结束采样时间。每次水质采样时，可以通过采集水样重量阈值指定每次采集的水样重量和所使用的采样瓶，这样既可以实现单独水样的采集，也可以实现多次采样后混合水样的采集。所述水质监测模块12对水样采集模块17采集到采样瓶17C内的水样水质进行自动监测，获取水质数据；并且所述水质监测模块12设置一种或多种类型水质指标的超标阈值，当水质数据超过所述超标阈值，则所述水质监测模块向后台控制器发送水质超标警报。具体来说，水质监测模块12包括pH监测仪、COD监测仪、SS监测仪、氨氮检测仪、石油类检测仪和BOD5检测仪，所述pH监测仪、COD监测仪、SS监测仪、氨氮检测仪、石油类检测仪和BOD5检测仪均具有水质探头，检测水质是否达到排放标准。所述涡流传感器11和水质监测模块12连接端均设有A/D转换器，所述A/D转换器与单片机9电性连接。所述单片机9型号设置为M68HC16，所述单片机9将监测的信息生成具体的数据，方便数据的处理。单片机9通过多模式通信适配器6与后台控制器5进行通信连接并进行数据上传。实际应用中，在进行水质采样节点安装之前，先对整个排水管道进行测绘，确定各水质采样节点2的安装位置；将每个水质采样节点2的采样控制箱3安装在排水管外壁一侧，将涡流传感器11和水质监测模块12安装在排水管内，采样控制箱3检测的水质数据基于多模式通信上传后台控制器5；GPS定位器8的定位信息也基于多模式通信上传后台控制器5。

每个水质采样节点2的水质数据、水流量数据、单次采样水量以及定位信息经后台控制器5接收，所述后台控制器5与所述第二数据处理单元13和所述总控制器4进行通信。后台控制器5将每个水质采样节点2的水质数据、水流量数据、单次采样水量和定位信息上传至总控制器4，并且从总控制器4接收水质采样的控制命令，将该水质采样的控制命令通过多模式通信传输给采样控制箱3进行执行。后台控制器5还将水质数据、水流量数据、单次采样水量以及定位信息传输给第二数据处理单元13，由第二数据处理单元13对水质数据进行存储以及数据分析判断。

每个所述水质采样节点2上还进一步设有红外传感器、摄像头、报警器和触摸显示屏，所述红外传感器型号设置为RE-200B，所述红外传感器、摄像头、报警器和触摸显示屏均与后台控制器5电连接。所述触摸显示屏可以显示节点的工作状态以及设置参数，为节点的安装维护提供便利；红外传感器、摄像头以及报警器维护节点安全，有利于防盗和防人为破坏。

根据图3所示，所述第二数据处理单元13包括节点数据存储模块、节点数据分析模块以及反馈设置模块。所述节点数据存储模块从后台控制器5获得采样控制箱3每次进行采样所获得的水质数据、水流量数据、单次采样水量以及采样时间点，并且存储记录了每次采样的水质数据、水流量数据和采样时间点的采样记录。所述节点数据分析模块从所述节点数据存储模块获得所存储的采样记录，对每次采样的水质数据、水流量数据和采样时间点进行分析；节点数据分析模块根据采样记录分析本节点的水流量变化规律以及水质变化规律，确定触发本节点执行水质采样的水流量阈值。所述反馈设置模块从节点数据分析模块获取该水流量阈值，并将该水流量阈值发送至后台控制器5。后台控制器5将水流量阈值发送至采样控制箱3的单片机9，由单片机9判断涡流传感器11检测的水流量是否大于该阈值。关于水流量阈值的确定以及根据水流量是否大于该阈值而进行触发采样的过程，将在本专利的下文中予以详细介绍。

所述第一数据处理单元14包括区域数据存储模块、区域数据分析模块、图表显示模块和数据库。所述区域数据存储模块用于存储由各个水质采集节点所收集的水质数据、定位信息以及采样时间点。所述区域数据分析模块用于分析各个节点采集的上述数据，根据各节点的水质数据相似度以及节点位置分布，将全部节点合并为若干的监测区域，并且为每个监测区域确定定时采样的频率；所述数据库为每个监测区域记录其平均水质数据以及采样时间，并且将平均水质数据与数据库中预存的标准水质数据进行对比，判别出采样结果是否符合排水标准；所述图表显示模块用于将数据分析判断模块分析处理后的监测区域水质数据转换成文字或制成表格和图像。关于将各个节点合并为监测区域并设定对应每个区域的定时采样频率的内容将在下文中详细介绍。

本发明实施例还提供一种排水管道水质自动采样方法，采集步骤具体包括：

每个水质采样节点2的后台控制器5接收总控制器4发出的定时采样信号，并发送给本节点采样控制箱3；采样控制箱3的单片机9根据定时采样信号，控制水样采集模块17从管道水流中采集水样，并且水质监测模块12对水样水质进行检测；水质监测模块12获取检测信号后，进行A/D转换并发送给单片机9；单片机9根据水质监测模块12的检测结果生成水质数据，并且基于多模式通信将水质数据、单次采样水量传输至后台控制器5；

涡流传感器11持续检测排水管道的水流量；当涡流传感器11检测到水流量达到一定阈值以上时，发送触发采样信号给单片机9；单片机9响应触发采样信号，控制水样采集模块17从管道水流中采集水样，并且控制水质监测模块12对水质进行检测；单片机9将触发采样时间以及水质数据、单次采样水量基于多模式通信上传给后台控制器5；

本地服务器15还接收云端服务器16发送的采样指令，并通过总控制器4将采样指令发送给水质采样节点2的后台控制器5，后台控制器5将采样指令发送给本节点采样控制箱3的单片机9，单片机9控制水样采集模块从管道水流中采集水样，并且控制水质监测模块12对水样水质进行检测；单片机9根据水质监测模块12的检测结果生成水质数据，并且基于多模式通信将水质数据、单次采样水量传输至后台控制器5；

后台控制器5获得采样控制箱3每次采样后上传的水质数据以及单次采样水量，对于触发采样还获得所述触发采样时间，后台控制器5将这些数据经第二数据处理单元13处理后，发送给总控制器4；

总控制器4接收每个水质采样节点2的后台控制器5发送的水质数据，经第一数据处理单元14对水质数据进行分析处理后，将水质数据发送给本地服务器15，最后通过本地服务器15上传至云端服务器16。

通过本发明实施例提供的排水管道水质自动采样方法，可以实现三种形式的水质采样，包括定时采样、触发采样和网络采样。

其中，定时采样为水质采样节点2按照固定的采样周期执行采样；在一个示例中，定时采样可以通过如下方式实现：后台控制器5接收总控制器4发出定时采样信号，并发送给单片机9，单片机9控制水样采集模块17从管道水流中采集水样，并且控制水质监测模块12对水质进行检测，检测后获取的数据经A/D转换器转换后发送给单片机9，单片机9将水质数据通过多模式通信适配器6发送给后台控制器5，后台控制器5将信息经第二数据处理单元13处理后经触摸显示屏显示并发送给总控制器4，总控制器4将信息经第一数据处理单元14处理后发送给本地服务器15，最后上传至云端服务器16；

排水管道的排水过程历时短暂，水量变化幅度大、水流速度变化剧烈，水流高峰时可以充满整个管道断面且流速很快，但大部分时间内管道内可能没有水，因此，定时采样除非定时频率非常高，否则很可能主要是遇到管道无水时段，无法采样到水质数据；但是频率过高就会增加耗电量。触发采样是通过每个水质采样节点2集成的涡流传感器11持续监测管道水流量，当水流量达到一定阈值以上时，触发进行水质采样；触发采样可以通过如下方式实现：涡流传感器11根据检测到的水流量，将水流量信号发送给单片机9；单片机9响应该水流量信号，判断该信号与水流量阈值的大小，当大于水流量阈值时发出触发采样信号，控制水样采集模块17从管道水流中采集水样，并且控制水质监测模块12对水质进行检测；并且单片机9记录下每次触发采样的触发采样时间；单片机9将水质数据、水流量数据以及触发采样时间通过多模式通信适配器6发送给后台控制器5；后台控制器5获取每次触发采样的水质数据、水流量数据以及触发采样时间，通过第二数据处理单元13处理，然后上传至总控制器4；总控制器4将触发采样的水质数据经第一数据处理单元14处理，并发送给本地服务器15，最后上传至云端服务器16。

网络采样为每个水质采样节点2根据水质监测中心下达的采样指令而执行采样。本地服务器15接收云端服务器16发送的网络采样指令后，通过总控制器4将网络采样指令发送给后台控制器5，后台控制器5将网络采样指令发送给单片机9，单片机9控制水样采集模块17从管道水流中采集水样，并且控制水质监测模块12对水质进行检测；单片机9将检测获得的水质数据通过多模式通信适配器6发送给后台控制器5，后台控制器5将信息经第二数据处理单元13处理后经触摸显示屏显示，并发送给总控制器4；总控制器4将水质数据经第一数据处理单元14处理后发送给本地服务器15，最后上传至云端服务器16。

第二数据处理单元13的节点数据分析模块根据本节点的水流量变化规律以及水质变化规律，确定触发本节点执行水质采样的水流量阈值，确定水流量阈值的具体过程如下面介绍。首先，节点数据分析模块取得本节点在过去较长的一个时间区间(例如过去一个月)累积的采样记录，每个采样记录当中记录了每次采样(包括该时间区间内的每次定时采样和每次触发采样)的水质数据、水流量数据和采样时间点。进而，将采样记录当中包括的触发采样的水流量值和水质数据值作为训练样本，代入贝叶斯分类器或SVM分类器进行训练。进而，在训练过程完成之后，开始执行真正的分类，将采样记录中的定时采样的水流量值和水质数据值输入训练之后的分类器，进行分类处理，分类处理会生成与训练样本中的水流量值和水质数据值可归属于同一类的采样记录，以及不可归属于同一类的采样记录。根据输出的分类结果，将与触发采样的采样记录可归属于同一类的定时采样的采样记录，作为遴选出来的定时采样记录；将遴选出来的定时采样记录当中的水流量值与触发采样记录当中的水流量值放在一起求其平均值，作为新的触发本节点执行水质采样的水流量阈值。

所述第一数据处理单元14的区域数据分析模块分析由各个水质采集节点所收集的水质数据、定位信息以及采样时间点，根据各节点的水质数据相似度以及节点位置分布，将全部节点合并为若干的监测区域，并且为每个监测区域确定定时采样的频率，将各个节点合并为监测区域并设定对应每个区域的定时采样频率的过程如下文所述。首先，第一数据处理单元14通过本地服务器15从总控制器4获得在前述地理范围内分布的每个水质采样节点2上传的水质数据、节点位置的定位信息以及采样时间点。在相同的时间区间(例如24小时内)，不同的水质采样节点，通过定时采样以及触发采样等形式，所提供的采样记录的总数量是不一样的，或者是说采样记录在该时间区间的分布密度是不一样的。因此，区域数据分析模块首先是将各个节点2在该时间区间内的采样记录的数量归一化，区域数据分析模块将该时间区间(如全天24小时)划分为T个采样时点，然后将每个节点2在该时间区间内的采样记录映射到T个采样时点上，从而为每个节点2生成由分布在T个采样时点上的水质数据构成的水质数据记录曲线。具体来说，该T值可以取一个极大值，使得该值大于所有节点通过定时采样和触发采样实际获得的采样记录的数量。这样，某个节点2在该时间区间(如全天24小时)实际的采样记录都会不足T个；将节点2实际的采样记录映射到距离其采样时间最近的采样时点上；然后，对未映射采样记录的采样时点，进行内插值处理，即，假设在第n个采样时点没有对应的采样记录，则可以利用相邻时间n-1，n+1采样记录内插值的方式补足第n个采样时点的采样记录。在完成采样记录的数量归一化之后，进一步计算节点i与节点j之间水质数据记录曲线的相似度：l_t(i)

其中，将某个采样时点t(t的取值范围从1至T)某个节点i的采样记录当中记录的某一类型的水质数据值表示为l_t(i)，α_t是与采样时点t对应的影响权重值，例如排水高峰时段的采样时点t对应的权重值就大，这样计算获得节点i与节点j之间水质数据记录曲线的相似度S(l(i)，l(j))。第三步，确定节点i与节点j之间的距离，该距离根据每个节点的定位信息可以计算出来；如果节点i与节点j之间的距离R小于等于距离阈值R_th，且两个节点之间曲线的相似度S(l(i)，l(j))小于等于曲线相似度阈值S_th，则认为满足以上条件的节点i与节点j可以合并为同一个预测监测区域；通过遍历全部节点，将所有节点合并出若干的监测区域。对于某一类型水质的监测，由于同一个区域内节点的水质数据相似度大，因此区域数据分析模块可以针对区域来统一设定其定时采样的频率，区域节点平均水质数据与排放标准相比较，水质质量越低，则定时采样频率越高，反之，水质质量好，则可以降低该区域的采样频率。这样，对各个节点的监测管理更加高效，可以使节点定时采样频率保持在合理的范围，并且避免逐个节点管理定时采样带来数据过于繁杂混乱、不易处理并且增大管理通信开销，降低节点待机时间，而且使得水质监测反映了管道内水质分布状态。系统运行过程中，为了降低每个水质采样节点的功耗，避免频繁更新电源，单片机9控制多模式通信适配器6以及水质监测模块12只有在水质采样和通信过程中保持正常工作状态，而在非采样和非通信过程中，保持低功耗的待机模式。

当任意一个涡流传感器11和水质监测模块12在安装时，单片机9记录下其使用时间以及使用寿命，当快要达到使用寿命期限时，单片机9将报警信息发送给后台控制器5，后台控制器5将信息发送给总控制器4，总控制器4将信息发送给本地服务器15，提醒工作人员更换。并且当涡流传感器11或是水质监测模块12损坏时，单片机9检测到故障信号，同样上传报警信息给后台控制器5，后台控制器5将信息发送给总控制器4，总控制器4将信息发送给本地服务器15，同样提醒工作人员更换。

当某个节点的电源或者通信受损，后台控制器5在预定的时间长度上始终接收不到该水质采样节点2的采样控制箱3发送的信息，则后台控制器5生成失联信息并发送给总控制器4，总控制器4将失联信息发送给本地服务器15，提醒工作人员检修，检修时，GPS定位器8提供的定位信息能够帮助工作人员准确的找到检修位置。

本发明的技术效果和优点：通过划分区域分布水质采样节点和采样控制箱，将信息分块采集，分块处理，不仅能够检测出水质排放不达标的位置，而且采集的信息不会错乱，检修更换元件时能够精准定位，装置使用寿命长，水质监测不会受到影响，能够通过定时采样、触发采样和网络采样三种方式对水质进行检测，检测方式多样化，实用性更强，能够对排水管的水质进行检测，检测时能耗较低，并且触发采样能够采集水的排放高峰时间，方便定时采样和网络采样的顺利进行，所述多模式通信适配器以及水质探头只有在水质采样和通信过程中保持正常工作状态，而在非采样和通信过程中，保持低功耗的待机模式，降低节点功耗，延长电源使用寿命。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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 (12)

1.一种排水管道水质自动采样装置，其特征在于，包括：

水质监测中心，用于对一定地理范围内的水质采样节点进行总体控制，对水质数据进行汇总存储，以及进行水质数据分析并进行分析结果的图表化展示；所述水质监测中心包括总控制器、与所述总控制器相连的第一数据处理单元和本地服务器；其中，总控制器用于对地理范围内分布的每个水质采样节点下达水质采样的控制命令，以及接收由各个水质采样节点上传的水质数据、节点位置的定位信息以及采样时间点；总控制器接收的水质数据、定位信息经处理后发送给本地服务器；本地服务器与云端服务器通信连接，将获取的水质数据以及节点位置的定位信息上传至云端服务器；并且本地服务器还连接第一数据处理单元，由第一数据处理单元对水质数据进行存储、数据分析判断以及图表显示；

多个水质采样节点，与所述水质监测中心相连，包括采样控制箱、后台控制器和第二数据处理单元；其中，每个水质采样节点的采样控制箱用于进行本节点的供电、定位、采样以及多模式通信，所述采样控制箱包括多模式通信适配器、电源、GPS定位器和单片机，并且设有检测单元，所述检测单元包括涡流传感器、水样采集模块和水质监测模块；水质采样节点的水质数据、水流量数据、单次采样水量以及定位信息经后台控制器接收；所述后台控制器与所述第二数据处理单元和所述总控制器进行通信；后台控制器将每个水质采样节点的水质数据、水流量数据和定位信息上传至总控制器，并且从总控制器接收水质采样的控制命令，将该水质采样的控制命令通过多模式通信传输给采样控制箱进行执行；所述后台控制器还将水质数据、水流量数据以及定位信息传输给第二数据处理单元，由第二数据处理单元对水质数据进行存储以及数据分析判断。

2.根据权利要求1所述的排水管道水质自动采样装置，其特征在于，所述涡流传感器持续监测管道水流量，将水流量信号发送给单片机；单片机判断该信号与水流量阈值的大小，当大于水流量阈值时发出触发采样信号，控制水样采集模块从管道水流中采集水样，并且控制水质监测模块对水样水质进行检测；并且单片机记录下每次触发采样的触发采样时间；单片机将水质数据、水流量数据以及触发采样时间通过多模式通信适配器发送给后台控制器。

3.根据权利要求1所述的排水管道水质自动采样装置，其特征在于，本地服务器接收云端服务器送的网络采样指令后，通过总控制器将网络采样指令发送给后台控制器，后台控制器将网络采样指令发送给单片机，单片机控制水样采集模块从管道水流中采集水样，并且控制水质监测模块对水样水质进行检测；单片机将检测获得的水质数据通过多模式通信适配器发送给后台控制器。

4.根据权利要求1所述的排水管道水质自动采样装置，其特征在于，后台控制器接收总控制器发出定时采样信号，并发送给单片机，单片机响应定时采样信号，控制水样采集模块从管道水流中采集水样，并且控制水质监测模块对水样水质进行检测，检测后获取的数据经A/D转换器转换后发送给单片机，单片机将水质数据通过多模式通信适配器发送给后台控制器。

5.根据权利要求1所述的排水管道水质自动采样装置，其特征在于，其中，所述水质采样节点上进一步设有红外传感器、摄像头、报警器和触摸显示屏，所述红外传感器、摄像头、报警器和触摸显示屏均与后台控制器电性连接。

6.根据权利要求1所述的排水管道水质自动采样装置，其特征在于，所述多模式通信适配器包括GSM、433短距离通讯和NB-IOT三种通讯方式。

7.根据权利要求1所述的排水管道水质自动采样装置，其特征在于，其中，水样采集模块包括：水泵、电磁阀、采样瓶、称重传感器；每次采样触发后，根据预设的采集水样重量阈值和本次使用的采样瓶编号，单片机向指定采样瓶对应连接的电磁阀发送开启指令，启动水泵进行采样，采样瓶下的称重传感器持续检测采样的水量变化，将重量变化信号发送给单片机；单片机判断该重量变化信号与采集水量重量阈值的大小，当大于等于采集水量重量阈值时关闭水泵和电磁阀，并向后台控制器发送采样成功信号；如果采样超时，单片机向后台控制器发送采样失败信号；并且单片机记录下每次触发采样的触发采样时间和结束采样时间。

8.根据权利要求7所述的排水管道水质自动采样装置，其特征在于，其中，所述水质监测模块对水样采集模块采集到采样瓶内的水样水质进行自动监测，获取水质数据；并且所述水质监测模块设置一种或多种类型水质指标的超标阈值，当水质数据超过所述超标阈值，则所述水质监测模块向后台控制器发送水质超标警报。

9.根据权利要求8所述的排水管道水质自动采样装置，其特征在于，所述水质监测模块包括pH监测仪、COD监测仪、SS监测仪、氨氮检测仪、石油类检测仪和BOD5检测仪，所述pH监测仪、COD监测仪、SS监测仪、氨氮检测仪、石油类检测仪和BOD5检测仪均包括水质探头。

10.根据权利要求1所述的排水管道水质自动采样装置，其特征在于，所述第二数据处理单元包括节点数据存储模块、节点数据分析模块以及反馈设置模块；所述节点数据存储模块从后台控制器获得采样控制箱每次进行采样所获得的水质数据、水流量数据以及采样时间点，并且存储记录了每次采样的水质数据、水流量数据和采样时间点的采样记录；所述节点数据分析模块从所述节点数据存储模块获得所存储的采样记录，对每次采样的水质数据、水流量数据和采样时间点进行分析；节点数据分析模块根据采样记录分析本节点的水流量变化规律以及水质变化规律，确定触发本节点执行水质采样的水流量阈值；所述反馈设置模块从节点数据分析模块获取该水流量阈值，并将该水流量阈值发送至后台控制器。

11.根据权利要求1所述的排水管道水质自动采样装置，其特征在于，所述第一数据处理单元包括区域数据存储模块、区域数据分析模块、图表显示模块和数据库；所述区域数据存储模块用于存储由各个水质采集节点所收集的水质数据、定位信息以及采样时间点；所述区域数据分析模块用于分析各个节点采集的上述数据，根据各节点的水质数据相似度以及节点位置分布，将全部节点合并为若干的监测区域，并且为每个监测区域确定定时采样的频率；所述数据库为每个监测区域记录其平均水质数据以及采样时间，并且将平均水质数据与数据库中预存的标准水质数据进行对比，判别出采样结果是否符合排水标准；所述图表显示模块用于将数据分析判断模块分析处理后的监测区域水质数据转换成文字或制成表格和图像。

12.一种排水管道水质自动采样方法，其特征在于，包括：

每个水质采样节点的后台控制器接收总控制器发出的定时采样信号，并发送给本节点采样控制箱；采样控制箱的单片机根据定时采样信号，控制水样采集模块从管道水流中采集水样，并且控制水质监测模块对水样水质进行检测；水质监测模块获取检测信号后，进行A/D转换并发送给单片机；单片机根据水质监测模块的检测结果生成水质数据，并且基于多模式通信将水质数据、单次采样水量传输至后台控制器；和/或

涡流传感器持续检测排水管道的水流量；当涡流传感器检测到水流量达到一定阈值以上时，发送触发采样信号给单片机；单片机响应触发采样信号，水样采集模块从管道水流中采集水样，并且控制水质监测模块对水样水质进行检测；单片机将触发采样时间以及水质数据、单次采样水量基于多模式通信上传给后台控制器；和/或

本地服务器接收云端服务器发送的采样指令，并通过总控制器将采样指令发送给水质采样节点的后台控制器，后台控制器将采样指令发送给本节点采样控制箱的单片机，单片机控制水样采集模块从管道水流中采集水样，并且控制水质监测模块对水质进行检测；单片机根据水质监测模块的检测结果生成水质数据，并且基于多模式通信将水质数据、单次采样水量传输至后台控制器；

后台控制器获得采样控制箱每次采样后上传的水质数据，对于触发采样还获得所述触发采样时间，后台控制器将这些数据经第二数据处理单元处理后，发送给总控制器；

总控制器接收每个水质采样节点的后台控制器发送的水质数据，经第一数据处理单元对水质数据进行分析处理后，将水质数据发送给本地服务器，最后通过本地服务器上传至云端服务器。