CN108061731A - 一种基于摄像头检测水中亚硝酸盐、氨氮、硫、磷酸盐含量的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于摄像头检测水中亚硝酸盐、氨氮、硫、磷酸盐含量的系统，包括采集端、处理端和显示端，采集端包括光源系统，样品池和摄像头，摄像头控制芯片与处理端数据连接，处理端与显示端数据连接，本发明使用普通摄像头代替分光光度计进行数据采集，通过测量有色物质溶液颜色对空白样品的色差确定溶液颜色深度，采集端得到的图像数据为RGB颜色模型数据，处理端将RGB颜色模型数据转化为Lab颜色模型数据，并依据Lab颜色模型数据进行数据计算得到色差值，建立色差值与检测物浓度的关系曲线，用于测量未知浓度的溶液，本系统设计巧妙，使用通用图像采集设备，结合计算机的图形处理技术和数据处理能力，可以得到广泛的应用。

Description

一种基于摄像头检测水中亚硝酸盐、氨氮、硫、磷酸盐含量的 系统

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，具体涉及一种基于摄像头检测水中亚硝酸盐、氨氮、硫、磷酸盐含量的系统。

背景技术

在日趋严重的水环境污染治理与检测中，亚硝酸盐、氨氮、硫、磷酸盐的检测起着重要作用，也是对水环境评价、废水综合利用的结果做出正确判断和评价的重要依据。水质检测中一般使用仪器对水中物质进行分析，是水质分析中的常用方法，是以水中的物质的物理或化学性质为基础的分析方法，常用的仪器分析方法有电化学分析法、分光光度法、色谱法和比色法。仪器方法使用方便，但价格昂贵，如美国哈希公司、德国默克公司、英国百灵达公司、日本共立公司等等，而且与仪器配套的耗材(试剂盒、检测包等)也收费较高，使用时常常需要加几种材料，较为烦琐，必须由专业人员亲自操作，尤其不适于农村地区等使用，因此开发低成本的水质检测仪器，有着重要的应用价值。

水质检测的主要目的是检测和分析水中的污染物的组成、性质和含量。人体内硝酸盐在微生物的作用下可还原为亚硝酸盐，亚硝酸根的潜在代谢产物可能是N-亚硝基化合物，具有致癌作用，人体摄入亚硝酸盐后，可与仲胺、叔胺和氨基化合物反应形成强致癌物亚硝胺化合物，从而诱发消化系统癌变。很多种类的化工或制药废水以及垃圾渗滤液都含有较高浓度的氨氮，并具有较低的可生化性，这些高浓度的含氮废水通常都会对生化处理设施造成冲击对生物活性会产生一定的抑制作用。硫化氢与人体低浓度接触仅有呼吸道及眼的局部刺激作用，高浓度时全身作用较明显，表现为中枢神经系统症状和窒息症状。

Bagheri H等人开发了基于铜金属纳米粒子的碳纳米管石墨烯修饰玻碳电极的电化学传感器，用方波伏安法(SWV)制作的传感器同时测定硝酸盐和亚硝酸根，提高了该方法的灵敏度和检测范围，应用于测定各种样品中硝酸盐和亚硝酸盐。Cline J D.提出了改进的N,N-二甲基对苯二胺分光光度法测定水中的硫化物，实验证明在不同温度下，混合的二胺和氯化铁试剂表现出更好的稳定性，并且当试剂混合时，硫化氢的挥发度明显降低，灵敏度相应增加。Murphy J等人将含有抗坏血酸和少量锑的钼酸铵的酸化溶液混合成试剂，添加到包含原始单溶液试剂磷酸溶液中，采用分光光度法用于测定水中磷酸盐。除了常规的光度法和电化学方法，还有荧光标记法，离子色谱法，原子吸收光谱法等。Valente I M等人利用高复矩阵进行气体扩散微萃取，进行氨氮和邻苯二甲醛的标记反应用于测定农牧业高复杂固体和液体样品中氨氮含量，实验表明时间和温度检测的灵敏度影响很大。

分光光度法和比色法都是以生成有色化合物的显色反应为基础，应用非常广泛，几乎所有的无机离子都可直接或间接的用比色或分光光度法测定。比色法通过比较或测量有色物质溶液颜色深度来确定待测组分含量的方法，而分光光度法是基于有色溶液对光线有选择性的吸收作用，由于不同物质由于其分子结构不同，每种物质都具有其特异的吸收光谱。本发明的摄像头方法和分光光度法在这些化学物质的显色原理上大致相同，分光光度法使用的光的波长可以连续调节，灵敏度和选择性都很好，但分光光度法操作复杂，仪器昂贵，适合专业人员使用。电化学法灵敏度高，可以在线监测，但传感器寿命短，操作复杂，测量成本高。

为此，提出一种基于摄像头检测水中亚硝酸盐、氨氮、硫、磷酸盐含量的系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于摄像头检测水中亚硝酸盐、氨氮、硫、磷酸盐含量的系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于摄像头检测水中亚硝酸盐、氨氮、硫、磷酸盐含量的系统，包括采集端、处理端和显示端，所述采集端包括光源系统，样品池和摄像头，摄像头选择普通的电脑摄像头，对摄像头的要求是带调节焦距，而且要能够通过软件关闭自动亮度调节，关闭自动曝光调节，并关闭自动白平衡，因为作为测量仪器，必须保证仪器的标定过程和测量过程中都使用统一的参数，才能保证测量的准确度和精度，并且要求使用的摄像头可以使用DirectShow的驱动，就是能够使用DirectShow的方法来设置摄像头的参数，这样可以降低额外开发系统的成本，显示端采用的软件名称是AMCap，支持directx9.0，兼容大多数摄像头，是微软公司推出的一款小巧的视频捕获软件，可以捕捉动态视频图像，静态图像及电视调谐器等，应用该软件设置摄像头的参数，设置后的参数自动保存到Windows系统的注册表中，下次系统启动后不需要重新设置，这种功能保证测量过程中的便利性以及参数的稳定；

所述样品池位于光源系统和摄像头之间，所述样品池内放置检测物经过前处理后的水溶液，对不同物质的检测采用对应的显色剂进行前处理，将处理后的溶液放入样品池进行检测，且检测物为亚硝酸盐、氨氮、硫、磷酸盐中一种，所述采集端还包括摄像头控制芯片，所述摄像头控制芯片与处理端数据连接，且所述处理端与显示端数据连接，所述摄像头采集的数据为图像数据并且将图像数据传输至处理端进行数据处理，且所述图像数据为RGB颜色模型数据，所述处理端将RGB颜色模型数据转化为Lab颜色模型数据，Lab颜色模型是由L(明度)、a(颜色)、b(颜色)3个要素组成，其中，a表示从红色到绿色的范围，b表示从黄色到蓝色的范围，Lab颜色空间是一个均匀的颜色空间，符合人的视觉感受，当颜色的差异为人眼所识别并且这个差值又小于孟塞尔系统中相邻两级的色差值时，可反映观察人的眼睛对产品的实际感受，这种差值通过摄像头也同样得到体现，并依据Lab颜色模型数据进行数据计算得到色差值，建立色差值与检测物浓度的关系曲线，对照关系曲线可以计算相应的检测物浓度。

具体而言，所述RGB颜色模型数据的采样区域为样品池中心区域，在摄取图像的RGB颜色值时，只是提取图像中心位置颜色均匀部分的图像，避免比色皿的边缘部分对测量结果造成影响，处理端将样品池中心区域的所有像素点求取平均值，然后将平均值的RGB颜色模型数据先由RGB颜色模型数据转化为XYZ颜色模型数据，再将XYZ颜色模型数据变为Lab颜色模型数据，RGB颜色空间是不均匀的，不能用来计算色差，XYZ颜色空间虽然消除了RGB出现负数的情况，但也是不均匀的颜色空间，也不能用于色差的计算。

具体而言，所述光源系统包括LED白光灯、导光板、光学模片以及控制电路，产生的光源比较均匀，成像质量好。

具体而言，所述控制电路的电压为5V±0.2V，且工作电流小于10mA，整个电路的供电取自计算机的USB接口，从USB的线路中引出电压和地线，恒流电路的基准电压由LM385芯片提供，改变光源系统的亮度，结合摄像头的参数调整，使溶液色差明显。

具体而言，所述摄像头控制芯片为ZC0301Plus，该芯片实现图像处理、图像压缩数据传输功能，并且使用韩国现代公司的CMOS传感器。

具体而言，所述Lab颜色模型数据包含明度数据L、颜色数据a、颜色数据b，通过Lab颜色模型数据计算色差值，其计算公式为，

其中，cv-色差值、L-检测溶液的明度数据值、a-检测溶液的颜色数据、b-检测溶液的颜色数据值、L₀-空白溶液的明度数据值、a₀-空白溶液的颜色数据、b₀-空白溶液的颜色数据值。

基于Visual Studio平台，在Visual C++开发环境下应用C++语言开发适用于本发明专利系统的软件，软件界面如图1所述，包含“种类(Categories)”、“检测(Testing)”、“标准系列(Standard series)”三个区域，“种类(Categories)”区域设有对应检测不同物质的选项，软件根据选择不同物质来储存数据，防止造成混乱，当然设有“Add Update”以增加软件的适用范围，“检测(Testing)”区域中实时显示调用摄像头的图像数据，并将样品池中心区域的范围标识出，“检测(Testing)”区域内设有“空白(Blank)”选项，点击此选项软件会触发采集端采集当前样品池内溶液的图像数据，并传输给处理端处理并作为空白数据记录在处理端中，“标准系列(Standard series)”区域内记录不同浓度下的溶液的色差值，处理端根据具体数据拟合出标准曲线；

点击“检测(Testing)”区域内中的“计算(Measure)”选项，软件触发处理端对当前样品池内的溶液的图像数据进行处理运算并带入标准曲线中，将计算结果中的色差数据和浓度数据传输到显示端上的软件界面中“检测(Testing)”区域上显示。

本发明的有益效果是：本发明采用普通电脑摄像头对样品池内的溶液进行图像采集，代替传统仪器的光学系统、光电传感器、数模转换电路和数据处理系统，极大地降低了仪器的成本，使非专业技术人员也可以设计测量仪器，处理端对摄像头传送过来的图像数据进行处理，结合图像处理技术和颜色空间转换技术，可以方便地实现曲线拟合，通过色度来计算对应物质的浓度，本系统设计巧妙、操作简便，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的软件界面视图；

图2为本发明的氨氮化合物的标准曲线图；

图3为本发明的亚硝酸盐的标准曲线图；

图4为本发明的磷酸盐的标准曲线图；

图5为本发明的硫化物的标准曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，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。

实施例1

检测水中氨氮的含量，前处理的方法是采用纳氏试剂显色方法(GB/T7479-87)，以游离态的氨或者铵离子等形式存在的形式铵氮与纳氏试剂反应生成黄棕色络合物，该络合物的色度和铵氮的含量成正比(若样品中含有悬浮物、余氯、钙镁等金属离子、硫化物、有机物时，对比色测定有干扰，需要做预处理)，选取不同浓度的氨氮化合物进行实验，检测不同浓度的溶液在样品池内的图像数据，并转化为Lab颜色模型数据，得到不同浓度下的数据，具体数据如表1所示：

表1氨氮化合物的浓度与Lab颜色模型数据表

以色差值cv为纵坐标(y)，氨氮化合物的浓度为横坐标(x)，将上述数据经过数据拟合(如图2)，得到氨氮化合物的浓度与色差值之间的标准曲线，y＝1.3687x²+25.863x-0.721。取需要检测的水溶液按照纳氏试剂显色方法(GB/T7479-87)进行实验，利用本发明的系统得到对应的色差值根据标准曲线计算得出该溶液的氨氮含量。

实施例2

检测水中亚硝酸盐的含量，前处理的方法是采用盐酸α-萘胺显色法(DZ/T0064.60—1993)，在酸性溶液中，亚硝酸根能对氨基苯磺酰氨起重氮反应，再与盐酸α-萘胺起偶氮反应，生成紫红色偶氮染料，选取不同浓度的亚硝酸盐化合物进行实验，检测不同浓度的溶液在样品池内的图像数据，并转化为Lab颜色模型数据，得到不同浓度下的Lab颜色模型数据，具体数据如表2所示：

表2亚硝酸盐的浓度与Lab颜色模型数据表

以色差值cv为纵坐标(y)，亚硝酸盐化合物的浓度为横坐标(x)，将上述数据经过数据拟合(如图3)，得到亚硝酸盐化合物的浓度与色差值之间的标准曲线，y＝357.2x²+316.58x-2.281。取需要检测的水溶液按盐酸α-萘胺显色法(DZ/T0064.60—1993)进行实验，利用本发明的系统得到对应的色差值根据标准曲线计算得出该溶液的亚硝酸盐化合物含量。

实施例3

检测水中磷酸盐的含量，前处理的方法是采用原理为钼酸铵-Vc显色法(GB/T11893-1989)，在中性条件下用过硫酸钾试式样消解，将所含磷全部氧化为正磷酸盐，在酸性介质中，正磷酸盐与钼酸铵反应，在递盐存在下生成磷钼多杂酸，立即被抗坏血酸还原，生成蓝色络合物，选取不同浓度的磷酸盐化合物进行实验，检测不同浓度的溶液在样品池内的图像数据，并转化为Lab颜色模型数据，得到不同浓度下的Lab颜色模型数据，具体数据如表3所示：

表3磷酸盐化合物的浓度与Lab颜色模型数据表

以色差值cv为纵坐标(y)，磷酸盐化合物的浓度为横坐标(x)，将上述数据经过数据拟合(如图4)，得到磷酸盐化合物的浓度与色差值之间的标准曲线，y＝15.002x²+27.708x-0.1616。取需要检测的水溶液按照钼酸铵-Vc显色法(GB/T11893-1989)进行实验，利用本发明的系统得到对应的色差值根据标准曲线计算得出该溶液的磷酸盐化合物含量。

实施例4

检测水中硫化物的含量，前处理的方法是采用原理为亚甲基蓝比色法(GB/T16489-1996)，样品经酸化，硫化物转化成硫化氢，用氮气将硫化氢吹出，转移到盛乙酸锌-乙酸钠溶液的显色管中，与N-N-二甲基对本氨和硫酸铁氨反应生成蓝色的络合物亚甲基蓝，选取不同浓度的硫化物进行实验，检测不同浓度的溶液在样品池内的图像数据，并转化为Lab颜色模型数据，得到不同浓度下的Lab颜色模型数据，具体数据如表4所示：

表4硫化物的浓度与Lab颜色模型数据表

以色差值cv为纵坐标(y)，硫化物的浓度为横坐标(x),将上述数据经过数据拟合(如图5)，得到硫化物的浓度与色差值之间的标准曲线，y＝-0.6651x²+19.651x-0.6709。取需要检测的水溶液按照亚甲基蓝比色法(GB/T16489-1996)进行实验，利用本发明的系统得到对应的色差值根据标准曲线计算得出该溶液的硫化物含量。

综合上述4个实施例，分别采用国标法和摄像头法测定淮北市塌陷湖水中的氨氮、亚硝酸盐、硫化物、磷酸盐的含量(见表5)，并以国标法为准，计算本发明的检测结果的相对标准差，并判断分析本发明测定结果的精准度。

表5淮北市塌陷湖水体监测结果对比

注：相对标准偏差RSD＝(C₂-C₁)/(C₂+C₁)·100％

从表5可以看出，采用摄像头法的测定结果与国标方法测定误差的绝对值基本在10％以下。

综上所述，本发明研制了一种基于摄像头检测水中亚硝酸盐、氨氮、硫、磷酸盐含量的系统，系统使用摄像头获取溶液图像，对获取的图像进行图像处理，获得图像中心部分的Lab颜色模型数据，用于水中亚硝酸盐、氨氮、硫、磷酸盐含量的的测量，并且本发明结合图像处理技术和颜色空间转换技术，可以方便地实现曲线拟合、结果计算等功能，同时本发明通过实验验证了系统的可行性，满足了渔业和环境监测等方面的需求。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于摄像头检测水中亚硝酸盐、氨氮、硫、磷酸盐含量的系统，包括采集端、处理端和显示端，其特征在于：所述采集端包括光源系统，样品池和摄像头，所述样品池位于光源系统和摄像头之间，所述样品池内放置检测物经过前处理后的水溶液，且检测物为亚硝酸盐、氨氮、硫、磷酸盐中一种，所述采集端还包括摄像头控制芯片，所述摄像头控制芯片与处理端数据连接，且所述处理端与显示端数据连接，所述摄像头采集的数据为图像数据并且将图像数据传输至处理端进行数据处理，且所述图像数据为RGB颜色模型数据，所述处理端将RGB颜色模型数据转化为Lab颜色模型数据，并依据Lab颜色模型数据进行数据计算得到色差值，建立色差值与检测物浓度的关系曲线。

2.根据权利要求1所述的一种基于摄像头检测水中亚硝酸盐、氨氮、硫、磷酸盐含量的系统，其特征在于：所述RGB颜色模型数据的采样区域为样品池中心区域，且处理端将样品池中心区域的所有像素点求取平均值，然后将平均值的RGB颜色模型数据先由RGB颜色模型数据转化为XYZ颜色模型数据，再将XYZ颜色模型数据变为Lab颜色模型数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于摄像头检测水中亚硝酸盐、氨氮、硫、磷酸盐含量的系统，其特征在于，所述光源系统包括LED白光灯、导光板、光学模片以及控制电路。

4.根据权利要求3所述的一种基于摄像头检测水中亚硝酸盐、氨氮、硫、磷酸盐含量的系统，其特征在于，所述控制电路的电压为5V±0.2V，且工作电流小于10mA。

5.根据权利要求1所述的一种基于摄像头检测水中亚硝酸盐、氨氮、硫、磷酸盐含量的系统，其特征在于，所述摄像头控制芯片为ZC0301Plus。

6.根据权利要求1所述的一种基于摄像头检测水中亚硝酸盐、氨氮、硫、磷酸盐含量的系统，其特征在于，所述Lab颜色模型数据包含明度数据L、颜色数据a、颜色数据b。