CN109507382A - 生态环境监测预警系统及监测预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生态环境监测预警系统及监测预警方法。本发明通过氨氮检测探头获取反映水质监测指标的原始数据；对氨氮监测探头采集到的原始数据进行运算和初级数据校准处理；将初级数据校准处理后的数据进行高级校准处理，得到监测结果并存储；向监测终端展示所述监测结果。本发明可以监测的水质的氨氮浓度指标，并且具有成本低、实时性强和安装简单的优点。

Description

生态环境监测预警系统及监测预警方法

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，具体的说是一种生态环境监测预警系统及监测预警方法。

背景技术

氨氮是工业和城市废水中常见的一种污染物。大量含有氨氮的废水排入江河湖泊，不仅造成自然水体的富营养化，使受纳水体亏氧，滋生有害水生物，导致鱼类死亡，而且给生活和工业用水的处理带来较大困难。氨氮废水来源多，排放量大，如炼油、化肥、无机化工、铁合金、玻璃制造、肉类加工和饲料生产等工业部门排放的高浓度氨氮废水，以及动物排泄物和垃圾渗滤液等。因此监测水中的氨氮在水环境保护中显得非常重要。

传统监测氨氮浓度的设备采用分光光度法设计，原理是碘化汞和碘化钾的碱性溶液与氨反应生成淡红棕色胶态化合物，此颜色对410-425nm波长范围内光具较强烈吸收，通过测量照射光强度来计算出氨氮浓度。但采用该方法的设备操作比较麻烦，准确度也不是很理想，且所需的化学试剂较多，容易造成二次污染。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种生态环境监测预警系统及监测预警方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种生态环境监测预警系统，包括供电单元、氨氮检测探头、核心板、通信单元、服务器和监测终端；

所述供电单元连接氨氮检测探头、核心板和通信单元，用于为氨氮检测探头、核心板和通信单元提供工作电源；

所述氨氮检测探头连接核心板，用于浸入待测水中获取反映水质监测指标的原始数据；

所述核心板连接通信单元，用于对氨氮监测探头采集到的原始数据进行运算和初级数据校准处理；

所述通信单元用于核心板与服务器之间的通信；

所述服务器连接通信单元和监测终端，用于对核心板处理后的数据处理成监测结果并存储；

所述监测终端用于显示服务器的监测结果。

所述监测终端包括移动终端。

所述核心板包括MCU模块及其连接的存储模块、晶振时钟电路、I/O接口、UART接口和程序下载接口。

所述氨氮检测探头包括铵离子选择电极和模数转换电路，所述铵离子选择电极用于检测水中铵离子并产生电位差，所述模数转换电路将检测到的电位差转换成数字信号并传输给核心板。

一种生态环境监测预警方法，包括以下步骤：

通过氨氮检测探头获取反映水质监测指标的原始数据；

对氨氮监测探头采集到的原始数据进行运算和初级数据校准处理；

将初级数据校准处理后的数据进行高级校准处理，得到监测结果并存储；

向监测终端展示所述监测结果。

所述对氨氮监测探头采集到的原始数据进行运算和初级数据校准处理，具体为：将原始数据与传感器偏离经验值作差，得到初级数据校准处理的数据，所述传感器偏离经验值为所述氨氮检测探头出厂标液测试得出。

将初级数据校准处理后的数据进行高级校准处理，具体为：

随机初始化网络权值和神经元的阈值；

前向传播：逐层计算隐层神经元和输出层神经元的输入和输出；

后向传播：修正权值和阈值，直到训练集的累积误差满足终止条件。

所述前向传播，具体为：

假设输入层的节点个数为n，隐含层的节点个数为l，输出层的节点个数为m；输入层到隐含层的权重ω_ij，隐含层到输出层的权重为ω_jk，输入层到隐含层的偏置为a_j，隐含层到输出层的偏置为b_k。学习速率为η，激励函数为g(x)。其中激励函数为取Sigmoid函数，形式为：

隐含层H_j的输出为：

输出层的输出：

误差的计算公式：

其中Y_k为期望输出。记Y_k-O_k＝e_k，则可以表示为：

以上公式中，i＝1…n，j＝1…l，k＝1…m。

所述修正权值和阈值，具体为：

权值的更新公式为：

阈值的更新公式为：

所述终止条件，具体为：

设置最大迭代次数，超过设置的迭代次数后停止训练；或，

设置门限值，计算训练集在网络上的预测准确率达到门限值后停止训练。

本发明具有以下优点及有益效果：

1、精度高。可以监测的水质的氨氮浓度指标。为了实现氨氮指标的高精度监测，采用高性能的新型铵离子选择电极(具有铵离子敏感膜且能产生膜电位的电极)作为传感器，它通过与监测目标发生快速反应并产生与目标浓度成正比的电信号来工作，具有较高的灵敏度与响应速度，同时还设计温度补偿电路来防止水样温度的变化影响监测结果，最后再通过先进的校准算法进行校准，进一步提高监测精度。

2、成本低。通过采用无需耗材的物理和化学监测方法，集成多种低成本、免维护或少维护的新型传感器，与传统监测方法比较，省去了高额的耗材和试剂消耗费用，以及高昂的维护费用，让成本大幅降低。

3、实时性强。选用的低成本高性能的新型传感器具有较高的灵敏度与响应速度，可以在秒级时间内对监测目标浓度发生的变化做出响应，监测结果可以在分钟级时间内获得，实现监测结果的实时传输。

4、安装简单。采用专业结构设计，各部件为模块化结构，安装无需用地审批、站房建设，也无需大型设备到场，可以实现快速安装。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明的氨氮检测探头的结构图；

图3为本发明的通信单元的结构图；

图4为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，生态环境监测预警系统，包括供电单元、氨氮检测探头、核心板、通信单元、服务器和监测终端。

氨氮监测探头集成了铵离子选择电极等敏感元件，原理是当校准后的铵离子选择电极的选择性膜与待测水样中的铵离子溶液相接触，膜内外产生的一定的电位，这种电位的大小取决于溶液中自由铵离子的活度，它与参比电极的电位相比较即可计算出水中的氨氮浓度。如图2所示，图2氨氮监测探头底部即为铵离子敏感膜，探头内集成电位检测电路，并将采集到的信号通过模数转换后传给核心板。

核心板是一块运行工业级linux操作系统的微电脑板，主要的功能是把氨氮监测探头采集到的数据进行运算和初级数据校准处理，然后将数据通过通信系统传输到数据中心。

通信单元拥有通过运营商GPRS网络传输数据和获取GPS信息数据的能力，用于实现水质多参数监测设备和数据中心之间的通信，并对水质多参数监测设备所在位置进行GPS定位。如图3所示，通信模块主要使用集成GPRS模块和GPS模块，模块与核心板进行信息传输，再通过天线进行数据收发。

供电单元拥有太阳能供电及市电两种供电方式，可以根据不同的地理位置来进行选择，在取电方便的地方本发明可以是220V的市电对设备进行供电，在野外等没有市电的情况下本发明可以利用太阳能来对设备进行供电。

监测终端是运行的配套软件，用于展示和应用水质多参数监测设备的监测结果。监测终端可以是电脑、平板电脑，也可以是移动终端，例如，利用手机app运行配套软件，展示和应用水质多参数监测设备的监测结果。

如图4所示，本发明方法包括以下步骤：通过氨氮检测探头获取反映水质监测指标的原始数据；对氨氮监测探头采集到的原始数据进行运算和初级数据校准处理；将初级数据校准处理后的数据进行高级校准处理，得到监测结果并存储；向监测终端展示所述监测结果。

初级数据校准处理是基于对氨氮检测传感器的大量测试(用传感器检测氨氮指标并与实际氨氮指标作对比)，如不同氨氮浓度的水质、不同水温、老化损耗下传感器检测参数造成的一些偏离，根据前期测试结果总结，传感器在不同环境下的特性变化、传感器寿命内的探头损耗特性变化，对氨氮传感器采集数据进行初级数据校准。在具体实施过程中，初级数据校准处理是将原始数据与传感器偏离经验值作差，得到初级数据校准处理的数据，所述传感器偏离经验值为所述氨氮检测探头出厂标液测试得出。

高级校准处理技术需要前期大量的氨氮监测数据积累，在数据积累的过程中，基于人工神经网络算法实现的机器自主学习利用监测数据和水质实际数据，不断优化(优化的过程即机器自主学习的过程)，建立更为精准的校准数据模型。随着数据积累量的增加，此模型不断提高其准确度和可靠性。高级校准处理包括以下步骤：

随机初始化网络权值和神经元的阈值；

前向传播：逐层计算隐层神经元和输出层神经元的输入和输出；

假设输入层的节点个数为n，隐含层的节点个数为l，输出层的节点个数为m；输入层到隐含层的权重ω_ij，隐含层到输出层的权重为ω_jk，输入层到隐含层的偏置为a_j，隐含层到输出层的偏置为b_k。学习速率为η，激励函数为g(x)。其中激励函数为取Sigmoid函数，形式为：

隐含层H_j的输出为：

输出层的输出：

误差的计算公式：

其中Y_k为期望输出。记Y_k-O_k＝e_k，则可以表示为：

以上公式中，i＝1…n，j＝1…l，k＝1…m。

后向传播：修正权值和阈值，直到训练集的累积误差满足终止条件。修正权值和阈值，具体为：

权值的更新公式为：

阈值的更新公式为：

每一轮训练都使用数据集的所有记录，停止条件有下面两种：

设置最大迭代次数，超过设置的迭代次数后停止训练

设置门限值，计算训练集在网络上的预测准确率达到门限值后停止训练。

Claims (10)

1.一种生态环境监测预警系统，其特征在于，包括供电单元、氨氮检测探头、核心板、通信单元、服务器和监测终端；

所述供电单元连接氨氮检测探头、核心板和通信单元，用于为氨氮检测探头、核心板和通信单元提供工作电源；

所述氨氮检测探头连接核心板，用于浸入待测水中获取反映水质监测指标的原始数据；

所述核心板连接通信单元，用于对氨氮监测探头采集到的原始数据进行运算和初级数据校准处理；

所述通信单元用于核心板与服务器之间的通信；

所述服务器连接通信单元和监测终端，用于对核心板处理后的数据处理成监测结果并存储；

所述监测终端用于显示服务器的监测结果。

2.根据权利要求1所述的生态环境监测预警系统，其特征在于，所述监测终端包括移动终端。

3.根据权利要求1所述的生态环境监测预警系统，其特征在于，所述核心板包括MCU模块及其连接的存储模块、晶振时钟电路、I/O接口、UART接口和程序下载接口。

4.根据权利要求1所述的生态环境监测预警系统，其特征在于，所述氨氮检测探头包括铵离子选择电极和模数转换电路，所述铵离子选择电极用于检测水中铵离子并产生电位差，所述模数转换电路将检测到的电位差转换成数字信号并传输给核心板。

5.一种生态环境监测预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过氨氮检测探头获取反映水质监测指标的原始数据；

对氨氮监测探头采集到的原始数据进行运算和初级数据校准处理；

将初级数据校准处理后的数据进行高级校准处理，得到监测结果并存储；

向监测终端展示所述监测结果。

6.根据权利要求5所述的生态环境监测预警方法，其特征在于，所述对氨氮监测探头采集到的原始数据进行运算和初级数据校准处理，具体为：将原始数据与传感器偏离经验值作差，得到初级数据校准处理的数据，所述传感器偏离经验值为所述氨氮检测探头出厂标液测试得出。

7.根据权利要求5所述的生态环境监测预警方法，其特征在于，所述将初级数据校准处理后的数据进行高级校准处理，具体为：

随机初始化网络权值和神经元的阈值；

前向传播：逐层计算隐层神经元和输出层神经元的输入和输出；

后向传播：修正权值和阈值，直到训练集的累积误差满足终止条件。

8.根据权利要求7所述的生态环境监测预警方法，其特征在于，所述前向传播，具体为：

假设输入层的节点个数为n，隐含层的节点个数为l，输出层的节点个数为m；输入层到隐含层的权重ω_ij，隐含层到输出层的权重为ω_jk，输入层到隐含层的偏置为a_j，隐含层到输出层的偏置为b_k。学习速率为η，激励函数为g(x)。其中激励函数为取Sigmoid函数，形式为：

隐含层H_j的输出为：

输出层的输出：

误差的计算公式：

其中Y_k为期望输出。记Y_k-O_k＝e_k，则可以表示为：

以上公式中，i＝1…n，j＝1…l，k＝1…m。

9.根据权利要求7所述的生态环境监测预警方法，其特征在于，所述修正权值和阈值，具体为：

权值的更新公式为：

阈值的更新公式为：

10.根据权利要求7所述的生态环境监测预警方法，其特征在于，所述终止条件，具体为：

设置最大迭代次数，超过设置的迭代次数后停止训练；或，

设置门限值，计算训练集在网络上的预测准确率达到门限值后停止训练。