CN109581944A - 一种农业灌溉河道水质数据分析系统及方法 - Google Patents

一种农业灌溉河道水质数据分析系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种农业灌溉河道水质数据分析系统及方法，用于解决现有技术中灌溉河道水质不能进行实时监控及不能对河道水质做出预判的问题。本发明采用所有检测设备均为自动运行，自动检测设备检测水中各种参数，并将这些参数传送给网站服务器进行实时检测和连续检测，从而进行检测管理，故检测阶段可做到无需专人看管，水质监测全程自动化，工作人员只需定期查看及添加试剂，运维人工成本低。本发明不但对于数据超标监测点位具备自动报警功能，可对突发性环境问题做出及时判断，而且通过统计软件对水质数据进行分析，对水质变化及环境影响做成预判。鉴于以上理由，本发明可以广泛用于农业灌溉领域。

Description

一种农业灌溉河道水质数据分析系统及方法
技术领域
本发明涉及农业灌溉领域，特别是关于一种农业灌溉河道水质数据分析系统及方法。
背景技术
农业灌溉河流用水污染是指在农业生产活动中，农田中的泥沙、营养盐、农药及其它污染物，在降水或灌溉过程中，通过农田地表径流、土壤中流、农田排水和地下渗漏，进入河道水体而形成的面源污染。这些污染物主要来源于农田施肥、农药、畜禽及水产养殖和农村居民。河流污染会影响周边土壤及地下水污染，对农业安全生产不利，食品健康问题不容忽视，所有才要对灌溉河道水质进行实时监测，掌握水体污染变化规律，及时预防与治理。
按照常规监测方式进行人工采样及化验测量水质，虽然也可以达到目的，但是存在以下缺点：
①人工取样无法做到定点定时，水样数据难形成代表性。
②人工化验周期长，无法做到数据监测的时效性。
③监测数据人工保存统计，效率低，出错率高，数据易丢失。
④累计数据人工建模困难。
⑤监测数据无法做到实时公开，查询困难。
农业灌溉河道水质数据分析系统为做到实时查询及预判参考等功能，技术上必须解决以下问题：
1)监测自动化，定时化；
2)数据获取及时化，网络化；
3)数据整理需建模，基于数据模型对水质污染情况可做出预判。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术中灌溉河道水质不能进行实时监控及不能对河道水质做出预判的问题，本发明提供一种农业灌溉河道水质数据分析系统及方法来解决上述问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种农业灌溉河道水质数据分析系统，其特征在于：它包括若干监测站点和网站服务器；其中，每一所述监测站点包括采样桶、COD自动检测仪、NH3-N自动检测仪、TP自动检测仪、NTU自动检测仪、ORP探头、DO探头、PH探头、数据采集器和无线通信模块；每一所述监测站点中的所述COD自动检测仪、所述NH3-N自动检测仪、所述TP自动检测仪、所述NTU自动检测仪、所述ORP探头、所述DO探头和所述PH探头分别连接对应所述监测站点中的所述数据采集器，每一所述数据采集器通过对应所述监测站点中的所述无线通信模块连接所述网站服务器，所述COD自动检测仪、所述NH3-N自动检测仪、所述TP自动检测仪、所述NTU自动检测仪、所述ORP探头、所述DO探头和所述PH探头上均设置有远程控制模块。
所述监测站点选址于待测河道的下流位置或支流与干流交汇处。
每一所述监测站点内还设置有具有夜视功能的摄像头，且所述摄像头设置在电动云台上，所述电动云台上也设置有远程控制模块。
一种农业灌溉河道水质数据分析方法，它包括以下步骤：①河水经采样装置进入所述监测站点内所述采样桶，且监测站点中的所述COD自动检测仪、所述NH3-N自动检测仪、所述TP自动检测仪、所述NTU自动检测仪、所述ORP探头、所述DO探头、所述PH探头针对所述采样桶内的水质进行检测；②所述监测站点内所述COD自动检测仪、所述NH3-N自动检测仪、所述TP自动检测仪、所述NTU自动检测仪、所述ORP探头、所述DO探头和所述PH探头根据定时或远程遥感启动采样分析，并将数据传送给所述数据采集器；③所述数据采集器收集所述COD自动检测仪、所述NH3-N自动检测仪、所述TP自动检测仪、所述NTU自动检测仪、所述ORP探头、所述DO探头和所述PH探头所测量到的水质数据；④所述数据采集器将收集到的水质数据通过所述无线通信模块送至所述网站服务器；⑤所述网站服务器对接收到的数据输入数据库储存，并针对已存储数据进行分类归档，且数据库内存储历史数据；⑥对检测数据采用主成分分析法进行分析，针对分析后的数据通过SPSS软件统计再次进行数据分析，判断各监测数据是否超过所述网站服务器内部存储的各数据对应的阈值，实现对水质变化及环境影响做成预判；⑦在网站界面直观显示上直观实时显示当前数据与历史数据，对河段水质可以做到数据实时掌握，数据实时更新公布于专门网站，并针对超标的所述监测站点进行自动报警。
所述步骤①中，所述采样装置自带过滤器。
步骤②中，所述数据采集器与所述COD自动检测仪、所述NH3-N自动检测仪、所述TP自动检测仪、所述NTU自动检测仪、所述ORP探头、所述DO探头和所述PH探头与所述远程控制模块间通讯采用Modbus通讯协议。
所述数据采集器与所述无线通信模块之间通信采用485通讯模式。
所述网站服务器采用虚拟服务器。
本发明的有益效果是：1、本发明采用所有检测设备均为自动运行，自动检测设备检测水中各种参数，并将这些参数传送给网站服务器进行实时检测和连续检测，从而进行检测管理，故检测阶段可做到无需专人看管，水质监测全程自动化，工作人员只需定期查看及添加试剂，运维人工成本低。2、本发明在监测点中配有光伏发电设备，在市电中断情况下可自动转化为光伏供电，可保证检测设备连续运行不中断。3、本发明中监测站点安装有空调系统，保证监测站点内保持26℃恒温，确保仪器设备运行稳定。4、本发明中网站服务器为虚拟网站服务器，相比物理网站服务器运行更稳定，网络环境更安全，不存在硬件故障等优点。5、本发明的无线通讯模块采用4G无线传输模式，避免了有线网络野外布线困难的缺点，监测点选址自由度大。6、本发明的网站服务器采用虚拟网站服务器，无硬件故障干扰，运行更稳定，数据处理效率更高。7、本发明对于数据超标监测点位具备自动报警功能，可对突发性环境问题做出及时判断。8、本发明通过统计软件对水质数据进行分析，对水质变化及环境影响做成预判。9、本发明数据信息量大而全面，有视频画面，对现场情况掌握直观，且本发明数据收集价值高，对农业生产及水体污染防治都能起动直接参考作用。鉴于以上理由，本发明可以广泛用于农业灌溉领域。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明系统的整体结构示意图；
图2是本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例1
某国家级水稻示范园区灌溉用河流水质在线监测分析
监测指标名称 单位
pH
COD<sub>Cr</sub> mg/L
氨氮 mg/L
总磷(以P计) mg/L
DO mg/L
ORP mv
NTU
河道瞬时/累计流量 M<sup>3</sup>/h
如图1所示，一种农业灌溉河道水质数据分析系统，它包括若干监测站点100和网站服务器200。
其中，每一监测站点100包括采样桶101、COD自动检测仪102、NH3-N自动检测仪103、TP自动检测仪104、NTU自动检测仪105、ORP探头106、DO探头107、PH探头108、数据采集器109和无线通信模块110。
每一监测站点100中的COD自动检测仪102、NH3-N自动检测仪103、TP自动检测仪104、NTU自动检测仪105、ORP探头106、DO探头107和PH探头108分别连接对应监测站点100中的数据采集器109，每一数据采集器109通过该监测站点100中的无线通信模块110传送给网站服务器200，上述COD自动检测仪102、NH3-N自动检测仪103、TP自动检测仪104、NTU自动检测仪105、ORP探头106、DO探头107和PH探头108上均设置有远程控制模块，以便通过遥感控制各个监测设备运转。上述远程控制模块可以采用现有的任意一种远程控制模块，在此不做详述。
上述实施例中，监测站点100一般选址于待测河道的下流位置或支流与干流交汇处。
为了对现场情况进行直观监控，每一监测站点100内还设置有具有夜视功能的摄像头111，且摄像头111设置在电动云台上，电动云台上设置有远程控制模块，实现通过远程控制模块针对现场进行24小时直观旋转监控。
如图2所示，一种农业灌溉河道水质数据分析方法，它包括：
①河水经采样装置进入监测站点100内采样桶101，且监测站点中的COD自动检测仪102、NH3-N自动检测仪103、TP自动检测仪104、NTU自动检测仪105、ORP探头106、DO探头107、PH探头108针对采样桶101内的水质进行检测，一方面保证采样桶101内测量水样的实时性和有效性，另一方面避免了取样过程中水样遭受二次污染的可能性；
上述采样装置采用本领域常用的即可，在此不做限定。上述采样装置自带过滤器，在针对河水进行采样的过程中进行过滤，避免水样中杂质对测量的干扰。
②监测站点100内COD自动检测仪102、NH3-N自动检测仪103、TP自动检测仪104、NTU自动检测仪105、ORP探头106、DO探头107和PH探头108的在线监测设备根据定时或远程遥感启动采样分析，并将数据传送给所述数据采集器(109)；
③数据采集器109收集COD自动检测仪102、NH3-N自动检测仪103、TP自动检测仪104、NTU自动检测仪105、ORP探头106、DO探头107和PH探头108所测量到的水质数据；
作为优选，数据采集器109与COD自动检测仪102、NH3-N自动检测仪103、TP自动检测仪104、NTU自动检测仪105、ORP探头106、DO探头107和PH探头108同远程控制模块间通讯采用Modbus通讯协议。
上述数据采集器109与无线通信模块110之间通信采用485通讯模式。
上述ORP、DO、PH采用模拟量输出方式与数据采集器109进行通讯。
④数据采集器109将收集到的水质数据通过无线通信模块110送至网站服务器200；
作为优选，无线通讯模块112采用4G无线传输模式，避免了有线网络野外布线困难的缺点。
⑤网站服务器200对接收到的数据输入数据库储存，并针对已存储数据进行分类归档；
例如针对不同值归档到不同的位置：COD自动检测仪102检测的CODCr值、NH3-N自动检测仪103检测的氨氮值、TP自动检测仪104检测的总磷值、NTU自动检测仪105检测的NTU值、ORP探头106检测的ORP值、DO探头107检测的DO值和PH探头108检测的pH值分别归类进行存储。
作为优选，网站服务器200采用虚拟服务器(Virtual Private Service，VPS)，避免物理服务器因硬件原因无法运行而造成监测系统瘫痪，相比物理网站服务器运行更稳定，网络环境更安全。
作为优选，网站做成手机APP，增加访问的实效性。
⑥对检测数据采用主成分分析法(Principal Component Analysis，PCA)进行分析，针对分析之后的数据通过SPSS软件统计(Statistical Product and ServiceSolutions，统计产品与服务解决方案)再次进行数据分析，判断各监测数据是否超过网站服务器200内部存储的各数据对应的阈值，从而实现对水质变化及环境影响做成预判。
作为优选，根据我国气候特征数据分丰水期数据与枯水期数据，且各期间对应的阈值也不相同。
⑦在网站界面直观显示上直观实时显示当前数据与历史数据，对河段水质可以做到数据实时掌握，数据实时更新公布于专门网站，并针对超标的监测站点100进行自动报警，以便可对突发性环境问题做出及时判断。
上述自动报警可以采用声音提示等，此为本领域技术人员常用的技术手段，故不再详述。
综上可知，本发明中所有检测设备均为自动运行，故检测阶段可做到无需专人看管，工作人员只需定期查看及添加试剂，运维人工成本低。
实施例2
为了保证监测站点100的站房内保持26℃恒温，确保本发明运行稳定，可以在监测站点100安装有空调系统。
实施例3
为了保证在市电中断情况下，本发明可以连续运行不中断，本发明在监测站点100配有光伏发电设备。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种农业灌溉河道水质数据分析系统，其特征在于：它包括若干监测站点(100)和网站服务器(200)；
其中，每一所述监测站点(100)包括采样桶(101)、COD自动检测仪(102)、NH3-N自动检测仪(103)、TP自动检测仪(104)、NTU自动检测仪(105)、ORP探头(106)、DO探头(107)、PH探头(108)、数据采集器(109)和无线通信模块(110)；
每一所述监测站点(100)中的所述COD自动检测仪(102)、所述NH3-N自动检测仪(103)、所述TP自动检测仪(104)、所述NTU自动检测仪(105)、所述ORP探头(106)、所述DO探头(107)和所述PH探头(108)分别连接对应所述监测站点(100)中的所述数据采集器(109)，每一所述数据采集器(109)通过对应所述监测站点(100)中的所述无线通信模块(110)连接所述网站服务器(200)，所述COD自动检测仪(102)、所述NH3-N自动检测仪(103)、所述TP自动检测仪(104)、所述NTU自动检测仪(105)、所述ORP探头(106)、所述DO探头(107)和所述PH探头(108)上均设置有远程控制模块。
2.根据权利要求1所述的一种农业灌溉河道水质数据分析系统，其特征在于：所述监测站点(100)选址于待测河道的下流位置或支流与干流交汇处。
3.根据权利要求1所述的一种农业灌溉河道水质数据分析系统，其特征在于：每一所述监测站点(100)内还设置有具有夜视功能的摄像头(111)，且所述摄像头(111)设置在电动云台上，所述电动云台上也设置有远程控制模块。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种农业灌溉河道水质数据分析系统的分析方法，它包括以下步骤：
①河水经采样装置进入所述监测站点(100)内所述采样桶(101)，且监测站点中的所述COD自动检测仪(102)、所述NH3-N自动检测仪(103)、所述TP自动检测仪(104)、所述NTU自动检测仪(105)、所述ORP探头(106)、所述DO探头(107)、所述PH探头(108)针对所述采样桶(101)内的水质进行检测；
②所述监测站点(100)内所述COD自动检测仪(102)、所述NH3-N自动检测仪(103)、所述TP自动检测仪(104)、所述NTU自动检测仪(105)、所述ORP探头(106)、所述DO探头(107)和所述PH探头(108)根据定时或远程遥感启动采样分析，并将数据传送给所述数据采集器(109)；
③所述数据采集器(109)收集所述COD自动检测仪(102)、所述NH3-N自动检测仪(103)、所述TP自动检测仪(104)、所述NTU自动检测仪(105)、所述ORP探头(106)、所述DO探头(107)和所述PH探头(108)所测量到的水质数据；
④所述数据采集器(109)将收集到的水质数据通过所述无线通信模块(110)送至所述网站服务器(200)；
⑤所述网站服务器(200)对接收到的数据输入数据库储存，并针对已存储数据进行分类归档，且数据库内存储历史数据；
⑥对检测数据采用主成分分析法进行分析，针对分析后的数据通过SPSS软件统计再次进行数据分析，判断各监测数据是否超过所述网站服务器(200)内部存储的各数据对应的阈值，实现对水质变化及环境影响做成预判；
⑦在网站界面直观显示上直观实时显示当前数据与历史数据，对河段水质可以做到数据实时掌握，数据实时更新公布于专门网站，并针对超标的所述监测站点(100)进行自动报警。
5.根据权利要求4所述的一种农业灌溉河道水质数据分析方法，其特征在于：所述步骤①中，所述采样装置自带过滤器。
6.根据权利要求4所述的一种农业灌溉河道水质数据分析方法，其特征在于：步骤②中，所述数据采集器(109)与所述COD自动检测仪(102)、所述NH3-N自动检测仪(103)、所述TP自动检测仪(104)、所述NTU自动检测仪(105)、所述ORP探头(106)、所述DO探头(107)和所述PH探头(108)与所述远程控制模块间通讯采用Modbus通讯协议。
7.根据权利要求5所述的一种农业灌溉河道水质数据分析方法，其特征在于：步骤②中，所述数据采集器(109)与所述COD自动检测仪(102)、所述NH3-N自动检测仪(103)、所述TP自动检测仪(104)、所述NTU自动检测仪(105)、所述ORP探头(106)、所述DO探头(107)和所述PH探头(108)与所述远程控制模块间通讯采用Modbus通讯协议。
8.根据权利要求4或5或6或7所述的一种农业灌溉河道水质数据分析方法，其特征在于：所述数据采集器(109)与所述无线通信模块(110)之间通信采用485通讯模式。
9.根据权利要求4或5或6或7所述的一种农业灌溉河道水质数据分析方法，其特征在于：所述网站服务器(200)采用虚拟服务器。
10.根据权利要求8所述的一种农业灌溉河道水质数据分析方法，其特征在于：所述网站服务器(200)采用虚拟服务器。
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