CN111028193B - 实时水面数据监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实时水面数据监控系统，包括：气泡测量设备，与现场平滑设备连接，用于基于气泡外形特征对现场平滑图像执行气泡目标的检测，以获得所述现场平滑图像中单位面积内的气泡目标数量；数据转换设备，与所述气泡测量设备连接，用于在所述现场平滑图像中单位面积内的气泡目标数量超限时，将实时治污请求通过ZIGBEE通信链路发送给远端的水体治理平台。本发明的实时水面数据监控系统监控有效，应用广泛。由于鉴于水面上单位面积的气泡数量能够反映出水体中有机物的分布密度的特性，建立了基于水面气泡数量的治污请求信号触发机制，从而实现了对水面污染程度的实时监控。
Description
技术领域
本发明涉及污水监控领域，尤其涉及一种实时水面数据监控系统。
背景技术
污水处理(sewage treatment,wastewater treatment)：为使污水达到排入某一水体或再次使用的水质要求对其进行净化的过程。污水处理被广泛应用于建筑、农业、交通、能源、石化、环保、城市景观、医疗、餐饮等各个领域，也越来越多地走进寻常百姓的日常生活。
按污水来源分类，污水处理一般分为生产污水处理和生活污水处理。生产污水包括工业污水、农业污水以及医疗污水等，而生活污水就是日常生活产生的污水，是指各种形式的无机物和有机物的复杂混合物，包括：(1)漂浮和悬浮的大小固体颗粒；(2)胶状和凝胶状扩散物；(3)纯溶液。
按水污的质性来分，水的污染有两类：一类是自然污染；另一类是人为污染，当前对水体危害较大的是人为污染。水污染可根据污染杂质的不同而主要分为化学性污染、物理性污染和生物性污染三大类。污染物主要有：(1)未经处理而排放的工业废水；(2)未经处理而排放的生活污水；(3)大量使用化肥、农药、除草剂的农田污水；(4)堆放在河边的工业废弃物和生活垃圾；(5)水土流失；(6)矿山污水。
发明内容
本发明至少具有以下两个重要发明点：
(1)鉴于水面上单位面积的气泡数量能够反映出水体中有机物的分布密度的特性，建立了基于水面气泡数量的治污请求信号触发机制，从而实现了对水面污染程度的实时监控；
(2)在实时滤波的基础上，对于LAB分量空间下的不同分量执行不同的针对性的图像处理，之后再执行后续的叠加处理和图像平滑处理，从而减少了图像处理的运算量。
根据本发明的一方面，提供了一种实时水面数据监控系统，所述系统包括：
气泡测量设备，与现场平滑设备连接，用于基于气泡外形特征对现场平滑图像执行气泡目标的检测，以获得所述现场平滑图像中单位面积内的气泡目标数量；
数据转换设备，与所述气泡测量设备连接，用于在所述现场平滑图像中单位面积内的气泡目标数量超限时，将实时治污请求通过ZIGBEE通信链路发送给远端的水体治理平台；
所述数据转换设备还用于在所述现场平滑图像中单位面积内的气泡目标数量未超限时，停止发送实时治污请求；
对象检测设备，用于接收对水面实时拍摄所获得的实时水面图像，对所述实时水面图像中的对象进行检测，以从所述实时水面图像中分割出各个对象分别对应的各个对象区域；
数值比较设备，与所述对象检测设备连接，用于对各个对象区域进行面积比较，以将最大面积的对象区域占据所述实时水面图像的面积比例作为代表性比例输出；
实时滤波设备，与所述数值比较设备连接，用于接收所述实时水面图像，对所述实时水面图像执行自适应递归滤波处理，以获得对应的实时滤波图像，还用于在接收到的代表性比例超过预设比例阈值时，实时滤波设备被恢复电力连接，否则，实时滤波设备被切断电力连接；
第一增强设备，与所述实时滤波设备连接，用于接收所述实时滤波图像，对所述实时滤波图像中各个像素点的各个红绿分量组成的红绿分量子图像执行边缘增强处理，以获得第一增强图像；
第二增强设备，与所述实时滤波设备连接，用于接收所述实时滤波图像，对所述实时滤波图像中各个像素点的各个黄蓝分量组成的黄蓝分量子图像执行锐化处理，以获得第二增强图像；
第三增强设备，与所述实时滤波设备连接，用于接收所述实时滤波图像，对所述实时滤波图像中各个像素点的各个黑白分量组成的黑白分量子图像执行对比度提升处理，以获得第三增强图像；
现场平滑设备，分别与所述第一增强设备、所述第二增强设备和所述第三增强设备，用于将所述第一增强图像、所述第二增强图像和所述第三增强图像叠加后的图像执行图像平滑处理，以获得对应的现场平滑图像。
本发明的实时水面数据监控系统监控有效，应用广泛。由于鉴于水面上单位面积的气泡数量能够反映出水体中有机物的分布密度的特性，建立了基于水面气泡数量的治污请求信号触发机制，从而实现了对水面污染程度的实时监控。
具体实施方式
下面将对本发明的实时水面数据监控系统的实施方案进行详细说明。
图像识别的发展经历了三个阶段：文字识别、数字图像处理与识别、物体识别。文字识别的研究是从1950年开始的，一般是识别字母、数字和符号，从印刷文字识别到手写文字识别，应用非常广泛。
数字图像处理和识别的研究开始于1965年。数字图像与模拟图像相比具有存储，传输方便可压缩、传输过程中不易失真、处理方便等巨大优势，这些都为图像识别技术的发展提供了强大的动力。物体的识别主要指的是对三维世界的客体及环境的感知和认识，属于高级的计算机视觉范畴。它是以数字图像处理与识别为基础的结合人工智能、系统学等学科的研究方向，其研究成果被广泛应用在各种工业及探测机器人上。现代图像识别技术的一个不足就是自适应性能差，一旦目标图像被较强的噪声污染或是目标图像有较大残缺往往就得不出理想的结果。
目前缺乏对水面数据的实时监控机制，导致无法鉴于水面上单位面积的气泡数量能够反映出水体中有机物的分布密度的特性对水面污染程度进行实时监控，尤其是无法有效利用图像识别技术进行水面上的气泡目标进行检测，使得目前的水面污染监控缺乏可靠直观的检测数据。
为了克服上述不足，本发明搭建了一种实时水面数据监控系统，能够有效解决相应的技术问题。
根据本发明实施方案示出的实时水面数据监控系统包括：
气泡测量设备，与现场平滑设备连接，用于基于气泡外形特征对现场平滑图像执行气泡目标的检测，以获得所述现场平滑图像中单位面积内的气泡目标数量；
数据转换设备，与所述气泡测量设备连接，用于在所述现场平滑图像中单位面积内的气泡目标数量超限时，将实时治污请求通过ZIGBEE通信链路发送给远端的水体治理平台；
所述数据转换设备还用于在所述现场平滑图像中单位面积内的气泡目标数量未超限时，停止发送实时治污请求；
对象检测设备，用于接收对水面实时拍摄所获得的实时水面图像，对所述实时水面图像中的对象进行检测，以从所述实时水面图像中分割出各个对象分别对应的各个对象区域；
数值比较设备，与所述对象检测设备连接，用于对各个对象区域进行面积比较，以将最大面积的对象区域占据所述实时水面图像的面积比例作为代表性比例输出；
实时滤波设备，与所述数值比较设备连接，用于接收所述实时水面图像，对所述实时水面图像执行自适应递归滤波处理，以获得对应的实时滤波图像，还用于在接收到的代表性比例超过预设比例阈值时，实时滤波设备被恢复电力连接，否则，实时滤波设备被切断电力连接；
第一增强设备，与所述实时滤波设备连接，用于接收所述实时滤波图像，对所述实时滤波图像中各个像素点的各个红绿分量组成的红绿分量子图像执行边缘增强处理，以获得第一增强图像；
第二增强设备，与所述实时滤波设备连接，用于接收所述实时滤波图像，对所述实时滤波图像中各个像素点的各个黄蓝分量组成的黄蓝分量子图像执行锐化处理，以获得第二增强图像；
第三增强设备，与所述实时滤波设备连接，用于接收所述实时滤波图像，对所述实时滤波图像中各个像素点的各个黑白分量组成的黑白分量子图像执行对比度提升处理，以获得第三增强图像；
现场平滑设备，分别与所述第一增强设备、所述第二增强设备和所述第三增强设备，用于将所述第一增强图像、所述第二增强图像和所述第三增强图像叠加后的图像执行图像平滑处理，以获得对应的现场平滑图像；
其中，在所述气泡测量设备中，所述现场平滑图像中单位面积为50像素乘以50像素的像素窗口；
其中，所述数据转换设备包括ZIGBEE通信单元和控制单元，所述ZIGBEE通信单元与所述控制单元连接；
其中，所述现场平滑设备包括叠加处理子设备和平滑处理子设备，所述叠加处理子设备和所述平滑处理子设备连接；
其中，所述叠加处理子设备用于将所述第一增强图像、所述第二增强图像和所述第三增强图像叠加；
其中，所述平滑处理子设备用于将所述第一增强图像、所述第二增强图像和所述第三增强图像叠加后的图像执行图像平滑处理；
其中，所述对象检测设备由数据接收子设备、检测执行子设备、区域分割子设备和数据输出子设备组成。
接着，继续对本发明的实时水面数据监控系统的具体结构进行进一步的说明。
在所述实时水面数据监控系统中：
在所述对象检测设备中，所述检测执行子设备分别与所述数据接收子设备和所述区域分割子设备连接。
在所述实时水面数据监控系统中：
在所述对象检测设备中，所述区域分割子设备分别与所述数据接收子设备和所述检测执行子设备连接。
在所述实时水面数据监控系统中，还包括：
湿度调控设备，设置在气泡测量设备的附近，与数据调节设备连接，用于在即时设备湿度不在预设湿度范围时，对气泡测量设备的附近执行湿度调控，以使得即时设备湿度落在所述预设湿度范围。
在所述实时水面数据监控系统中，还包括：
本地检测设备，与气泡测量设备连接，设置在气泡测量设备的一侧，用于对气泡测量设备所在环境的湿度进行测量动作，以获得对应的本端湿度数值。
在所述实时水面数据监控系统中，还包括：
辅助检测设备，设置在气泡测量设备的远端，位于现场平滑设备的一侧，用于对现场平滑设备所在环境的湿度进行测量动作，以获得对应的远端湿度数值。
在所述实时水面数据监控系统中，还包括：
间距识别设备，包括红外发射单元、红外接收单元和AT89C51控制器，所述红外接收单元和所述AT89C51控制器设置在所述本地检测设备上，所述红外发射单元设置在所述辅助检测设备上，以用于基于所述红外发射单元发射红外信号以及所述红外接收单元接收红外信号的间隔时间确定所述本地检测设备和所述辅助检测设备之间的距离以作为设备间距输出。
在所述实时水面数据监控系统中，还包括：
数据调节设备，与所述间距识别设备连接，用于基于所述设备间距确定所述本地检测设备的本端湿度数值的影响因子以及所述辅助检测设备的远端湿度数值的影响因子，还用于基于所述本端湿度数值、所述本端湿度数值的影响因子、所述远端湿度数值和所述远端湿度数值的影响因子确定气泡测量设备的即时设备湿度。
在所述实时水面数据监控系统中，还包括：
频分双工通讯接口，与所述数据调节设备连接，用于通过频分双工通讯网络向配置服务器请求配置策略以获得加密后的配置策略，并对所述加密后的配置策略进行解密操作，所述配置策略用于基于所述设备间距确定所述本地检测设备的本端湿度数值的影响因子以及所述辅助检测设备的远端湿度数值的影响因子。
在所述实时水面数据监控系统中：
所述湿度调控设备包括加湿处理单元、除湿处理单元和调控处理单元，所述调控处理单元分别与所述加湿处理单元和所述除湿处理单元连接。
另外，ZIGBEE是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZIGBEE技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称(又称紫蜂协议)来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(ZIG)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZIGBEE就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZIGBEE是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZIGBEE协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (9)
1.一种实时水面数据监控系统，其特征在于，包括：
气泡测量设备，与现场平滑设备连接，用于基于气泡外形特征对现场平滑图像执行气泡目标的检测，以获得所述现场平滑图像中单位面积内的气泡目标数量；
数据转换设备，与所述气泡测量设备连接，用于在所述现场平滑图像中单位面积内的气泡目标数量超限时，将实时治污请求通过ZIGBEE通信链路发送给远端的水体治理平台；
所述数据转换设备还用于在所述现场平滑图像中单位面积内的气泡目标数量未超限时，停止发送实时治污请求；
对象检测设备，用于接收对水面实时拍摄所获得的实时水面图像，对所述实时水面图像中的对象进行检测，以从所述实时水面图像中分割出各个对象分别对应的各个对象区域；
数值比较设备，与所述对象检测设备连接，用于对各个对象区域进行面积比较，以将最大面积的对象区域占据所述实时水面图像的面积比例作为代表性比例输出；
实时滤波设备，与所述数值比较设备连接，用于接收所述实时水面图像，对所述实时水面图像执行自适应递归滤波处理，以获得对应的实时滤波图像，还用于在接收到的代表性比例超过预设比例阈值时，实时滤波设备被恢复电力连接，否则，实时滤波设备被切断电力连接；
第一增强设备，与所述实时滤波设备连接，用于接收所述实时滤波图像，对所述实时滤波图像中各个像素点的各个红绿分量组成的红绿分量子图像执行边缘增强处理，以获得第一增强图像；
第二增强设备，与所述实时滤波设备连接，用于接收所述实时滤波图像，对所述实时滤波图像中各个像素点的各个黄蓝分量组成的黄蓝分量子图像执行锐化处理，以获得第二增强图像；
第三增强设备，与所述实时滤波设备连接，用于接收所述实时滤波图像，对所述实时滤波图像中各个像素点的各个黑白分量组成的黑白分量子图像执行对比度提升处理，以获得第三增强图像；
现场平滑设备，分别与所述第一增强设备、所述第二增强设备和所述第三增强设备，用于将所述第一增强图像、所述第二增强图像和所述第三增强图像叠加后的图像执行图像平滑处理，以获得对应的现场平滑图像；
其中，在所述气泡测量设备中，所述现场平滑图像中单位面积为50像素乘以50像素的像素窗口；
其中，所述数据转换设备包括ZIGBEE通信单元和控制单元，所述ZIGBEE通信单元与所述控制单元连接；
其中，所述现场平滑设备包括叠加处理子设备和平滑处理子设备，所述叠加处理子设备和所述平滑处理子设备连接；
其中，所述叠加处理子设备用于将所述第一增强图像、所述第二增强图像和所述第三增强图像叠加；
其中，所述平滑处理子设备用于将所述第一增强图像、所述第二增强图像和所述第三增强图像叠加后的图像执行图像平滑处理；
其中，所述对象检测设备由数据接收子设备、检测执行子设备、区域分割子设备和数据输出子设备组成。
2.如权利要求1所述的实时水面数据监控系统，其特征在于：
在所述对象检测设备中，所述检测执行子设备分别与所述数据接收子设备和所述区域分割子设备连接。
3.如权利要求2所述的实时水面数据监控系统，其特征在于：
在所述对象检测设备中，所述区域分割子设备分别与所述数据接收子设备和所述检测执行子设备连接。
4.如权利要求3所述的实时水面数据监控系统，其特征在于，所述系统还包括：
湿度调控设备，设置在气泡测量设备的附近，与数据调节设备连接，用于在即时设备湿度不在预设湿度范围时，对气泡测量设备的附近执行湿度调控，以使得即时设备湿度落在所述预设湿度范围。
5.如权利要求4所述的实时水面数据监控系统，其特征在于，所述系统还包括：
本地检测设备，与气泡测量设备连接，设置在气泡测量设备的一侧，用于对气泡测量设备所在环境的湿度进行测量动作，以获得对应的本端湿度数值。
6.如权利要求5所述的实时水面数据监控系统，其特征在于，所述系统还包括：
辅助检测设备，设置在气泡测量设备的远端，位于现场平滑设备的一侧，用于对现场平滑设备所在环境的湿度进行测量动作，以获得对应的远端湿度数值。
7.如权利要求6所述的实时水面数据监控系统，其特征在于，所述系统还包括：
间距识别设备，包括红外发射单元、红外接收单元和AT89C51控制器，所述红外接收单元和所述AT89C51控制器设置在所述本地检测设备上，所述红外发射单元设置在所述辅助检测设备上，以用于基于所述红外发射单元发射红外信号以及所述红外接收单元接收红外信号的间隔时间确定所述本地检测设备和所述辅助检测设备之间的距离以作为设备间距输出。
8.如权利要求7所述的实时水面数据监控系统，其特征在于，所述系统还包括：
数据调节设备，与所述间距识别设备连接，用于基于所述设备间距确定所述本地检测设备的本端湿度数值的影响因子以及所述辅助检测设备的远端湿度数值的影响因子，还用于基于所述本端湿度数值、所述本端湿度数值的影响因子、所述远端湿度数值和所述远端湿度数值的影响因子确定气泡测量设备的即时设备湿度。
9.如权利要求8所述的实时水面数据监控系统，其特征在于，所述系统还包括：
频分双工通讯接口，与所述数据调节设备连接，用于通过频分双工通讯网络向配置服务器请求配置策略以获得加密后的配置策略，并对所述加密后的配置策略进行解密操作，所述配置策略用于基于所述设备间距确定所述本地检测设备的本端湿度数值的影响因子以及所述辅助检测设备的远端湿度数值的影响因子。
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