CN111551213A - 一种城市河涌水环境自动监测采样系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于图像识别技术领域，公开了一种城市河涌水环境自动监测采样系统及其工作方法，所述的系统包括监控平台、若干工控机以及若干水质检测单元，监控平台和工控机均分别与若干水质检测单元通信连接；若干工控机分别设置于城市河流的各个分流点，若干水质检测单元分别设置于城市河流的各个分流点以及两个分流点之间，每个水质检测单元包括主控模块、供电模块、定位模块、通讯模块、水质采样模块和水质检测模块。本发明解决了现有技术存在的水环境的监测和采样工作困难、人力和物力投入大以及实时性差的问题。

Description

一种城市河涌水环境自动监测采样系统及其工作方法

技术领域

本发明属于水环境监测技术领域，具体涉及一种城市河涌水环境自动监测采样系统及其工作方法。

背景技术

伴随着国内经济的快速发展，城市重工业的进步也带来不小的负面影响，尤其是对城市水环境的污染问题，如何对水资源进行保护和治理是当今社会经济发展的一个十分重要的现实问题。目前，城市内的一些河流水域长，流经的环境复杂，对水环境的监测和采样工作带来巨大的困难，需要投入大量的人力和物力，并且无法进行实时的在线监测。

发明内容

本发明旨在于至少在一定程度上解决上述技术问题之一。

为此，本发明目的在于提供一种城市河涌水环境自动监测采样系统及其工作方法，解决了现有技术存在的水环境的监测和采样工作困难、人力和物力投入大以及实时性差的问题。

本发明所采用的技术方案为：

一种城市河涌水环境自动监测采样系统，包括监控平台、若干工控机以及若干水质检测单元，监控平台和工控机均分别与若干水质检测单元通信连接；

若干工控机分别设置于城市河流的各个分流点，若干水质检测单元分别设置于城市河流的各个分流点以及两个分流点之间，每个水质检测单元包括主控模块、供电模块、定位模块、通讯模块、水质采样模块和水质检测模块，主控模块分别与定位模块、通讯模块、水质采样模块和水质检测模块通信连接，通讯模块分别与监控平台和工控机通信连接，供电模块分别与主控模块、定位模块、通讯模块、水质采样模块和水质检测模块电性连接。

进一步地，主控模块包括微处理器、内存子模块、A/D转换器、LED子模块以及蜂鸣器，微处理器分别与定位模块、通讯模块、水质采样模块、内存子模块、A/D转换器、LED子模块以及蜂鸣器通信连接，A/D转换器与水质检测模块通信连接；

供电模块分别与微处理器、A/D转换器、LED子模块以及蜂鸣器电性连接。

进一步地，水质检测模块包括均与主控模块通信连接的溶解氧传感器、PH值传感器、氨氮值传感器、温度传感器、浊度传感器、水位传感器以及重金属传感器；

供电模块分别与溶解氧传感器、PH值传感器、氨氮值传感器、温度传感器、浊度传感器、水位传感器以及重金属传感器电性连接。

进一步地，水质采样模块包括水质采样装置、管路、水箱以及水泵，水质检测模块设置于水质采样装置的内部，水质采样装置的进水口和出水口均设置有电磁阀，电磁阀的控制端与主控模块通信连接，水质采样装置的进水口设置有水泵，水泵的输出端与水箱固定连接，且其控制端与主控模块通信连接，水箱设置有取样口；

供电模块分别与水泵和电磁阀电性连接。

进一步地，通讯模块为无线通讯模块，无线通讯模块的发射端位于水质检测单元且与微处理器通信连接，无线通讯模块的第一接收端位于工控机且与工控机通信连接，无线通讯模块的第二接收端位于监控平台且与监控平台通信连接。

进一步地，供电模块包括电源、太阳能光伏板以及充电子模块，太阳能光伏板通过充电子模块与电源电性连接，电源分别与主控模块、定位模块、通讯模块、水质采样模块和水质检测模块电性连接。

进一步地，定位模块为GPS定位模块，GPS定位模块与主控模块通信连接。

进一步地，监控平台包括显示屏和分布式服务器，分布式服务器包括主服务器和若干子服务器，主服务器分别与若干子服务器通信连接，且主服务器通过通讯模块与对应的水质检测单元的主控模块通信连接。

一种城市河涌水环境自动监测采样系统工作方法，包括如下步骤：

S1：使用监控平台或工控机通过通讯模块向位于城市各个检测点的水质检测单元发送采样工作信号；

S2：使用水质检测单元接受采样工作信号，并使用主控模块判断是否到达采样周期预设值，若是则进行检测和采样工作，并将检测结果数据以及当前水质检测单元的位置数据进行存储和发送，否则重复步骤S2，等待采样周期预设值到达；

S3：使用监控平台或工控机接收各个水质检测单元的检测结果数据以位置数据，并进行显示和存储。

进一步地，步骤S2中，进行检测和采样工作的具体方法为：

A1：控制电磁阀打开，使流水进入水质采样装置内部；

A2：使用水质检测模块对当前水环境的水质进行检测，获得检测结果

A3：使用水泵抽取当前流水，并将流水存储至水箱，实现采样工作。

本发明的有益效果为：

1)本发明采用水质检测单元对城市水环境进行自动检测和采样，并通过监控平台或工控机进行实时的显示和存储，解决了监测和采样工作困难问题，并且减少人力和物力投入，提高了实时性；

2)使用分布式服务器，便于海量数据的存储，使用定位模块，便于对水质检测单元进行检修，使用太阳能光伏板，减少了资源消耗；

3)通讯模块为无线通讯模块，其具体型号为CZ80DTD，其是一种点对点无线远传装置是一款为了实现无需布线远传模拟量而精心设计的工业级产品，其终端利用无线网络技术，采用点对点的方式实现对模拟量通过无线的形式远传至终点再以模拟量的形式输出，供给后端系统、采集器或其他二次显示仪表，CZ80DTD由无线发射端和无线接收端组成，发射端采集数据(如4-20mA)，接收端接收数据并还原数据(如4-20mA)，CZ80DTD模拟量点对点无线传输具有零调试、高精度(0.15％)、上电自动连接，不用外部网络或电台等特点；

4)GPS定位模块的具体型号为SKG12XR，是一款BDS/GPS双系统厘米级导航定位模块，能够同时支持BDSB1、GPSL1两个频点，内置RTK算法，具有高灵敏度、抗干扰、高性能等特点。

本发明的其他有益效果将在具体实施方式中进行详细说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是城市河涌水环境自动监测采样系统结构框图；

图2是水质检测单元结构框图；

图3是主控模块结构框图；

图4是城市河涌水环境自动监测采样系统工作方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本发明公开的功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本发明阐述的实施例中。

应当理解，本发明使用的术语仅用于描述特定实施例，并不意在限制本发明的示例实施例。若术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”在本发明中被使用时，指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性，并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。

应当理解，还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如，取决于所涉及的功能/动作，实际上可以实质上并发地执行，或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。

应当理解，在下面的描述中提供了特定的细节，以便于对示例实施例的完全理解。然而，本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实例中，可以不以不必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种城市河涌水环境自动监测采样系统，包括监控平台、若干工控机以及如图2所示的若干水质检测单元，监控平台和工控机均分别与若干水质检测单元通信连接；

工控机即工业控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称，工控机具有重要的计算机属性和特征，如具有计算机CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面，工控行业的产品和技术非常特殊，属于中间产品，是为其他各行业提供可靠、嵌入式、智能化的工业计算机，在本实施例中，使用工控机对支流的水质检测单元的水质采样模块进行控制，同时使用人机界面对该支流的水质检测结果数据进行显示；

因为工控机和水质检测单元的设置位置为露天环境，所以为了保证城市河涌水环境自动监测采样系统的正常运行，每个工控机和水质检测单元的外部均设置有防水结构，本实施例中，采用的橡胶套，并且工控机和水质检测单元的设置位置的设置位置应当远离居民区以及长期处于太阳暴晒的位置，提高了城市河涌水环境自动监测采样系统运行的可靠性；

若干工控机分别设置于城市河流的各个分流点，若干水质检测单元分别设置于城市河流的各个分流点以及两个分流点之间，便于对当前河流支流的水环境进行检测，判断污染源，每个分流点设置一个工控机，利用工控机控制该支流的水质检测单元的检测和采样工作，每个水质检测单元包括主控模块、供电模块、定位模块、通讯模块、水质采样模块和水质检测模块，主控模块分别与定位模块、通讯模块、水质采样模块和水质检测模块通信连接，通讯模块分别与监控平台和工控机通信连接，供电模块分别与主控模块、定位模块、通讯模块、水质采样模块和水质检测模块电性连接。

作为优选，如图2所示，主控模块包括具体型号为STM32F103的微处理器、内存子模块、A/D转换器、LED子模块以及蜂鸣器，微处理器分别与定位模块、通讯模块、水质采样模块、内存子模块、A/D转换器、LED子模块以及蜂鸣器通信连接，A/D转换器与水质检测模块通信连接；

STM32F103系列微处理器是首款基于ARMv7-M体系结构的32位标准RISC(精简指令集)处理器，提供很高的代码效率，在通常8位和16位系统的存储空间上发挥了ARM内核的高性能，该系列微处理器工作频率为72MHz，内置高达128K字节的Flash存储器和20K字节的SRAM，具有丰富的通用I/O端口；作为嵌入式ARM处理器，它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的引脚数目、降低的系统功耗，同时提供了卓越的计算性能和先进的中断响应系统；

微处理器自动控制水质采样模块进行采样，通过A/D转换器将质检测模块采集到的当前水环境的水质数据进行处理和存储至内存子模块，使用定位模块获取当前位置数据，并通过通讯模块将检测数据和位置数据发送至监控平台和工控机，当当前水质检测单元发生故障时，通过LED子模块以及蜂鸣器进行灯光显示并发出警报，同时向工控机和监控平台发送报警信号，工控机负责当前支流的水质采样模块控制以及检测数据和位置数据的显示和存储，监控平台负责城市所有河流的水环境监测；

供电模块分别与微处理器、A/D转换器、LED子模块以及蜂鸣器电性连接。

作为优选，水质检测模块包括均与主控模块通信连接的溶解氧传感器、PH值传感器、氨氮值传感器、温度传感器、浊度传感器、水位传感器以及重金属传感器，采集当前水环境的溶解氧浓度、PH值、氨氮值浓度、温度、浊度、重金属浓度以及当前水位；

供电模块分别与溶解氧传感器、PH值传感器、氨氮值传感器、温度传感器、浊度传感器、水位传感器以及重金属传感器电性连接。

作为优选，水质采样模块包括水质采样装置、管路、水箱以及水泵，水质检测模块设置于水质采样装置的内部，水质采样装置的进水口和出水口均设置有电磁阀，电磁阀的控制端与主控模块通信连接，水质采样装置的进水口设置有水泵，水泵的输出端与水箱固定连接，且其控制端与主控模块通信连接，水箱设置有取样口；

使用微处理器自动控制或工控机人工控制电磁阀打开，流水进入水质采样装置，水质检测模块检测当前水环境的水质情况，水泵打开，进行采样，并将水样存储至水箱中，当超过预设的水样提取周期后且并未对水箱中的水样进行进行处理时，下一次采样周期开始时，打开水泵，抽取大量当前水样，对水箱中上传采集的水样进行更新，并通过采样口排出；

供电模块分别与水泵和电磁阀电性连接。

作为优选，通讯模块为无线通讯模块，其具体型号为CZ80DTD，其是一种点对点无线远传装置是一款为了实现无需布线远传模拟量而精心设计的工业级产品，其终端利用无线网络技术，采用点对点的方式实现对模拟量通过无线的形式远传至终点再以模拟量的形式输出，供给后端系统、采集器或其他二次显示仪表，CZ80DTD由无线发射端和无线接收端组成，发射端采集数据(如4-20mA)，接收端接收数据并还原数据(如4-20mA)，CZ80DTD模拟量点对点无线传输具有零调试、高精度(0.15％)、上电自动连接，不用外部网络或电台等特点，无线通讯模块的发射端位于水质检测单元且与微处理器通信连接，无线通讯模块的第一接收端位于工控机且与工控机通信连接，无线通讯模块的第二接收端位于监控平台且与监控平台通信连接。

作为优选，供电模块包括电源、太阳能光伏板以及充电子模块，太阳能光伏板通过充电子模块与电源电性连接，电源分别与主控模块、定位模块、通讯模块、水质采样模块和水质检测模块电性连接；

由于水质检测单元数量众多，使用太阳能光伏板对电源进行充电，节约了能源消耗太阳能光伏板应当设置于检测点河流水平面之上，便于接受阳光照射；

作为优选，定位模块为GPS定位模块，其具体型号为SKG12XR，是一款BDS/GPS双系统厘米级导航定位模块，能够同时支持BDSB1、GPSL1两个频点，内置RTK算法，具有高灵敏度、抗干扰、高性能等特点，GPS定位模块与主控模块通信连接，提供每个水质检测单元的具体精确位置，便于对水质检测单元进行检修和水样和检测结果数据提取。

作为优选，监控平台包括显示屏和分布式服务器，分布式服务器包括主服务器和若干子服务器，主服务器分别与若干子服务器通信连接，且主服务器通过通讯模块与对应的水质检测单元的主控模块通信连接，分布式服务器能够对海量的检测结果数据和各水质检测单元的位置数据进行处理和存储，提高了处理效率和系统的实用性。

一种城市河涌水环境自动监测采样系统工作方法，如图3所示，包括如下步骤：

S1：使用监控平台或工控机通过通讯模块向位于城市各个检测点的水质检测单元发送采样工作信号；

S2：使用水质检测单元接受采样工作信号，并使用主控模块判断是否到达采样周期预设值，若是则进行检测和采样工作，并将检测结果数据以及当前水质检测单元的位置数据进行存储和发送，否则重复步骤S2，等待采样周期预设值到达；

在本步骤中，无论是否接到采样工作信号，主控模块在到达采样周期预设值的时候，都会进行检测和采样工作，并将检测结果数据进行存储，并根据预设的数据发送周期向监控平台或工控机发送数据，为了节约监控平台和工控机的存储空间，一般数据发送周期大于采样周期，即将较频繁的检测数据存储至每个水质检测单元的内存子模块，而将一般频率的检测数据和对应的水质检测单元的位置数据存储至监控平台或工控机，即保证了监控平台或工控机的工作效率又实现了实时监控；当接到采样工作信号，会根据最近的采样周期预设值向监控平台或工控机发送数据；

进行检测和采样工作的具体方法为：

A1：控制电磁阀打开，使流水进入水质采样装置内部；

A2：使用水质检测模块对当前水环境的水质进行检测，获得检测结果

A3：使用水泵抽取当前流水，并将流水存储至水箱，实现采样工作；

S3：使用监控平台或工控机接收各个水质检测单元的检测结果数据以位置数据，并进行显示和存储。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种城市河涌水环境自动监测采样系统，其特征在于：包括监控平台、若干工控机以及若干水质检测单元，所述的监控平台和工控机均分别与若干水质检测单元通信连接；

若干所述的工控机分别设置于城市河流的各个分流点，若干所述的水质检测单元分别设置于城市河流的各个分流点以及两个分流点之间，每个所述的水质检测单元包括主控模块、供电模块、定位模块、通讯模块、水质采样模块和水质检测模块，所述的主控模块分别与定位模块、通讯模块、水质采样模块和水质检测模块通信连接，所述的通讯模块分别与监控平台和工控机通信连接，所述的供电模块分别与主控模块、定位模块、通讯模块、水质采样模块和水质检测模块电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种城市河涌水环境自动监测采样系统，其特征在于：所述的主控模块包括微处理器、内存子模块、A/D转换器、LED子模块以及蜂鸣器，所述的微处理器分别与定位模块、通讯模块、水质采样模块、内存子模块、A/D转换器、LED子模块以及蜂鸣器通信连接，所述的A/D转换器与水质检测模块通信连接；

所述的供电模块分别与微处理器、A/D转换器、LED子模块以及蜂鸣器电性连接。

3.根据权利要求1所述的一种城市河涌水环境自动监测采样系统，其特征在于：所述的水质检测模块包括均与主控模块通信连接的溶解氧传感器、PH值传感器、氨氮值传感器、温度传感器、浊度传感器、水位传感器以及重金属传感器；

所述的供电模块分别与溶解氧传感器、PH值传感器、氨氮值传感器、温度传感器、浊度传感器、水位传感器以及重金属传感器电性连接。

4.根据权利要求1所述的一种城市河涌水环境自动监测采样系统，其特征在于：所述的水质采样模块包括水质采样装置、管路、水箱以及水泵，所述的水质检测模块设置于水质采样装置的内部，所述的水质采样装置的进水口和出水口均设置有电磁阀，所述的电磁阀的控制端与主控模块通信连接，水质采样装置的进水口设置有水泵，所述的水泵的输出端与水箱固定连接，且其控制端与主控模块通信连接，所述的水箱设置有取样口；

所述的供电模块分别与水泵和电磁阀电性连接。

5.根据权利要求2所述的一种城市河涌水环境自动监测采样系统，其特征在于：所述的通讯模块为无线通讯模块，无线通讯模块的发射端位于水质检测单元且与微处理器通信连接，无线通讯模块的第一接收端位于工控机且与工控机通信连接，无线通讯模块的第二接收端位于监控平台且与监控平台通信连接。

6.根据权利要求1所述的一种城市河涌水环境自动监测采样系统，其特征在于：所述的供电模块包括电源、太阳能光伏板以及充电子模块，所述的太阳能光伏板通过充电子模块与电源电性连接，所述的电源分别与主控模块、定位模块、通讯模块、水质采样模块和水质检测模块电性连接。

7.根据权利要求1所述的一种城市河涌水环境自动监测采样系统，其特征在于：所述的定位模块为GPS定位模块，所述的GPS定位模块与主控模块通信连接。

8.根据权利要求1所述的一种城市河涌水环境自动监测采样系统，其特征在于：所述的监控平台包括显示屏和分布式服务器，所述的分布式服务器包括主服务器和若干子服务器，所述的主服务器分别与若干子服务器通信连接，且主服务器通过通讯模块与对应的水质检测单元的主控模块通信连接。

9.一种城市河涌水环境自动监测采样系统工作方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：使用监控平台或工控机通过通讯模块向位于城市各个检测点的水质检测单元发送采样工作信号；

S2：使用水质检测单元接受采样工作信号，并使用主控模块判断是否到达采样周期预设值，若是则进行检测和采样工作，并将检测结果数据以及当前水质检测单元的位置数据进行存储和发送，否则重复步骤S2，等待采样周期预设值到达；

S3：使用监控平台或工控机接收各个水质检测单元的检测结果数据以位置数据，并进行显示和存储。

10.根据权利要求9所述的一种城市河涌水环境自动监测采样系统工作方法，其特征在于：所述的步骤S2中，进行检测和采样工作的具体方法为：

A1：控制电磁阀打开，使流水进入水质采样装置内部；

A2：使用水质检测模块对当前水环境的水质进行检测，获得检测结果

A3：使用水泵抽取当前流水，并将流水存储至水箱，实现采样工作。

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