CN113552307A - 一种基于在线监测的水华监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于在线监测的水华监测装置及方法，能够实现自动监测、长期监测、远程传输监测数据及影像资料、对水华发生全过程进行跟踪监测、适用于河流、湖库等水华易发水体的自动监测方法。该方法硬件组装、参数设置、布置方法简单、耐久性强，特别适合于条件艰苦、偏远的河流、湖库的水华监测，减少人力输出，同时也能为研究水华发生及发展过程提供基础数据，还能通过对影像资料的判读，排除水面风对藻类的聚集而引发的监测点位数据异常引发的水华发生报警。
Description
技术领域
本发明涉及环境监测技术领域，尤其涉及一种基于在线监测的水华监测装置及方法。
背景技术
水华现象(在海洋中称为“赤潮”)指伴随着浮游生物的骤然大量增殖而直接或间接发生的现象。水面发生变色的情况甚多，厄水(海水变绿褐色)、苦潮(按即水华现象，海水变赤色)、青潮(海水变蓝色)及淡水中的水花，都是同样性质的现象。构成水华现象的浮游生物种类很多，但在海洋中鞭毛虫类、硅藻类大多是优势种，在淡水中蓝藻占优势。当发生赤潮时的浮游生物的密度一般是102—106细胞/毫升。据统计，我国66％的湖泊、水库都处于富营养化状态,我国的水华现象以滇池、太湖和巢湖等最为著名。
水华的发生与水体本身质量、环境温度等诸多条件相关，水面风也能将监测点位附近区域的藻类进行堆积，导致监测的不准确性发生。常规的水华监测一般都是有计划进行或出现应急监测指针的时候开展应急监测，无法达到全天候实时监测，目前现有的在线监测方法则是通过设置固定的采样和上传间隔时间，通过无线网络将监测数据上传至数据平台，无法根据水华发生过程调整采样及上传间隔时间，并进行影响资料采集。遥感监测技术具有采集图像资料的作用，但是受限于卫星分辨率以及在轨位置及时间的限制，不能实现实时，不间断采集。
因此，急需要一种可以监测实时并且能够根据水华发生过程进行调整采样及上传间隔时间，同时能够采集监测点位附近水域影响资料的基于在线监测的水华监测装置及方法。
发明内容
针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种基于在线监测的水华监测装置及方法，可自动监测、长期监测、远程传输监测数据及影像资料、对水华发生全过程进行跟踪监测、适用于河流、湖库等水华易发水体的自动监测方法，水环境监测领域。
为实现上述目的，本发明提供一种基于在线监测的水华监测装置，设置用于监控水华的监测浮标，所述监测浮标包括设置在水平面之下的监测舱和用于浮于水面的浮圈，还包括水质监测传感器，设置在所述监测舱中，并用于采集水质指标；数据采集及上传模块，用于获取所述水质监测传感器的水质指标并上传至监测平台；监测平台，用于获取水质指标并传输给用户终端；视频监测单元，设置在所述浮圈上，用于采集水华影像资料；指令转换模块，用于启动并获取所述视频监测单元的水华影像资料并返回至所述数据采集及上传模块，并通过所述数据采集及上传模块上传水华影像资料到所述监测平台；当水质监测传感器监测数据达到目标值，数据采集及上传模块通过指令转换模块向视频监测单元发送拍摄指令，所述视频监测单元将采集的影像资料通过指令转换模块返回至数据采集及上传模块并上传至监测平台，监测平台发送影像资料给用户终端，通过用户判断是否发生水华现象，若发生水华，则控制水质监测传感器缩短采样响应时间，同时将数据采集及上传模块采集数据时间间隔缩短并按缩短后的时间将所获取的监测数据上传至所述监测平台，若未发生水华，水质监测传感器保持原有采样响应时间，数据采集及上传模块保持原有数据采集和上传间隔时间，并通过指令转换模块停止视频监测单元采集影像资料。
水质探头实时采集监测点水体叶绿素含量等指标，并按照一定上传周期将采集的数据上传至数据平台，当探头监测到的数值到达设定值时，启动串口相机对监测点位水面情况进行拍照，并通过数据平台向用户发送手机短信，用户通过查看监测数据及影响资料判断是否真实发生水华现象，若发生水华现象，则将水质探头的采样响应时间进行调整，并将数据采集及上传模块的采集上传时间间隔进行缩短，以更全面动态掌握水华发生全过程；可弥补常规监测的不及时性，对以往在线监测的固定采样时间及上传时间进行补充掌握水华发生全过程；弥补遥感监测获取影响资料分辨率低、不及时等缺陷，同时可人为排除受水面风的因素影响发生的水华错误报警；实现对水华发生时的全过程、全天候的数据及影响采集，可自动监测、长期监测、远程传输监测数据及影像资料、对水华发生全过程进行跟踪监测、适用于河流、湖库等水华易发水体的自动监测方法，水环境监测领域。对水华开展全天候监测，能够弥补其他监测方法的不足，对水华发生过程进行全程跟踪数据采集对研究水华发生、发展过程具有重要意义，通过对监测点水域进行影像采集可以从感官上对水华发生、发展过程进行判定，同时也能对受水面风等影响发生监测值报警等情况进行实时排查，及时纠正监测及系统判断。适合于条件艰苦、偏远的河流、湖库的水华监测，减少人力输出，同时也能为研究水华发生及发展过程提供基础数据，还能通过对影像资料的判读，排除水面风对藻类的聚集而引发的监测点位数据异常而引发的水华发生报警。
优选的，所述浮圈上设置有锚索固定环，所述锚索固定环用于连接锚系固定装置，进而固定在河道或湖库之中。将水质传感器布置于浮标探头舱，并直接固定在河流、湖库中，比岸基布设减少了传输线缆长度，并且可以防止长距离传输带来的信号衰减，线缆无长距离布设可减小损坏几率；同时解决了岸基安装，布置路线、安装、固定不方便的问题。
优选的，所述视频监测单元包括钢管和串口红外相机，所述钢管一端垂直固定在所述浮标上，另一端固定有所述串口红外相机。指令转换模块经参数设置，识别数据采集模块中获取的水质数据，当获取的水质关键指标达到用户设定阈值时，向串口相机发送启动命令，从而启动相机开始拍摄影像资料，并回传至数据上传模块，最终上传至数据平台的图像中心，供用户查看识别。
优选的，还包括参数设置模块，所述参数设置模块用于水质监测传感器的采样响应时间、数据采集及上传模块的数据采集上传间隔时间进行设置。还能够对探头名称、数据类型进行设置。
优选的，所述水质监测传感器的采样响应时间间隔在1-60s之内。较短的数据读取时间极大的保证了传感器能及时发现水质变化。
优选的，所述数据采集及上传模块的数据采集上传间隔时间包括1、5、10、30、60min。
优选的，所述数据采集及上传模块与所述监测平台通过无线通信连接。通过4G网络将采集到的水质监测数据以及影像资料上传至数据平台，无需布设传输线缆，传输限制条件少，可在偏远及艰苦地区布置。
优选的，所述浮圈上还设置有设备舱，所述设备舱上设置有太阳能供电装置，所述监测舱底部还设置有配重块。所用仪器设备功耗小，太阳能供电系统在供电电池≥20AH的情况下即可在阴雨环境下连续工作20日以上，且采用太阳能供电系统供电，解决了野外无市电供电的问题，大大扩大了本发明的推广区域及安装环境。安装和测量都极为方便；所需材料及设备投资小、携带方便、成本低、且操作简单，能为研究水华发生及发展过程提供基础数据，还能通过对影像资料的判读，排除水面风对藻类的聚集而引发的监测点位数据异常而引发的水华发生报警。
优选的，所述锚系固定装置包括锚索、轻锚和重锚，所述锚索一端连接所述锚索固定环、另一端依次连接所述轻锚和重锚，所述轻锚所受的重力小于监测浮标浮力的1/3，所述重锚的质量大于轻锚的质量。为保证河流、湖库因水位涨落造成浮标沉没、漂移，在安装阶段锚索长度需根据最大水深进行预留，底部用重锚进行固定，同时因低水位时锚索余量较大，为保证浮标漂移较小，在锚索中上部设置一个重量小于三分一浮标浮力的轻锚，当水位降低时轻锚悬在水中通过自身重量将浮标进行固定。
还提供一种基于在线监测的水华监测方法，包括上述的水华监测装置，还包括以下步骤：S1：所述水质传感器监测到区域内的水质指标达到目标值；S2：数据采集及上传模块通过指令转换模块，所述指令转换模块控制视频监测单元开启；S3：所述视频监测单元将拍摄到的视频信息通过指令转换模块返回至数据采集及上传模块并上传至监测平台，监测平台发送影像资料给用户终端，通过用户判断是否发生水华现象；S4：若未发生水华现象，则不调节参数，并停止视频监测单元的拍摄；若发生水华现象，则控制水质监测传感器缩短采样响应时间，同时将数据采集及上传模块采集数据时间间隔缩短并按缩短后的时间将所获取的监测数据上传至所述监测平台。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明提供一种基于在线监测的水华监测装置及方法，能够实现自动监测、长期监测、远程传输监测数据及影像资料、对水华发生全过程进行跟踪监测、适用于河流、湖库等水华易发水体的自动监测方法。该方法硬件组装、参数设置、布置方法简单、耐久性强，特别适合于条件艰苦、偏远的河流、湖库的水华监测，减少人力输出，同时也能为研究水华发生及发展过程提供基础数据，还能通过对影像资料的判读，排除水面风对藻类的聚集而引发的监测点位数据异常而引发的水华发生报警。
附图说明
图1为本发明的整体模块结构示意图；
图2为本发明的框架结构示意图；
图3为本发明的步骤流程图；
图4为本发明的模块图。
具体元素符号说明：
1、水质监测传感器；2、数据采集及上传模块；3、监测平台；4、用户终端；5、指令转换模块；6、视频监测单元。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：请参阅图1和图4，本发明公开了一种基于在线监测的水华监测装置，设置监控水华的监测浮标，监测浮标包括设置在水平面之下的监测舱和用于浮于水面的浮圈，还包括水质监测传感器1，设置在监测舱中，并用于采集水质指标；数据采集及上传模块2，用于获取水质监测传感器1的水质指标并上传至监测平台3；监测平台3，用于获取水质指标并传输给用户终端4；视频监测单元6，设置在浮圈上，用于采集水华影像资料；指令转换模块5，用于在数据采集及上传模块2获取的水质指标达到设定阈值时通过指令转换启动并获取视频监测单元6的水华影像资料并传输至数据采集及上传模块2，并通过数据采集及上传模块2上传水华影像资料到监测平台3；当水质监测传感器1监测数据达到目标值，数据采集及上传模块2通过指令转换模块5向视频监测单元6发送拍摄指令，视频监测单元6将采集的影像资料通过指令转换模块5返回至数据采集及上传模块2并上传至监测平台3，监测平台3发送影像资料给用户终端4，通过用户判断是否发生水华现象，若发生水华，则控制水质监测传感器1缩短采样响应时间，同时将数据采集及上传模块2采集数据时间间隔缩短并按缩短后的时间将所获取的监测数据上传至所述监测平台3，若未发生水华，则不调节参数，并停止视频监测单元6的拍摄。
水质探头实时采集监测点水体叶绿素含量等指标，并按照一定上传周期将采集的数据上传至数据平台，当探头监测到的数值到达设定值时，启动串口相机对监测点位水面情况进行拍照，通过数据平台向用户发送手机短信，同时将水质探头的上传间隔时间进行调整，以更全面动态掌握水华发生全过程；可弥补常规监测的不及时性，对以往在线监测的固定采样时间及上传时间进行补充掌握水华发生全过程；还能弥补遥感监测分辨率低、不及时等缺陷；实现对水华发生时的全过程、全天候的数据及影响采集，可自动监测、长期监测、远程传输监测数据及影像资料、对水华发生全过程进行跟踪监测、适用于河流、湖库等水华易发水体的自动监测方法，水环境监测领域。对水华开展全天候监测，能够弥补其他监测方法的不足，对水华发生过程进行全程跟踪数据采集对研究水华发生、发展过程具有重要意义，通过对监测点水域进行影像采集可以从感官上对水华发生、发展过程进行判定，同时也能对受水面风等影像发生监测值报警等情况进行实时排查，及时纠正监测及系统判断。适合于条件艰苦、偏远的河流、湖库的水华监测，减少人力输出，同时也能为研究水华发生及发展过程提供基础数据，还能通过对影像资料的判读，排除水面风对藻类的聚集而引发的监测点位数据异常而引发的水华发生报警。
实施例2：本实施例的浮圈上设置有锚索固定环，锚索固定环用于连接锚系固定装置，进而固定在河道或湖库之中。将水质传感器布置于浮标探头舱，并直接固定在河流、湖库中，比岸基布设减少了传输线缆长度，并且可以防止长距离传输带来的信号衰减；同时解决了岸基安装、布置路线、安装、固定不方便的问题。本实施例的锚系固定装置包括锚索、轻锚和重锚，锚索一端连接锚索固定环、另一端依次连接轻锚和重锚，轻锚所受的重力小于监测浮标浮力的1/3，重锚的质量大于轻锚的质量。为保证河流、湖库因水位涨落造成浮标沉没、漂移，在安装阶段锚索长度需根据最大水深进行预留，底部用重锚进行固定，同时因低水位时锚索余量较大，为保证浮标漂移较小，在锚索中上部设置一个重量小于三分一浮标浮力的轻锚，当水位降低时轻锚悬在水中通过自身重量将浮标进行固定。
实施例3：本实施例的视频监测单元6包括钢管和串口红外相机，钢管一端垂直固定在浮标上，另一端固定有串口红外相机。指令转换模块5经参数设置，识别数据采集模块中获取的水质数据，当获取的水质关键指标达到用户设定阈值时，向串口相机发送启动命令，从而启动相机开始拍摄影像资料，并回传至数据上传模块，最终上传至数据平台的图像中心，供用户查看识别。
实施例4：本实施例还包括参数设置模块，参数设置模块用于水质监测传感器的采样响应时间、数据采集及上传模块2的数据采集上传间隔时间进行设置。还能够对探头名称、数据类型进行设置。本实施例的水质监测传感器1的采样响应时间间隔在1-60s之内。较短的数据读取时间极大的保证了传感器能及时发现水质变化。本实施例的数据采集及上传模块2的数据采集上传间隔时间包括1、5、10、30、60min。
实施例4：本实施例的数据采集及上传模块2与监测平台3通过无线通信连接。主要是通过4G无线连接，通过4G网络将采集到的水质监测数据以及影像资料上传至数据平台，传输限制条件少，可在偏远及艰苦地区布置。本实施例的浮圈上还设置有设备舱，设备舱上设置有太阳能供电装置，监测舱底部还设置有配重块。所用仪器设备功耗小，太阳能供电系统在供电电池≥20AH的情况下即可在阴雨环境下连续工作20日以上，且采用太阳能供电系统供电，解决了野外无市电供电的问题，大大扩大了本发明的推广区域及安装环境。安装和测量都极为方便；所需材料及设备投资小、携带方便、成本低、且操作简单，能为研究水华发生及发展过程提供基础数据，还能通过对影像资料的判读，排除水面风对藻类的聚集而引发的监测点位数据异常而引发的水华发生报警。
实施例5：本实施例还提供一种基于在线监测的水华监测方法，包括上述的水华监测装置，还包括以下步骤：还包括以下步骤：S1：所述水质传感器监测到区域内的水质指标达到设定目标值；S2：通过数据采集及上传模块2发出控制信号给指令转换模块5，所述指令转换模块5控制视频监测单元6开启；S3：所述视频监测单元6将拍摄到的视频信息通过指令转换模块5返回给数据采集及上传模块2并上传至监测平台3，监测平台3发送影像资料给用户终端4，通过用户判断是否发生水华现象；S4：若未发生水华现象，则不调节参数；若发生水华现象，则控制水质监测传感器1缩短采样响应时间，同时将数据采集及上传模块2采集数据时间间隔缩短并按缩短后的时间将所获取的监测数据上传至监测平台3。
本发明的的方案中，串口相机通讯协议如下：
1)、拍照流程：停止当前帧刷新----获取图片长度----获取图片----恢复帧更新----停止当前帧刷新
2)、主机发：56 00 36 01 00----摄像头回：76 00 36 00 00
3)、获取图片长度(图片长度为4Bytes)：主机发：56 00 34 01 00----摄像头回：76 00 34 00 04 XX XX XX XX(高位在前)
4)、获取图片：56+序列号+32 0C 00+操作方式+起始地址+数据长度+延时时间----操作方式：0X0A＝UART，0X0C＝HUART，为1Byte。----起始地址与数据长度，均为4Bytes,高位在前。----主机发：56 00 32 0C 00 0A 00 00 00 00 XX XX XX XX 00FF----摄像头回：----首先回：76 00 32 00 00----再回：图像数据包xx xx xx xx个字节----发完回：76 00 32 00 00----注：延时时间指摄像返回命令与数据间的时间间隔，单位为0.01mS
5)、恢复帧更新：主机发：56 00 36 01 02----摄像头回：76 00 36 00 00。本发明涉及到接口均为RS485接口，支持MODBUS RTU通讯协议，通过简单的设置即可完成设备连接及数据上传，具有操作简单、易学的优点，便于推广。
本发明的优势在于：
1)、可弥补常规监测的不及时性，对以往在线监测的固定采样时间及上传时间进行补充掌握水华发生全过程；还能弥补遥感监测分辨率低、不及时等缺陷；实现对水华发生时的全过程、全天候的数据及影响采集；
2)、水质传感器布置于浮标探头舱，并直接固定在河流、湖库中，比岸基布设减少了传输线缆长度，并且可以防止长距离传输带来的信号衰减；同时解决了岸基安装，布置路线、安装、固定不方便的问题；
3)、仪器设备功耗小，太阳能供电系统在供电电池≥20AH的情况下即可在阴雨环境下连续工作20日以上，且采用太阳能供电系统供电，解决了野外无市电供电的问题，大大扩大了本发明的推广区域及安装环境。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于在线监测的水华监测装置，设置用于监测水华的监测浮标，所述监测浮标包括设置在水平面之下的监测舱和用于浮于水面的浮圈，其特征在于，还包括：水质监测传感器(1)，设置在所述监测舱中，并用于采集水质指标；数据采集及上传模块(2)，用于获取所述水质监测传感器(1)的水质指标并上传至监测平台(3)；监测平台(3)，用于获取水质指标并传输给用户终端(4)；视频监测单元(6)，设置在所述浮圈上，用于采集监测点位周围水华影像资料；指令转换模块(5)，当数据采集及上传模块(2)获取的水质监测传感器(1)采集数据达到设定值时，通过启动视频监测单元(6)获取监测点位周围水华影像资料，并将返回的影像资料通过所述数据采集及上传模块(2)上传水华影像资料到所述监测平台(3)并传输给用户终端(4)；
当水质监测传感器(1)监测数据达到目标值，数据采集及上传模块(2)通过指令转换模块(5)向视频监测单元(6)发送拍摄指令，所述视频监测单元(6)将采集的影像资料通过指令转换模块(5)返回数据采集及上传模块(2)并上传至监测平台(3)，监测平台(3)发送影像资料给用户终端(4)，用户根据监测数据及所获取的影像资料判断监测点位附近水域是否发生水华现象，若发生水华，则通过参数设置软件远程调节数据采集及上传模块(2)缩短数据采集和上传间隔时间并缩短水质监测传感器(1)的采样响应时间，若未发生水华，则数据采集及上传模块(2)保持原有数据采集和上传间隔时间，并通过指令转换模块(5)停止视频监测单元(6)采集影像资料。
2.根据权利要求1所述的一种基于在线监测的水华监测装置，其特征在于，所述浮圈上设置有锚索固定环，所述锚索固定环用于连接锚系固定装置，进而固定在河道或湖库之中。
3.根据权利要求1所述的一种基于在线监测的水华监测装置，其特征在于，所述视频监测单元(6)包括钢管和串口红外相机，所述钢管一端垂直固定在所述浮标上，另一端固定有所述串口红外相机。
4.根据权利要求1所述的一种基于在线监测的水华监测装置，其特征在于，还包括参数设置模块，所述参数设置模块用于对数据采集及上传模块(2)的采集及上传时间间隔进行设置，并能通过指令转换模块(5)将已经触发拍摄的视频监测单元(6)暂停拍摄。
5.根据权利要求1所述的一种基于在线监测的水华监测装置，其特征在于，所述水质监测传感器(1)采样响应时间间隔可设置在1-60s之内。
6.根据权利要求1所述的一种基于在线监测的水华监测装置，其特征在于，所述数据采集及上传模块(2)采集并上传水质监测数据的时间间隔可设置为1、5、10、30、60min。
7.根据权利要求1所述的一种基于在线监测的水华监测装置，其特征在于，所述数据采集及上传模块(2)与所述监测平台(3)通过无线通信连接。
8.根据权利要求1所述的一种基于在线监测的水华监测装置，其特征在于，所述浮圈上还设置有设备舱，所述设备舱上设置有太阳能供电装置，所述监测舱底部还设置有配重块。
9.根据权利要求2所述的一种基于在线监测的水华监测装置，其特征在于，所述锚系固定装置包括锚索、轻锚和重锚，所述锚索一端连接所述锚索固定环、另一端依次连接所述轻锚和重锚，所述轻锚所受的重力小于监测浮标浮力的1/3，所述重锚的质量大于轻锚的质量。
10.一种基于在线监测的水华监测方法，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的水华监测装置，还包括以下步骤：
S1：所述水质传感器监测到区域内的水质指标达到设定目标值；
S2：通过数据采集及上传模块(2)发出控制信号给指令转换模块(5)，所述指令转换模块(5)控制视频监测单元(6)开启；
S3：所述视频监测单元(6)将拍摄到的视频信息通过指令转换模块(5)返回给数据采集及上传模块(2)并上传至监测平台(3)，监测平台(3)发送影像资料给用户终端(4)，用户通过监测数据及影像资料判断是否发生水华现象；
S4：若未发生水华现象，则不调节参数；若发生水华现象，则控制水质监测传感器(1)缩短采样响应时间，同时将数据采集及上传模块(2)采集数据时间间隔缩短并按缩短后的时间将所获取的监测数据上传至监测平台(3)。
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