CN116893253A - 一种自适应的高精度水质监测系统及方法 - Google Patents

一种自适应的高精度水质监测系统及方法 Download PDF

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蒋雪梅
史箴
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Abstract

本发明的水质监测系统将远程可控风力发电路灯单元、视频监控单元、环境监控单元和水质监测单元联动使用，实时监测水库水面动物腐尸，根据监测结果自动调节监测策略，提高检测准确性。视频监控单元与水质监测单元联动使用，能够对腐尸做出精准判断、避免树枝、浮萍等造成干扰，同时能够对腐尸腐烂等级做出判定；视频监控单元配合风力发电路灯单元能够避免夜间或光线强度不足造成照片不清晰；采用多组水质监测单元，并根据监测结果自动调节传感器的开启数量和测试频率，能够减少传感器的测量误差，同时提高传感器的使用寿命。此外，用户可以通过云管理平台远程监控并随时掌握水质情况，减少了人力消耗。

Description

一种自适应的高精度水质监测系统及方法
技术领域
本发明属于水质监测相关的技术领域，尤其涉及一种水库水质动态监测系统。
背景技术
水库是城镇自来水的主要来源，具有提供居民生活用水等诸多功能，对水库水质的监测至关重要。目前对水库水质的监测主要包括人工监测和自动监测两种方式。对于人工监测，监测人员定期进行人工采样、实验室分析以及数据分析处理、得出结论，具有准确性高的优点，然而，人工采样监测分析，数据获取慢，时效性低，工作效率低，在恶劣天气情况下，实地监测人员也存在较大的安全隐患；对于自动监测，通过建立自动监测系统，采用多个传感器组成的无线传感网络系统对水质进行监测，监测区域大且简便易行，并且可以实现实时动态监测，然而，传统的自动监测系统与其他监测方式缺乏联动，整体协调性较差，数据准确性差，且不能及时应对环境变化、水位变化、传感器故障等动态变化，不能准确获取实时的动态数据，容易影响监控效果，无法满足水库水质监测要求。
鱼、鸟、鸭、猪、狗、兔等动物腐尸是水库水污染的重要原因，一般通过设置防护栏防止其进入水库，然而，由于水库面积大、水源入口多、环境复杂、以及受雨季影响大，难以避免动物腐尸流至水库，而动物腐尸往往伴随着细菌、病毒的传播风险，若不及时清理，有重大潜在风险；然而，目前自动监测系统无法准确识别动物腐尸，只能通过人工巡查发现，不仅时效性差、工作量大，还容易遗漏。因此，需要一种可以解决上述问题、同时具有自适应和高精度特点的动态水库水质监测系统。
发明内容
本发明提供了一种具有自适应和高精度特点的水库水质动态监测系统，将远程可控风力发电路灯单元、视频监控单元、环境监控单元和水质监测单元进行联动，在数据传输单元和云管理单元的配合下，实现远程实时监测水质，并根据实时监测结果动态调整监测策略，具有监测准确性高、抗干扰能力强的特点，同时该系统能够延迟传感器的应用时长，避免传感器故障造成监测偏差。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种云管理的在线水库水质监测系统，其特征在于，包括多个监测模块，每个监测模块包括远程可控风力发电路灯单元、视频监控单元、环境监控单元、水质监测单元、数据传输单元和云管理单元；远程风力可控发电路灯包括扇叶、路灯、蓄电池和支撑杆，远程风力可控发电路灯固定安装在与水质监测点一定距离的岸边；视频监控单元包括摄像头，所述摄像头固定连接在支撑杆上，由所述蓄电池提供电源；水质监测装置包括至少两组相同的无线传感器单元，每组传感器单元包括悬浮物传感器、细菌类传感器和病毒类传感器，且传感器随着液位变化在竖直方向上移动；所述环境监控单元可以监测时间和/或光线强度；数据传输单元，与水质监测单元、风力发电路灯单元、环境监控单元和视频监控单元通信连接，并配置成向网络侧的云管理设备提供监测数据；以及云管理单元，通过网络与数据传输单元远程连接，云管理单元预置有当前被管理水库的水质监测数据库，并配置成可获取数据库中记录的水质监测数据，根据当前的监测数据以及预设数据和/或历史数据确定水质污染程度，并根据水质结果调整水质监测单元、风力发电路灯单元和视频监控单元的检测指令，同时预警；所述多个监测模块的间隔根据水库周长进行设定。
进一步，为了节省能耗，同时保障系统稳定性，当未检测到异常时所述至少两组无线传感器单元中的一组处于常开、其余处于常闭状态，一定周期后改变常开、常闭状态。如果检测到异常，则同时启动两组传感器单元。
进一步，为了解水库其他指标的水质动态，所述传感器单元还包括pH传感器、重金属传感器、高锰酸盐指数传感器、总磷传感器、总氮传感器中的一种或多种。
进一步，一般来说，根据环境监控单元监测的光线强度开启或者关闭远程风力可控发电路灯，但为了满足夜间观光、游览和巡查需求，远程风力可控发电路灯也可根据需求设置常开时间段，例如，在夜间7点至11点保持常开状态，或者在巡查期间保持常开。
进一步，为达到所需光照强度，所述的一定距离为50m以内。
进一步，传感器电量低于某一值时，预警更换。
进一步，配置可移动打捞设备，用于接受到打捞指令时，进行辅助治理。
本发明还包括一种云管理的在线水库水质监测方法，其特征在于包括以下步骤：
1)至少两组无线传感器单元中的一组无线传感器单元按照第一预设频率实时检测水库悬浮物、细菌和病毒，所述至少两组传感器单元按照预设周期交替使用；
2)数据传输单元将传感器采集数据传输至云管理单元，云管理单元将上述数据与预设数据和/或历史数据进行比较以判断水质是否处于预设范围，如果数据超出预设范围，则同时启动两组传感器单元，重新采样测试异常指标；当两组传感器单元测试结果一致，均在预设范围内时，关闭其中一组传感器单元；当两组传感器单元测试结果均超过预设范围或者两组传感器测试结果不一致且其中一组传感器单元测试结果均超过预设范围进入步骤3)，所述测试结果不一致指两个测定值相对偏差大于10％；
3)环境监控单元监测当前环境光线强度，若光线强度低于某一阈值，则开启所述远程可控风力发电路灯单元；若光线强度高于某一阈值，则所述远程可控风力发电路灯单元保持关闭状态；
4)视频监控单元根据第二预设频率对监测位点液面拍照，数据传输模块将视频监控数据传输至云管理模块，云管理模块将上述照片与预设照片和/或历史照片进行比照以识别是否存在动物腐尸；
5)当确认污染物为动物腐尸后，根据传感器采集数据与预设数据和/或历史数据的比值，获取水质污染程度。
进一步，步骤4)照片比对结果为树叶、树枝、浮萍时，关闭其中一组传感器单元。
进一步，步骤2)中当两组传感器测试结果不一致时，启动第三组传感器。
进一步，步骤2)中传感器单元检测到数据异常后，调整第一预设频率至第三预设频率，其中第三预设频率大于第一预设频率，重复测量n次，若n次结果均大于预设数据和/或历史数据，再启动另一组传感器单元。
进一步，根据步骤5)中的比值与预设比值的关系，确定水质污染等级。
进一步，根据不同污染程度采用不同的报警指示。
本发明的优点在于：本发明的水质监测系统将远程可控风力发电路灯单元、视频监控单元、环境监控单元和水质监测单元联动使用，实时监测水库水面动物腐尸，根据监测结果自动调节监测策略，提高检测准确性。视频监控单元与水质监测单元联动使用，能够对腐尸做出精准判断，避免树枝、浮萍等造成干扰，同时能够对腐尸腐烂等级做出判定；视频监控单元配合风力发电路灯单元能够避免夜间或光线强度不足造成照片不清晰；采用多组水质监测单元，并根据监测结果自动调节传感器的开启数量和测试频率，能够减少传感器的测量误差，同时提高传感器的使用时长。此外，用户可以通过云管理平台远程监控并随时掌握水质情况，减少了人力消耗。
附图说明
图1为在线水质监测系统组成图。
图2为在线水质监测系统运行流程图。
具体实施方式
实施例1
在周长15km的水库布置10个水质监测站点，监测站点与云管理单元通信连接。每个水质监测系统包括1个远程可控风力发电路灯单元、1个视频监控单元、1个环境监控单元、1个水质监测单元、数据传输单元。远程风力可控发电路灯包括扇叶、路灯、蓄电池和支撑杆，并固定安装在距离水质监测采集点位30m的岸边；抓拍摄像机固定连接在支撑杆上，由蓄电池提供电源；水质监测装置包括两组相同的无线传感器单元，每组传感器单元包括悬浮物传感器、细菌类传感器和病毒类传感器，且传感器随着液位变化在竖直方向上移动；其中一组传感器单元常关闭，另一组传感器常开，每2天更换开关状态。所述环境监控单元可以监测光线强度，数据传输单元，与水质监测单元、风力发电路灯单元、环境监控单元和视频监控单元通信连接，并配置成向网络侧的云管理单元提供监测数据；云管理单元，通过网络与数据传输模块远程连接，预置有当前被管理水库的水质监测数据库，并配置成可获取数据库中记录的水质监测数据，根据当前的监测数据以及预设数据确定水质污染程度，并根据水质结果调整水质监测单元、风力发电路灯单元和视频监控单元的检测指令。
1)两组无线传感器单元中的一组无线传感器单元按照第一预设频率实时检测水库悬浮物、细菌和病毒，所述至少两组传感器单元按照预设周期交替使用；
2)数据传输单元将传感器采集数据传输至云管理单元，云管理单元将上述数据与预设数据和/或历史数据进行比较以判断水质是否处于预设范围，如果数据超出预设范围，则同时启动两组传感器单元，重新采样测试异常指标；当两组传感器单元测试结果一致，均在预设范围内时，关闭其中一组传感器单元；当两组传感器单元测试结果均超过预设范围或者两组传感器测试结果不一致且其中一组传感器单元测试结果均超过预设范围进入步骤3)；
3)环境监控单元监测当前环境光线强度，若光线强度低于某一阈值，则开启所述远程可控风力发电路灯单元，若光线强度高于某一阈值，则所述远程可控风力发电路灯单元保持关闭状态；
4)视频监控单元根据第二预设频率对监测点位液面拍照，数据传输单元将视频监控数据传输至云管理单元，云管理单元将上述照片与预设照片和/或历史照片进行比照以识别是否存在动物腐尸；
5)当确认污染物为动物腐尸后，根据传感器采集数据与预设数据和/或历史数据的比值，获取水质污染程度，同时云管理单元发出预警信号。
实施例2
实施例2与实施例1的水质监测系统设置方案相同，区别在于传感器还包括总磷传感器、总氮传感器、重金属传感器。针对上述系统的监测方法，当仅有总磷传感器、总氮传感器、重金属传感器监测到异常，则按照下述监测方法进行监测：
1)两组无线传感器单元中的一组无线传感器单元按照第一预设频率实时监测水库总磷、总氮、重金属，所述至少两组传感器单元按照预设周期交替使用；
2)数据传输单元将传感器采集数据传输至云管理单元，云管理单元将上述数据与预设数据和/或历史数据进行比较以判断水质是否处于预设范围，如果数据超出预设范围，则增加监测频率，若多次测试后依然超出预设范围，则同时启动两组传感器单元，重新采样测试异常指标；当两组传感器单元测试结果一致，均在预设范围内时，关闭其中一组传感器单元；当两组传感器单元测试结果均超过预设范围或者两组传感器测试结果不一致且其中一组传感器单元测试结果超过预设范围则预警器报警。
实施例3
在周长50km的水库布置20个水质监测站点，监测站点与云管理单元通信连接。每个水质监测系统包括1个远程可控风力发电路灯单元、1个视频监控单元、1个环境监控单元、1个水质监测单元、数据传输单元。远程风力可控发电路灯包括扇叶、路灯、蓄电池和支撑杆，并固定安装在距离水质监测采集点位30m的岸边；抓拍摄像机固定连接在支撑杆上，由蓄电池提供电源；水质监测装置包括三组相同的无线传感器单元，每组传感器单元包括悬浮物传感器、细菌类传感器和病毒类传感器，且传感器随着液位变化在竖直方向上移动；其中一组传感器单元常关闭，另一组传感器常开，每天更换开关状态。所述环境监控单元可以监测光线强度，所述数据传输单元，与水质监测单元、风力发电路灯单元、环境监控单元和视频监控单元通信连接，并配置成向网络侧的云管理单元提供监测数据；所述云管理单元，通过网络与数据传输模块远程连接，预置有用于记录被管理的水库水质监测数据库，并配置成可获取数据库中记录的水质的监测数据，根据当前的监测数据以及预设数据确定水质污染程度，并根据水质结果调整水质监测单元、风力发电路灯单元和视频监控单元的检测指令。
1)三组无线传感器单元中的一组无线传感器单元按照第一预设频率实时检测水库悬浮物、细菌和病毒，所述至少三组传感器单元按照预设周期交替使用；
2)数据传输单元将传感器采集数据传输至云管理单元，云管理单元将上述数据与预设数据和/或历史数据进行比较以判断水质是否处于预设范围，如果数据超出预设范围，则同时启动两组传感器单元，重新采样测试异常指标；当两组传感器单元测试结果一致，均在预设范围内时，关闭其中一组传感器单元；当两组传感器单元测试结果均超过预设范围进入步骤3)；当两组传感器测试结果不一致，启动第三组传感器，将测试结果相近的两组传感器数据与预设数据和/或历史数据进行比较，并对测试数据不一致的传感器进行故障预警，若测试数处于预设范围内，则关闭其中一组传感器单元，若测试数据超出预设范围进入步骤3)；
3)环境监控单元监测当前环境光线强度，若光线强度低于某一阈值，则开启所述远程可控风力发电路灯单元，若光线强度高于某一阈值，则所述远程可控风力发电路灯单元保持关闭状态；
4)视频监控单元根据第二预设频率对监测点位液面拍照，数据传输单元将视频监控数据传输至云管理单元，云管理单元将上述照片与预设照片和/或历史照片进行比照以识别是否存在动物腐尸；
5)当确认污染物为动物腐尸后，根据传感器采集数据与预设数据和/或历史数据的比值，获取水质污染程度，同时预警。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (8)

1.一种云管理的在线水库水质监测系统，其特征在于，包括多个监测模块，每个监测模块包括远程可控风力发电路灯单元、视频监控单元、环境监控单元、水质监测单元、数据传输单元和云管理单元；所述远程风力可控发电路灯包括扇叶、路灯、蓄电池和支撑杆，所述远程风力可控发电路灯固定安装在与水质监测点一定距离的岸边；所述视频监控单元包括摄像头，所述摄像头固定连接在支撑杆上，由所述蓄电池提供电源；所述水质监测装置包括至少两组相同的无线传感器单元，每组传感器单元包括悬浮物传感器、细菌类传感器和病毒类传感器，且传感器随着液位变化在竖直方向上移动；所述环境监控单元可以监测时间和/或光线强度；所述数据传输单元与水质监测单元、风力发电路灯单元、环境监控单元和视频监控单元通信连接，并配置成向网络侧的云管理设备提供监测数据；所述云管理单元，通过网络与数据传输单元远程连接，云管理单元预置有当前被管理水库的水质监测数据库，配置成可获取数据库中记录的水质监测数据，根据当前的监测数据以及预设数据和/或历史数据确定水质污染程度，并根据水质结果动态调整水质监测单元、风力发电路灯单元和视频监控单元的检测指令，同时预警；所述多个监测模块的间隔根据水库周长进行设定。
2.根据权利要求1所述的云管理在线水库水质监测系统，其特征在于，所述的至少两组相同的无线传感器单元中的其中一组处于常开、其余处于常闭状态，一定周期后改变常开、常闭状态，所述周期为2天。
3.根据权利要求1所述的云管理在线水库水质监测系统，其特征在于，所述传感器单元还包括pH传感器、浊度传感器、重金属传感器、高锰酸盐指数传感器、总磷传感器、总氮传感器、生物毒性传感器中的一种或多种。
4.根据权利要求2所述的云管理在线水库水质监测系统，其特征在于，所述传感器电量低于预设值时，可以进行预警更换。
5.根据权利要求3所述的云管理在线水库水质监测系统，其特征在于，配置可移动打捞设备，用于接受到打捞指令时，进行辅助治理。
6.一种根据权利要求1-5所述的云管理在线水库水质监测系统的监测方法，其特征在于包括以下步骤：
1)至少两组无线传感器单元中的一组无线传感器单元按照第一预设频率实时检测水库悬浮物、细菌和病毒，所述至少两组传感器单元按照预设周期交替使用；
2)数据传输单元将传感器采集数据传输至云管理单元，云管理单元将上述数据与预设数据和/或历史数据进行比较以判断水质是否处于预设范围，如果数据超出预设范围，则同时启动两组传感器单元，重新采样测试异常指标；当两组传感器单元测试结果一致，均在预设范围内时，关闭其中一组传感器单元；当两组传感器单元测试结果均超过预设范围或者两组传感器测试结果不一致且其中一组传感器单元测试结果均超过预设范围进入步骤3)，所述测试结果不一致指两个测定值相对偏差大于10％；
3)环境监控单元监测当前环境光线强度，若光线强度低于某一阈值，则开启所述远程可控风力发电路灯单元；若光线强度高于某一阈值，则所述远程可控风力发电路灯单元保持关闭状态；
4)视频监控单元根据第二预设频率对监测位点液面拍照，数据传输模块将视频监控数据传输至云管理模块，云管理模块将上述照片与预设照片和/或历史照片进行比照以识别是否存在动物腐尸；
5)当确认污染物为动物腐尸后，根据传感器采集数据与预设数据和/或历史数据的比值，获取水质污染程度。
7.根据权利要求6所述的云管理在线水库水质监测系统的监测方法，其特征在于，步骤2)中传感器单元检测到数据异常后，调整第一预设频率至第三预设频率，其中第三预设频率大于第一预设频率，重复测量n次，若n次结果均大于预设数据和/或历史数据，再启动另一组传感器单元。
8.根据权利要求7所述的云管理在线水库水质监测系统的监测方法，根据不同污染程度采用不同的报警指示。
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