CN202433303U - 基于近红外光谱技术水质监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于水质监测领域，提供了一种基于近红外光谱技术水质监测装置，通过水质采样监测终端完成现场水质的采样和近红外光谱区域光学信号的采集，终端控制模块完成对采样监测终端的控制、数据定位，监控中心接收终端控制模块传送的光学信号并处理，获得监测点的位置坐标、水质的全磷全氮监测值，建立水质参数地图模型，同时实现了水体质量的在线监测与实时评价。该系统无污染、低消耗，实现快速对多组分同时测定及分析，适合远程多点、频繁、实时水体质量监测，能真实、准确地反映水质状况和污染变化，为环境管理部门及时掌握水质状况，预警、预报重大水质污染事故提供了可靠依据。

Description

基于近红外光谱技术水质监测装置

技术领域

本实用新型属于水质监测领域，尤其涉及一种基于近红外光谱技术水质监测装置。 

背景技术

全球淡水资源日渐枯竭，陆地生态系统中氮、磷肥的使用导致大量氮、磷进入江河湖泊，水体的富营养化导致藻类繁殖并形成水华现象，破坏了水体的自然循环，且局面有可能进一步恶化。 

传统的水质监测手段为常规化学分析法，测定结果较精确，但样品不易保存，大量化学试验操作复杂、成本高、周期长。以一个约2500平方公里湖泊计算，以常规化学分析法1平方公里测一个点计算，需要测2500个点；一个被测水样测N个水质参数，需要做2500×N个测试，这样大规模的测试非常困难，常规化学法不能实现水质多点同时在线监测，不能获得实时、全面、确切的水体水质状况。 

发明内容

本实用新型提供了一种基于近红外光谱技术水质监测装置，旨在解决传统用于水质监测的常规化学分析法样品不易保存，化学试验操作复杂、成本高、周期长、不能实现水质多点同时在线监测，不能获得实时、全面、确切的水质状况的问题。 

本实用新型的目的在于提供一种基于近红外光谱技术水质监测装置，所述系统包括： 

用于对现场水质进行采样，采集近红外光谱区域的光学信号，并对所述近红外光谱区域的光学信号进行输出的水质采样监测终端； 

与所述水质采样监测终端相连接，对所述水质采样监测终端进行控制，用于接收所述水质采样监测终端输出的近红外光谱区域的光学信号，对光学信号进行数据定位，并对所述近红外光谱区域的光学信号进行输出的终端控制模块； 

用于接收所述终端控制模块输出的光学信号，对光学信号进行处理，获得水质监测点的位置坐标、水体全磷全氮监测值，建立水质参数地图模型的监控中心。 

进一步，所述水质采样监测终端进一步包括：蠕动泵、过滤网膜装置、自动清洗装置、红外分光仪、测量池； 

所述蠕动泵与所述过滤网膜装置相连通，所述过滤网膜装置与所述测量池相连通，所述自动清洗装置及红外分光仪安装在所述测量池中，所述自动清洗装置与红外分光仪相连通。 

进一步，所述终端控制模块进一步包括： 

用于接收所述终端控制模块输出的模拟光学信号，将所述模拟光学信号转换为数字光学信号，并对所述数字光学信号进行输出的模数转换单元； 

与所述模数转换单元相连接，用于发出控制所述水质采样监测终端工作状态控制信号，接收所述模数转换单元输出的数字光学信号，对所述数字光学信号进行数据处理，并对所述数字光学信号进行输出的微处理器单元； 

与所述微处理器单元相连接，用于确定监测水质位置坐标的坐标定位单元； 

与所述微处理器单元相连接，用于接收所述微处理器单元输出的数字光学信号及监测水质位置坐标数据，并对所述数字光学信号及监测水质位置坐标数据进行无线输出的无线信号发射单元； 

与所述微处理器单元相连接，用于存储所述终端控制模块操作系统及水质检测数据信息的存储器单元； 

与所述微处理器单元相连接，用于显示水质监测数据信息的液晶显示单元。 

进一步，所述监控中心进一步包括： 

用于接收所述无线信号发射单元输出的数字光学信号及监测水质位置坐标数据，并对所述无线信号发射单元输出的数字光学信号及监测水质位置坐标数据进行输出的无线信号接收模块； 

与所述无线信号接收单元相连接，用于接收所述无线信号接收单元输出的数字光学信号及监测水质位置坐标数据，对监测水质数据进行处理，获得水质监测点的位置坐标、水体全磷全氮监测值的数据处理模块； 

用于对监测点的水质数据进行管理的数据管理模块。 

本实用新型提供的基于近红外光谱技术水质监测装置，通过水质采样监测终端完成现场水质的采样和近红外光谱区域光学信号的采集，终端控制模块完成对采样监测终端的控制、数据定位，监控中心接收终端控制模块传送的光学信号并处理，得到监测点的位置坐标、水质的全磷及全氮监测值，建立水质参数地图模型，无污染、低消耗、非破坏性，可以实现快速对多组分同时测定及分析，适合远程多点、频繁、实时的水体质量监测，水质采样监测终端结构简单、维护方便、可靠性高、便于携带，适用于宽阔、长距离水体质量的不间断连续监测工作，现场采集水样监测数据及监测点位置坐标数据能实时通过无线网络传送至监控中心，实现水体质量的在线与实时评价，能真实、准确地反映水质状况和污染变化趋势，为各级环境管理部门及时掌握水质状况，预警、预报重大水质污染事故提供了可靠的依据。 

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的基于近红外光谱技术水质监测装置的结构框图； 

图2是图1中水质采样监测终端的结构示意图； 

图3是图1中数据处理模块的结构框图； 

图4是图3中属性数据处理模块的结构框图； 

图5是本实用新型实施例提供的用于水质在线监测的近红外光谱分析方法的实现流程图； 

图6是本实用新型实施例提供的在水质待测属性值与近红外光谱数据之间建立分析模型的实现流程图。 

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定发明。 

图1示出了本实用新型实施例提供的基于近红外光谱技术水质监测装置的结构。为了便于说明，仅示出了与本实用新型相关的部分。 

该系统包括： 

用于对现场水质进行采样，采集近红外光谱区域的光学信号，并对近红外光谱区域的光学信号进行输出的水质采样监测终端11； 

与水质采样监测终端11相连接，对水质采样监测终端11进行控制，用于接收水质采样监测终端11输出的近红外光谱区域的光学信号，对光学信号进行数据定位，并对近红外光谱区域的光学信号进行输出的终端控制模块12； 

用于接收终端控制模块12输出的光学信号，对光学信号进行处理，建立水质参数地图模型，获得水质监测点的坐标、水体全磷全氮含量的监控中心13。 

如图2所示，在本实用新型实施例中，水质采样监测终端11包括：蠕动泵111、过滤网膜装置112、自动清洗装置113、红外分光仪114、测量池115； 

蠕动泵111与过滤网膜装置112相连通，过滤网膜装置112与测量池115相连通，自动清洗装置113及红外分光仪114安装在测量池115中。 

在本实用新型实施例中，终端控制模块12包括： 

用于接收终端控制模块12输出的模拟光学信号，将模拟光学信号转换为数字光学信号，并对数字光学信号进行输出的模数转换单元121； 

与模数转换单元121相连接，用于发出控制水质采样监测终端11工作状态控制信号，接收模数转换单元121输出的数字光学信号，对数字光学信号进行数据处理，并对数字光学信号进行输出的微处理器单元122； 

模数转换单元121是监测到的光谱数据传输通道，负责接收红外分光仪114信号线的监测光谱。微处理器单元122带有I/O端口，完成：1)发出蠕动泵启动工作信号，设定微处理器内部时钟，定义蠕动泵转动时间，发出停止信号；2)发出红外分光仪114启动工作信号，得到光谱后，发出打开传输通道信号，将光谱传输到数模转换单元，传输结束，微处理器发出通道关闭信号；3)到达一个新的水样采集点，发出清洗测量池信号。等等动作的控制都是由I/O端口发出信号控制动作。 

与微处理器单元122相连接，用于确定监测水质位置坐标的坐标定位单元123； 

与微处理器单元122相连接，用于接收微处理器单元122输出的数字光学信号及监测水质位置坐标数据，并对数字光学信号及监测水质位置坐标数据进行无线输出的无线信号发射单元124； 

与微处理器单元122相连接，用于存储终端控制模块12操作系统及水质检测数据信息的存储器单元125； 

与微处理器单元122相连接，用于显示水质监测数据信息的液晶显示单元126。 

在本实用新型实施例中，监控中心13包括： 

用于接收无线信号发射单元124输出的数字光学信号及监测水质位置坐标数据，并对无线信号发射单元124输出的数字光学信号及监测水质位置坐标数据进行输出的无线信号接收模块131； 

与无线信号接收模块131相连接，用于接收无线信号接收模块131输出的数字光学信号及监测水质位置坐标数据，对检测水质数据进行处理，获得水质监测点的坐标、水体全磷全氮含量的数据处理模块132； 

用于对检测点的水质数据进行管理的数据管理模块133。 

如图3所示，在本实用新型实施例中，数据处理模块132包括： 

用于对检测点水质的属性数据进行分析的属性数据处理模块1321； 

用于对检测点水质的空间数据进行分析的空间数据处理模块1322。 

如图4所示，在本实用新型实施例中，属性数据处理模块1321包括： 

用于对监测点水质的实质顺序进行分析的水质实质顺序分析单元13211； 

用于对监测点水质的指标参数进行分析的水质指标参数分析单元13212； 

用于对监测点水质的数据进行分析的监测点数据分析单元13213。 

图5示出了本实用新型实施例提供的用于水质在线监测的近红外光谱分析方法的实现流程。 

该方法包括以下步骤： 

在步骤S501中，在水质待测属性值与近红外光谱数据之间建立分析模型； 

在步骤S502中，获得待测水质样品的近红外光谱数据； 

在步骤S503中，通过分析模型，获得监测水质的参数数据。 

如图6所示，在本实用新型实施例中，在水质待测属性值与近红外光谱数据之间建立分析模型的实现方法为： 

在步骤S601中，搜集用于建立分析模型的训练样品； 

在步骤S602中，获得近红外光谱仪测得的样品光谱数据和化学分析方法测得的数据； 

在步骤S603中，在光谱图和其参考数据之间建立起一一对应映射关系，建立分析模型。 

下面结合附图及具体实施例对本实用新型的应用原理作进一步描述。 

水质采样监测终端11由水样采集和测量池115两部分组成，水样采集部分由软管、蠕动泵111、过滤网膜装置112组成。将软管伸入待测水源，通过蠕动泵111(采用创锐分配型BT100FJ系蠕动泵111，最大流量：380ml/min)抽取待测水样，经过0.45μm目过滤网膜装置112去除水中悬浮颗粒和水生物残体 等杂质对光谱分析的干扰，处理过的水样传输到测量池115部分。 

经过过滤的水样在测量池115中储存起来，等溶液稳定，池内安装的型号为Infra Spec VFA-IR的红外分光仪114对每一个水样进行光谱采集，光谱采集过程不需加温加压，每一个水样光谱采集时间不超过1min。自动清洗装置113用来定期清洗测量池115，防止水中污染物或杂质长时间附着在测量池115表面，影响光谱的准确度。 

终端控制模块12负责完成水质采样监测终端11的采样控制、配水控制、清洗控制，以及GPS数据采集、水质监测数据采集和数据传输控制等功能。 

终端控制模块12包括：模数转换单元121、微处理器单元122、坐标定位单元123、无线信号发射单元124、存储器单元125、液晶显示单元126。 

微处理器单元122采用型号为三星S3C2410的微处理器控制水质采样监测终端11的动作、型号为InfraSpec VFA-IR的红外分光仪114测得的水质全磷及全氮数据经模数转换单元121传输至微处理器单元122，微处理器单元122以中断方式实时接收，从定位语句中RMC提取时间、经度、纬度数据。SIM300CGPRS模块使用内嵌的TCP/IP协议与服务器进行远程通信，系统运行后配置数据传输率(设为9600b/s)、系统IP地址、通信端口、APN(Access Point Name)等信息，接入网络成功。GPS定位信息和水质监测数据经由串口GPRS DTU，通过采用GPRS技术的无线网络发送至监控中心13，同时扩展64MB的K9F1208Flash存储器、SDRAM存储器、复位电路，实时时钟等，用来存储操作系统、水质信息等，液晶显示单元126用来显示采集的水质信息。 

监控中心13是整个水质自动监测系统的指挥中心，用来接收、显示、分析各监测点的水质参数。监控中心13通过无线网络管理终端控制模块12工作，定时采集监测水质的数据，建立水质数据库，以ARC GIS地理信息系统为平台进行地图制作。 

GIS系统通过无线信号接收模块131接收无线信号发射单元124发送的水质监测GPRS数据，对数据进行分析后，动态显示地图信息、GPS监测点位置 坐标、水质全磷及全氮监测数据及水功能区划等信息。随着时间序的延长，水环境数据库的丰富，还可以通过应用模型实现对原始数据的水质评价、富营养化评价及水环境容量计算等功能，实现趋势分析和模拟预测。 

本实用新型实施例提供的基于近红外光谱技术水质监测装置，通过水质采样监测终端11完成现场水质的采样和近红外光谱区域光学信号的采集，终端控制模块12完成对采样监测终端的控制、数据定位，监控中心13接收终端控制模块12传送的光学信号并处理，建立水质参数地图模型、得到监测点的位置坐标、水质的全磷及全氮数据，无污染、低消耗、非破坏性，可以实现快速对多组分同时测定及分析，适合远程多点、频繁、实时的水体质量监测，水质采样监测终端11结构简单、维护方便、可靠性高、便于携带，适用于宽阔、长距离水体质量的不间断连续监测工作，现场采集水样监测数据及监测点位置坐标数据能实时通过无线网络传送至监控中心13，实现水体质量的在线与实时评价，能真实、准确地反映水质状况和污染变化趋势，为各级环境管理部门及时掌握水质状况，预警、预报重大水质污染事故提供了可靠的依据。 

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (4)

1.一种基于近红外光谱技术水质监测装置，其特征在于，所述监测装置包括：

用于对现场水质进行采样，采集近红外光谱区域的光学信号，并对所述近红外光谱区域的光学信号进行输出的水质采样监测终端；

与所述水质采样监测终端相连接，对所述水质采样监测终端进行控制，用于接收所述水质采样监测终端输出的近红外光谱区域的光学信号，对光学信号进行数据定位，并对所述近红外光谱区域的光学信号进行输出的终端控制模块；

用于接收所述终端控制模块输出的光学信号，对光学信号进行处理，获得水质监测点的位置坐标、水体全磷全氮监测值，建立水质参数地图模型的监控中心。

2.如权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述水质采样监测终端进一步包括：蠕动泵、过滤网膜装置、自动清洗装置、红外分光仪、测量池；

所述蠕动泵与所述过滤网膜装置相连通，所述过滤网膜装置与所述测量池相连通，所述自动清洗装置及红外分光仪安装在所述测量池中，所述自动清洗装置与红外分光仪相连通。

3.如权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述终端控制模块进一步包括：

用于接收所述终端控制模块输出的模拟光学信号，将所述模拟光学信号转换为数字光学信号，并对所述数字光学信号进行输出的模数转换单元；

与所述模数转换单元相连接，用于发出控制所述水质采样监测终端工作状态控制信号，接收所述模数转换单元输出的数字光学信号，对所述数字光学信号进行数据处理，并对所述数字光学信号进行输出的微处理器单元；

与所述微处理器单元相连接，用于确定监测水质位置坐标的坐标定位单元；

与所述微处理器单元相连接，用于接收所述微处理器单元输出的数字光学信号及监测水质位置坐标数据，并对所述数字光学信号及监测水质位置坐标数 据进行无线输出的无线信号发射单元；

与所述微处理器单元相连接，用于存储所述终端控制模块操作系统及水质检测数据信息的存储器单元；

与所述微处理器单元相连接，用于显示水质监测数据信息的液晶显示单元。

4.如权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述监控中心进一步包括：

用于接收所述无线信号发射单元输出的数字光学信号及监测水质位置坐标数据，并对所述无线信号发射单元输出的数字光学信号及监测水质位置坐标数据进行输出的无线信号接收模块；

与所述无线信号接收单元相连接，用于接收所述无线信号接收单元输出的数字光学信号及监测水质位置坐标数据，对监测水质数据进行处理，获得水质监测点的位置坐标、水体全磷全氮监测值的数据处理模块；

用于对监测点的水质数据进行管理的数据管理模块。 

Images