專利名稱：基于近紅外光譜技術水質監測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于水質監測領域，尤其涉及一種基于近紅外光譜技術水質監測裝置。
背景技術：
全球淡水資源日漸枯竭，陸地生態系統中氮、磷肥的使用導致大量氮、磷進入江河湖泊，水體的富營養化導致藻類繁殖并形成水華現象，破壞了水體的自然循環，且局面有可能進ー步惡化。傳統的水質監測手段為常規化學分析法，測定結果較精確，但樣品不易保存，大 量化學試驗操作復雜、成本高、周期長。以ー個約2500平方公里湖泊計算，以常規化學分析法I平方公里測ー個點計算，需要測2500個點；一個被測水樣測N個水質參數，需要做2500XN個測試，這樣大規模的測試非常困難，常規化學法不能實現水質多點同時在線監測，不能獲得實時、全面、確切的水體水質狀況。
發明內容本實用新型提供了一種基于近紅外光譜技術水質監測裝置，g在解決傳統用于水質監測的常規化學分析法樣品不易保存，化學試驗操作復雜、成本高、周期長、不能實現水質多點同時在線監測，不能獲得實時、全面、確切的水質狀況的問題。本實用新型的目的在于提供一種基于近紅外光譜技術水質監測裝置，所述系統包括用于對現場水質進行采樣，采集近紅外光譜區域的光學信號，并對所述近紅外光譜區域的光學信號進行輸出的水質采樣監測終端；與所述水質采樣監測終端相連接，對所述水質采樣監測終端進行控制，用于接收所述水質采樣監測終端輸出的近紅外光譜區域的光學信號，對光學信號進行數據定位，并對所述近紅外光譜區域的光學信號進行輸出的終端控制模塊；用于接收所述終端控制模塊輸出的光學信號，對光學信號進行處理，獲得水質監測點的位置坐標、水體全磷全氮監測值，建立水質參數地圖模型的監控中心。進ー步，所述水質采樣監測終端進ー步包括蠕動泵、過濾網膜裝置、自動清洗裝置、紅外分光儀、測量池；所述蠕動泵與所述過濾網膜裝置相連通，所述過濾網膜裝置與所述測量池相連通，所述自動清洗裝置及紅外分光儀安裝在所述測量池中，所述自動清洗裝置與紅外分光儀相連通。進ー步，所述終端控制模塊進一歩包括用于接收所述終端控制模塊輸出的模擬光學信號，將所述模擬光學信號轉換為數字光學信號，并對所述數字光學信號進行輸出的模數轉換單元；與所述模數轉換單元相連接，用于發出控制所述水質采樣監測終端工作狀態控制信號，接收所述模數轉換單元輸出的數字光學信號，對所述數字光學信號進行數據處理，并對所述數字光學信號進行輸出的微處理器単元；與所述微處理器單元相連接，用于確定監測水質位置坐標的坐標定位単元；與所述微處理器單元相連接，用于接收所述微處理器單元輸出的數字光學信號及監測水質位置坐標數據，并對所述數字光學信號及監測水質位置坐標數據進行無線輸出的無線信號發射單元；與所述微處理器單元相連接，用于存儲所述終端控制模塊操作系統及水質檢測數據信息的存儲器単元；與所述微處理器單元相連接，用于顯示水質監測數據信息的液晶顯示單元。進ー步,所述監控中心進ー步包括用于接收所述無線信號發射單元輸出的數字光學信號及監測水質位置坐標數據，并對所述無線信號發射單元輸出的數字光學信號及監測水質位置坐標數據進行輸出的無線信號接收模塊；與所述無線信號接收單元相連接，用于接收所述無線信號接收單元輸出的數字光學信號及監測水質位置坐標數據，對監測水質數據進行處理，獲得水質監測點的位置坐標、水體全磷全氮監測值的數據處理模塊；用于對監測點的水質數據進行管理的數據管理模塊。本實用新型提供的基于近紅外光譜技術水質監測裝置，通過水質采樣監測終端完成現場水質的采樣和近紅外光譜區域光學信號的采集，終端控制模塊完成對采樣監測終端的控制、數據定位，監控中心接收終端控制模塊傳送的光學信號并處理，得到監測點的位置坐標、水質的全磷及全氮監測值，建立水質參數地圖模型，無污染、低消耗、非破壞性，可以實現快速對多組分同時測定及分析，適合遠程多點、頻繁、實時的水體質量監測，水質采樣監測終端結構簡單、維護方便、可靠性高、便于攜帶，適用于寬闊、長距離水體質量的不間斷連續監測工作，現場采集水樣監測數據及監測點位置坐標數據能實時通過無線網絡傳送至監控中心，實現水體質量的在線與實時評價，能真實、準確地反映水質狀況和污染變化趨勢，為各級環境管理部門及時掌握水質狀況，預警、預報重大水質污染事故提供了可靠的依據。

圖I是本實用新型實施例提供的基于近紅外光譜技術水質監測裝置的結構框圖；圖2是圖I中水質采樣監測終端的結構示意圖；圖3是圖I中數據處理模塊的結構框圖；圖4是圖3中屬性數據處理模塊的結構框圖；圖5是本實用新型實施例提供的用于水質在線監測的近紅外光譜分析方法的實現流程圖；圖6是本實用新型實施例提供的在水質待測屬性值與近紅外光譜數據之間建立分析模型的實現流程圖。
具體實施方式
[0029]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，
以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一歩的詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定發明。圖I示出了本實用新型實施例提供的基于近紅外光譜技術水質監測裝置的結構。為了便于說明，僅示出了與本實用新型相關的部分。該系統包括用于對現場水質進行采樣，采集近紅外光譜區域的光學信號，并對近紅外光譜區域的光學信號進行輸出的水質采樣監測終端11 ;與水質采樣監測終端11相連接，對水質采樣監測終端11進行控制，用于接收水質 采樣監測終端11輸出的近紅外光譜區域的光學信號，對光學信號進行數據定位，并對近紅外光譜區域的光學信號進行輸出的終端控制模塊12 ；用于接收終端控制模塊12輸出的光學信號，對光學信號進行處理，建立水質參數地圖模型，獲得水質監測點的坐標、水體全磷全氮含量的監控中心13。如圖2所示，在本實用新型實施例中，水質采樣監測終端11包括蠕動泵111、過濾網膜裝置112、自動清洗裝置113、紅外分光儀114、測量池115 ；蠕動泵111與過濾網膜裝置112相連通，過濾網膜裝置112與測量池115相連通，自動清洗裝置113及紅外分光儀114安裝在測量池115中。在本實用新型實施例中，終端控制模塊12包括用于接收終端控制模塊12輸出的模擬光學信號，將模擬光學信號轉換為數字光學信號，并對數字光學信號進行輸出的模數轉換單元121 ；與模數轉換單元121相連接，用于發出控制水質采樣監測終端11工作狀態控制信號，接收模數轉換單元121輸出的數字光學信號，對數字光學信號進行數據處理，并對數字光學信號進行輸出的微處理器單兀122 ；模數轉換單元121是監測到的光譜數據傳輸通道，負責接收紅外分光儀114信號線的監測光譜。微處理器単元122帶有I/O端ロ，完成I)發出蠕動泵啟動工作信號，設定微處理器內部時鐘，定義蠕動泵轉動時間，發出停止信號；2)發出紅外分光儀114啟動工作信號，得到光譜后，發出打開傳輸通道信號，將光譜傳輸到數模轉換単元，傳輸結束，微處理器發出通道關閉信號；3)到達ー個新的水樣采集點，發出清洗測量池信號。等等動作的控制都是由I/O端ロ發出信號控制動作。與微處理器単元122相連接，用于確定監測水質位置坐標的坐標定位単元123 ；與微處理器単元122相連接，用于接收微處理器単元122輸出的數字光學信號及監測水質位置坐標數據，并對數字光學信號及監測水質位置坐標數據進行無線輸出的無線信號發射單元124 ；與微處理器単元122相連接，用于存儲終端控制模塊12操作系統及水質檢測數據信息的存儲器単元125 ；與微處理器単元122相連接，用于顯示水質監測數據信息的液晶顯示單元126。在本實用新型實施例中，監控中心13包括用于接收無線信號發射單元124輸出的數字光學信號及監測水質位置坐標數據，并對無線信號發射單元124輸出的數字光學信號及監測水質位置坐標數據進行輸出的無線信號接收模塊131 ；與無線信號接收模塊131相連接，用于接收無線信號接收模塊131輸出的數字光學信號及監測水質位置坐標數據，對檢測水質數據進行處理，獲得水質監測點的坐標、水體全磷全氮含量的數據處理模塊132 ；用于對檢測點的水質數據進行管理的數據管理模塊133。 如圖3所示，在本實用新型實施例中，數據處理模塊132包括用于對檢測點水質的屬性數據進行分析的屬性數據處理模塊1321 ；用于對檢測點水質的空間數據進行分析的空間數據處理模塊1322。如圖4所示，在本實用新型實施例中，屬性數據處理模塊1321包括用于對監測點水質的實質順序進行分析的水質實質順序分析単元13211 ；用于對監測點水質的指標參數進行分析的水質指標參數分析単元13212 ；用于對監測點水質的數據進行分析的監測點數據分析単元13213。圖5示出了本實用新型實施例提供的用于水質在線監測的近紅外光譜分析方法的實現流程。該方法包括以下步驟在步驟S501中，在水質待測屬性值與近紅外光譜數據之間建立分析模型；在步驟S502中，獲得待測水質樣品的近紅外光譜數據；在步驟S503中，通過分析模型，獲得監測水質的參數數據。如圖6所示，在本實用新型實施例中，在水質待測屬性值與近紅外光譜數據之間建立分析模型的實現方法為在步驟S601中，搜集用于建立分析模型的訓練樣品；在步驟S602中，獲得近紅外光譜儀測得的樣品光譜數據和化學分析方法測得的數據；在步驟S603中，在光譜圖和其參考數據之間建立起一一對應映射關系，建立分析模型。
以下結合附圖及具體實施例對本實用新型的應用原理作進ー步描述。水質采樣監測終端11由水樣采集和測量池115兩部分組成，水樣采集部分由軟管、蠕動泵111、過濾網膜裝置112組成。將軟管伸入待測水源，通過蠕動泵111 (采用創銳分配型BT100FJ系蠕動泵111，最大流量380ml/min)抽取待測水樣，經過0. 45 u m目過濾網膜裝置112去除水中懸浮顆粒和水生物殘體等雜質對光譜分析的干擾，處理過的水樣傳輸到測量池115部分。經過過濾的水樣在測量池115中儲存起來，等溶液穩定，池內安裝的型號為InfraSpec VFA-IR的紅外分光儀114對每ー個水樣進行光譜采集，光譜采集過程不需加溫加壓，每ー個水樣光譜采集時間不超過lmin。自動清洗裝置113用來定期清洗測量池115，防止水中污染物或雜質長時間附著在測量池115表面，影響光譜的準確度。終端控制模塊12負責完成水質采樣監測終端11的采樣控制、配水控制、清洗控制，以及GPS數據采集、水質監測數據采集和數據傳輸控制等功能。終端控制模塊12包括模數轉換單元121、微處理器單元122、坐標定位單元123、無線信號發射單元124、存儲器単元125、液晶顯示單元126。[0070]微處理器単元122采用型號為三星S3C2410的微處理器控制水質采樣監測終端11的動作、型號為InfraSpec VFA-IR的紅外分光儀114測得的水質全磷及全氮數據經模數轉換單元121傳輸至微處理器単元122，微處理器単元122以中斷方式實時接收，從定位語句中RMC提取時間、經度、緯度數據。SM300CGPRS模塊使用內嵌的TCP/IP協議與服務器進行遠程通信，系統運行后配置數據傳輸率(設為9600b/s)、系統IP地址、通信端ロ、APN(Access Point Name)等信息,接入網絡成功。GPS定位信息和水質監測數據經由串ロ GPRS DTU，通過采用GPRS技術的無線網絡發送至監控中心13，同時擴展64MB的K9F1208Flash存儲器、SDRAM存儲器、復位電路，實時時鐘等，用來存儲操作系統、水質信息等，液晶顯示單元126用來顯示采集的水質信息。監控中心13是整個水質自動監測系統的指揮中心，用來接收、顯示、分析各監測點的水質參數。監控中心13通過無線網絡管理終端控制模塊12工作，定時采集監測水質的數據，建立水質數據庫，以ARC GIS地理信息系統為平臺進行地圖制作。GIS系統通過無線信號接收模塊131接收無線信號發射單元124發送的水質監測 GPRS數據，對數據進行分析后，動態顯示地圖信息、GPS監測點位置坐標、水質全磷及全氮監測數據及水功能區劃等信息。隨著時間序的延長，水環境數據庫的豐富，還可以通過應用模型實現對原始數據的水質評價、富營養化評價及水環境容量計算等功能，實現趨勢分析和模擬預測。本實用新型實施例提供的基于近紅外光譜技術水質監測裝置，通過水質采樣監測終端11完成現場水質的采樣和近紅外光譜區域光學信號的采集，終端控制模塊12完成對采樣監測終端的控制、數據定位，監控中心13接收終端控制模塊12傳送的光學信號并處理，建立水質參數地圖模型、得到監測點的位置坐標、水質的全磷及全氮數據，無污染、低消耗、非破壞性，可以實現快速對多組分同時測定及分析，適合遠程多點、頻繁、實時的水體質量監測，水質采樣監測終端11結構簡單、維護方便、可靠性高、便于攜帶，適用于寬闊、長距離水體質量的不間斷連續監測工作，現場采集水樣監測數據及監測點位置坐標數據能實時通過無線網絡傳送至監控中心13，實現水體質量的在線與實時評價，能真實、準確地反映水質狀況和污染變化趨勢，為各級環境管理部門及時掌握水質狀況，預警、預報重大水質污染事故提供了可靠的依據。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.一種基于近紅外光譜技術水質監測裝置，其特征在于，所述監測裝置包括 用于對現場水質進行采樣，采集近紅外光譜區域的光學信號，并對所述近紅外光譜區域的光學信號進行輸出的水質采樣監測終端； 與所述水質采樣監測終端相連接，對所述水質采樣監測終端進行控制，用于接收所述水質采樣監測終端輸出的近紅外光譜區域的光學信號，對光學信號進行數據定位，并對所述近紅外光譜區域的光學信號進行輸出的終端控制模塊； 用于接收所述終端控制模塊輸出的光學信號，對光學信號進行處理，獲得水質監測點的位置坐標、水體全磷全氮監測值，建立水質參數地圖模型的監控中心。
2.如權利要求I所述的監測裝置，其特征在于，所述水質采樣監測終端進ー步包括蠕動泵、過濾網膜裝置、自動清洗裝置、紅外分光儀、測量池； 所述蠕動泵與所述過濾網膜裝置相連通，所述過濾網膜裝置與所述測量池相連通，所述自動清洗裝置及紅外分光儀安裝在所述測量池中，所述自動清洗裝置與紅外分光儀相連通。
3.如權利要求I所述的監測裝置，其特征在于，所述終端控制模塊進一歩包括 用于接收所述終端控制模塊輸出的模擬光學信號，將所述模擬光學信號轉換為數字光學信號，并對所述數字光學信號進行輸出的模數轉換單元； 與所述模數轉換單元相連接，用于發出控制所述水質采樣監測終端工作狀態控制信號，接收所述模數轉換單元輸出的數字光學信號，對所述數字光學信號進行數據處理，并對所述數字光學信號進行輸出的微處理器単元； 與所述微處理器單元相連接，用于確定監測水質位置坐標的坐標定位単元； 與所述微處理器單元相連接，用于接收所述微處理器單元輸出的數字光學信號及監測水質位置坐標數據，并對所述數字光學信號及監測水質位置坐標數據進行無線輸出的無線信號發射單元； 與所述微處理器單元相連接，用于存儲所述終端控制模塊操作系統及水質檢測數據信息的存儲器單元； 與所述微處理器單元相連接，用于顯示水質監測數據信息的液晶顯示單元。
4.如權利要求I所述的監測裝置，其特征在于，所述監控中心進ー步包括 用于接收所述無線信號發射單元輸出的數字光學信號及監測水質位置坐標數據，并對所述無線信號發射單元輸出的數字光學信號及監測水質位置坐標數據進行輸出的無線信號接收模塊； 與所述無線信號接收單元相連接，用于接收所述無線信號接收單元輸出的數字光學信號及監測水質位置坐標數據，對監測水質數據進行處理，獲得水質監測點的位置坐標、水體全磷全氮監測值的數據處理模塊； 用于對監測點的水質數據進行管理的數據管理模塊。
專利摘要本實用新型屬于水質監測領域，提供了一種基于近紅外光譜技術水質監測裝置，通過水質采樣監測終端完成現場水質的采樣和近紅外光譜區域光學信號的采集，終端控制模塊完成對采樣監測終端的控制、數據定位，監控中心接收終端控制模塊傳送的光學信號并處理，獲得監測點的位置坐標、水質的全磷全氮監測值，建立水質參數地圖模型，同時實現了水體質量的在線監測與實時評價。該系統無污染、低消耗，實現快速對多組分同時測定及分析，適合遠程多點、頻繁、實時水體質量監測，能真實、準確地反映水質狀況和污染變化，為環境管理部門及時掌握水質狀況，預警、預報重大水質污染事故提供了可靠依據。
文檔編號G01N21/35GK202433303SQ20112048310
公開日2012年9月12日 申請日期2011年11月29日 優先權日2011年11月29日
發明者孫麗婭, 徐恒省, 梁柱, 董曉嵐, 陶亦亦 申請人:蘇州市職業大學