CN107941725A - 河道水质表观异常检测便携式分析仪及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种河道水质表观异常检测便携式分析仪及其检测方法。便携式分析仪包括自动取水与过滤模块、光路模块、控制运算处理模块、通讯模块和可视化显示模块；自动取水与过滤模块用于获得原水样本和过滤后水质样本；光路模块用于获取光谱数据；控制运算处理模块，用于进行数据处理和分析；通讯模块，用于数据传输；可视化显示模块，显示当前水体表观污染等级、水质表观数据变化值、水质污染报警情况，作为界面进行指令交互。本发明便携、智能、自动，可以实现水质污染变化检测，并进行自动报警；内置GPS定位***，数据记录自带地点信息；带有无线网络通讯模块，可与水质监测基站进行通信，对城市水体的质量管理有重要价值。

Description

河道水质表观异常检测便携式分析仪及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种河道水质表观异常检测便携式分析仪及其检测方法，属于水质检测装置技术领域。

背景技术

随着我国工业化和城市化步伐的加快，城市水体污染现状日益严峻，近年来不断爆发蓝藻事件、黑臭现象等。作为城市水体，其良好的表观是作为城市水体的基本要求。据此，研制一台以河道表观污染检测为目的装置极有必要。现有的以光谱为传感器的装置一般体积较大，缺乏便携性，自动化和智能化程度低，若用于河道水质表观污染检测，更会产生如便携性，成本等问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一个河道水质表观异常检测便携式分析仪及其检测方法，从而减少人为因素带来的不确定性，同时引入便携性、自动化和智能化等特性。

一种河道水质表观异常检测便携式分析仪，包括自动取水与过滤模块、光路模块、控制运算处理模块、通讯模块和可视化显示模块、GPS定位模块；

自动取水与过滤模块用于获得原水样本和过滤后水质样本；

光路模块用于获取原水样本和过滤后水质样本的光谱数据；

控制运算处理模块，用于进行数据处理和分析，得到水质表观污染指数，获得当前水质污染等级，并根据判断结果自动生成相应报警结果；

通讯模块，用于与水质检测基站进行数据传输，或者多台便携式分析仪之间进行数据传输；

可视化显示模块，显示当前水体表观污染等级、水质表观数据变化值、水质污染报警情况，作为界面进行指令交互。

所述的便携式分析仪呈箱体，所述的自动取水与过滤模块，包括第一出水管、第二出水管、过滤装置、左侧储水槽、右侧储水槽、水泵、进水口、电机，其中水泵安装在便携式分析仪的侧壁上，进水口与水泵相连，电机驱动水泵，水泵分别连接第一出水管、第二出水管，第一出水管输出原水样本，直接注入右侧储水槽，第二出水管经过过滤装置，输出过滤后水质样本，最后注入左侧储水槽。

所述的光路模块包括光谱传感器、光谱范围为360-2500nm的可见波段氙灯光源，光源衰减器及浸入式可调光程反射探头，光源衰减器接受来自光源发射的原始光，经过衰减处理后的光强0-100%可调，浸入式可调光程反射探头，直接浸入待测水体，光路模块获得的光谱数据传输进入控制运算处理模块。

所述的控制运算处理模块，设有河道水质表观异常检测***，使用控制电路板，整个电路采用电源供电；

所述河道水质表观异常检测***包括基础数据库存储和水质表观异常检测与报警；

基础数据包括本地区水域水质基本信息、水质监测传感器历史数据信息、***空白样本校正信息、用户信息，有毒污染物数据库和本地的水质表观指数模型所述河道水质表观异常检测***中；

水质表观异常检测与报警包括结合基础数据，处理光谱数据得到水质表观污染指数，获得当前水质污染等级，并根据判断结果自动生成相应报警结果。

所述的处理光谱数据得到水质表观污染指数具体步骤如下：

S1. 截取所采集光谱数据的可见波段部分，400nm-760nm；

S2. 根据水中污染物对光产生吸收、散射等作用从而使水体呈现不同的表观形状的原理，将原始水样过滤，并检测过滤后水样的可见吸收光谱；

S3. 采用k近邻法计算判别水体颜色，给出颜色修正系数β；

S4. 积分计算原始水样过滤前后可见光谱扫描曲线面积x；

S5. 通过不同表观污染系数水样面积拟合方程W=26 ln(βx+10) -60，得出表观污染校正系数W。

一种采用所述的便携式分析仪的异常检测方法，步骤如下：

1）基础数据库建立

将本地区水域水质基本信息、水质监测传感器历史数据信息、***空白样本校正信息、用户信息，通过实验建立的有毒污染物数据库和本地的水质表观指数模型导入所述河道水质表观异常检测***中，保存基础数据；

2）数据检测

所述河道水质表观异常检测***启动运行，水泵开启，得到当前水域数据并通过自动过滤装置获得原水样本和过滤后水质样本，通过光谱传感器和浸入式探头获取光谱数据，通过GPS定位模块获取定位信息；

3）数据分析

所述河道水质表观异常检测***获取光谱检测数据后，将数据包进行解析，计算得到水质表观污染指数，获得当前水质污染等级，并根据判断结果自动生成相应报警结果；

4）数据传输

将步骤3）产生的水质分析数据记录和报警记录通过ZigBee协议与水质检测基站进行传输通信并保存。同时，web***服务器定时查找数据库中产生的报警记录，调用***模块的接口函数将报警记录依次发送给相应用户。

所述的方法，，实现水质表观污染指数的计算和变化检测，从而实现水质异常变化报警，该指数可以表征水体的表观污染情况，其计算方法步骤为：

S1. 截取所采集光谱数据的可见波段部分，400nm-760nm；

S2. 根据水中污染物对光产生吸收、散射等作用从而使水体呈现不同的表观形状的原理，将原始水样过滤，并检测过滤后水样的可见吸收光谱；

S3. 采用k近邻法计算判别水体颜色，给出颜色修正系数β；

S4. 积分计算原始水样过滤前后可见光谱扫描曲线面积x；

S5. 通过不同表观污染系数水样面积拟合方程W=26 ln(βx+10) -60，得出表观污染校正系数W。

本发明的有益效果：

本发明主要针对城市河道水质的表观污染检测目的，以可见光谱仪为传感器，使用表观污染检测算法，实现河道定点水质表观污染检测，具有自动化和智能化等特点。

所述的便携式分析仪，可随工作人员携带到现场进行作业，提高工作效率和检测精度，通过检测表观污染指标，可以实现水质污染变化检测，并可针对污染事件进行自动报警，内置GPS定位***，数据记录自带地点信息，带有无线网络通讯模块，可与水质监测基站进行通信，对城市水体的质量管理有重要价值。

附图说明

图1为本发明河道水质表观异常检测便携式分析仪的结构示意图；

图2为水质表观异常检测***结构框图；

图3为表观污染等级对照表。

图1中，电源1、光源2、光谱传感器3、光强衰减器4、控制电路板5、触摸屏6、第一出水管7、第二出水管8、过滤装置9、左侧储水槽10、右侧储水槽11、水泵12、进水口13、电机14、制隔板15、隔离层16。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明水质表观异常检测便携式分析仪是为了解决水体表观污染异常检测的离线装置，通过集成在箱体内的微型光谱仪解析水体吸光度数据，由控制电路板的运算模块进行数据处理和模型搭建，整个检测过程通过GUI图形界面显示在可触摸显示屏上。

本河道水质表观异常检测便携式分析仪包括自动取水与过滤模块、光路模块、控制运算处理模块、通讯模块和可视化显示模块、GPS定位模块。

自动取水与过滤模块用于获得原水样本和过滤后水质样本；

光路模块用于获取原水样本和过滤后水质样本的光谱数据；

控制运算处理模块，用于进行数据处理和分析，得到水质表观污染指数，获得当前水质污染等级，并根据判断结果自动生成相应报警结果；

通讯模块，用于与水质检测基站进行数据传输，或者多台便携式分析仪之间进行数据传输；

可视化显示模块，显示当前水体表观污染等级、水质表观数据变化值、水质污染报警情况，作为界面进行指令交互。

如图1所示，所述的便携式分析仪呈箱体，所述的自动取水与过滤模块，包括第一出水管7、第二出水管8、过滤装置9、左侧储水槽10、右侧储水槽11、水泵12、进水口13、电机14，其中水泵12安装在便携式分析仪的侧壁上，进水口13与水泵12相连，电机14驱动水泵，水泵12分别连接第一出水管7、第二出水管8，第一出水管7输出原水样本，直接注入右侧储水槽11，第二出水管8经过过滤装置9，输出过滤后水质样本，最后注入左侧储水槽10。其中右侧储水槽11和左侧储水槽10利用一层铝制隔板15分离。

所述的控制运算处理模块，设有河道水质表观异常检测***，使用控制电路板5，整个电路采用电源1（可采用锂电池）供电，光谱数据存储在控制运算处理模块的内存。锂电池可采用5V/12V双输出锂电池，通过箱体下盘面的充电口连接，电池充电线嵌于箱子下盘面上。

所述的光路模块包括光谱传感器3、光源2，光源衰减器4及浸入式可调光程反射探头，光源衰减器4接受来自光源发射的原始光，经过衰减处理后的光强0-100%可调，浸入式可调光程反射探头，直接浸入待测水体，减少了传统检测手段所使用的样品池和比色皿等配件。光路模块获得的光谱数据传输进入控制运算处理模块，以上光路模块由泡沫隔离层16隔离于右侧箱体。

所述河道水质表观异常检测***包括基础数据库存储和水质表观异常检测与报警。基础数据包括本地区水域水质基本信息、水质监测传感器历史数据信息、***空白样本校正信息、用户信息，有毒污染物数据库和本地的水质表观指数模型所述河道水质表观异常检测***中；水质表观异常检测与报警包括结合基础数据，处理光谱数据得到水质表观污染指数，获得当前水质污染等级，其中该指数与表观污染等级的对照表如附图3所示并根据判断结果自动生成相应报警结果。

本发明河道水质表观异常检测便携式分析仪的检测原理为根据水中的污染物对光产生吸收、散射和反射作用，从而使水体呈现不同的表观性状的原理，通过测定可见光范围内的吸收光谱，表征水体表观污染程度。测定原始水样和过滤后水样的可见光吸收光谱，根据不同的颜色赋予不同的修正系数后，不同表观等级水样扫描曲线具有较好的区分度。计算不同表观污染等级水样面积拟合方程y=9.8765 x e ^0.0456x 的反函数y =26 ln(βx+10)-60。

其中x表示水样扫描曲线面积经颜色修正后的面积，定义y为表观污染指数(SPI)。PI 值越大，表明水体表观质量越差，反之则表观质量越好。式中，β 为颜色修正系数，水体颜色不同导致β值不同。

所述河道水质表观异常检测便携式分析仪的上位机应用程序模块是在Linux***下设计与呈现的Qt Creator应用程序。该应用程序主要分为六个部分功能，以用户操作界面的形式呈现，分别是登录验证功能、***校正功能、数据检测功能、历史数据查询功能、报警模块功能和***设置功能。当***上电时，屏幕自动跳转到登陆验证界面，此时需要你输入密码方可登录。

所述河道水质表观异常检测便携式分析仪应用程序模块的数据检测功能中，当探头放入检测样品中，***开始读取数据时，若此时出现外界干扰如探头遇到剧烈抖动的情况，***会出现防抖动提醒，并在抖动消除后继续读取数据，直到数据稳定。数据读取完毕后，根据不同的表观污染值，自动判断该水体的表观污染等级并产生报警。

所述河道水质表观异常检测便携式分析仪，可通过ZigBee协议使本地的分析仪和水质检测基站进行传输通信并保存。同时，web***服务器定时查找数据库中产生的报警记录，调用***模块的接口函数将报警记录依次发送给相应用户。

所述河道水质表观异常检测便携式分析仪的历史数据查询功能使用的SQLite3轻便型数据库。

所述河道水质表观异常检测便携式分析仪的报警模块功能的评判标准是当前测试结果相较于历史结果水体污染判别等级相差一级及以上（劣于历史）。

所述河道水质表观异常检测便携式分析仪的***设置功能可以根据用户的需求，进行修改密码等***参数修改。

本发明便携式分析仪的异常检测方法，其步骤如下：

1）基础数据库建立

将本地区水域水质基本信息、水质监测传感器历史数据信息、***空白样本校正信息、用户信息，通过实验建立的有毒污染物数据库和本地的水质表观指数模型导入所述河道水质表观异常检测***中，保存基础数据。

2）数据检测

所述河道水质表观异常检测***启动运行，水泵开启，得到当前水域数据并通过自动过滤装置获得原水样本和过滤后水质样本，通过光谱传感器和浸入式探头获取光谱数据，通过GPS定位模块获取定位信息。

3）数据分析

所述河道水质表观异常检测***获取光谱检测数据后，将数据包进行解析，计算得到水质表观污染指数，获得当前水质污染等级，并根据判断结果自动生成相应报警结果。

4）数据传输

将步骤3）产生的水质分析数据记录和报警记录通过ZigBee协议与水质检测基站进行传输通信并保存。同时，web***服务器定时查找数据库中产生的报警记录，调用***模块的接口函数将报警记录依次发送给相应用户。

所述的方法，可以实现水质指数的计算和变化检测，从而实现水质异常变化报警，该指数可以表征水体的表观污染情况，其计算方法步骤为：

S1. 截取所采集光谱数据的可见波段部分，400nm-760nm；

S2. 根据水中污染物对光产生吸收、散射等作用从而使水体呈现不同的表观形状的原理，将原始水样过滤，并检测过滤后水样的可见吸收光谱；

S3. 采用k近邻法计算判别水体颜色，给出颜色修正系数β；

S4. 积分计算原始水样过滤前后可见光谱扫描曲线面积x；

S5. 通过不同表观污染系数水样面积拟合方程W=26 ln(βx+10) -60得出表观污染校正系数W。

实施例

整个检测设备集成在一个铝制箱体内，如图1所示，箱体由铝制隔板15分成左右两侧，左侧为自动取水与过滤模块，右侧为光路模块、控制运算处理模块、通讯模块和可视化显示模块。左侧箱体安装有电机14，连接外部水泵12，底部固定两个小型储水槽，用来接收从水泵出水管注入的过滤前后的待测水样。此外，在箱体中间装有一套过滤装置9，水泵开始工作时，一个出水管7通过铝制隔板将原水注入底部右侧储水槽11，另一个出水管8经过过滤装置将过滤后的水样注入底部左侧储水槽10。右侧箱体顶部安装控制电路板5和触摸屏6，下部通过一层泡沫隔离层16将电源1、光谱传感器3、光源2与其他部件隔离。光谱传感器3连接Y型光纤，光线外侧接有浸入式可调光程探头，可从隔离层中3中抽出，用于测量过滤前后水样的光谱数据。

开始检测时，打开水泵开关，开始取水，原水由水泵驱动进入进水管，出水管分为两路，一路直接将待测点的原水由第一出水管7注入右侧储水槽，另一路经由过滤装置过滤，除去固体杂质颗粒。过滤后的水体样本由第二出水管8注入左侧储水槽。经过一段时间后，在左侧箱体底部两个储水槽中分别装有过滤前后的水质样本。

河道水质表观异常检测***的结构框图如图2所示。城市景观水体表观污染检测***应用程序的开发是在操作***为32位的树莓派Linux***上完成的，该应用程序包括登录验证模块、设备校正模块、数据检测模块、数据查询模块、历史曲线模块和***设置模块，***通过USB传输线通过数据采集接口获取光谱传感器获得的光谱数据，且整个***的数据由轻量级数据库SQLite3支持。

登录验证模块支持登录成功后，进入***。首页下方有数据库连接状态，若显示为成功表示数据库连接成功，失败则表示数据库载入失败。

设备校正模块用于获取环境本底噪声数据和空白参比溶液光强数据，从而校正***初始参数，以便进一步检测。

数据检测模块通过向光谱传感器发送数据请求信号，数据采集接口获得相应指令后，光谱数据通过USB传输线输入***；在数据检测过程中，需要进行两次测量。第一次为未经过滤的原始水样，经过浸入式探头通过光谱传感器采集数据并经过内部算法得到波长-吸光度曲线；第二次测量为过滤后的水样测量，两次测量过程类似。同时，在检测过程中，为了防止出现测试者由于剧烈抖动探头而导致测试数据无法稳定，本***通过比较前后两次采集的数据数组的相似度来表征检测探头是否发生了剧烈抖动。

数据查询模块主要用于查询已保存历史检测数据。在数据检测***中有保存数据的选项，用户可根据当前情况选择保存或不保存本次检测数据，这样可以使用户了解某一区域景观水体表观污染的变化趋势，评估过去一段时间内河道治理的成效。

历史曲线模块可使用户查询历史数据时，不仅能通过表格查看数据，也可将数据直观地反映到曲线图上，更加形象的感受一段时间内表观污染指数的数据波动与变化。通过观察历史曲线图，直观地了解在特定阶段时间内的数据变化，为评估和预测水体表观污染未来的走势提供参考。历史曲线图主要通过调用保存在本地数据库中的监测数据，在用户界面上绘制出曲线图形，展现给用户。

***设置模块包括修改用户名、密码以及改变***外观等功能。

具体使用本***是，打开光源开关和检测***开关，根据显示屏提示输入用户名和密码登陆***。在第一次使用本河道水质表观异常检测***时，在本机将本地区水域水质基本信息、水质监测传感器历史数据信息、***空白样本校正信息、用户信息，通过实验建立的有毒污染物数据库和本地的水质表观指数模型导入本河道水质表观异常检测***中，保存基础数据。开始检测时，在上位机显示界面中进入数据检测单元，此时需要进行***校准。***校准分两步：首先，将光纤探头自然放置在环境中，获取环境噪声数据；然后准备一定量纯净水倒入烧杯中，将探头尽量竖直地浸没水中，获取参比数据。***校正完毕后，开始进行水样表观异常检测。此时将检测浸入式探头垂直***水样内部，获取原水和过滤后的水样吸光度数据，检测过程中，若出现抖动的情况导致测试数据不稳定，上位机则会出现警示画面。检测结束后，根据表观污染检测的原理，在上位机中可显示出本次检测表观污染指数和表观污染等级，指数与表观污染等级的对照表如附图3所示。如果本次检测结果达到报警阈值，***会显示相应等级的报警。此外，用户也可以根据需求决定是否保存本次检测数据。检测结束后，根据情况可将数据上传到控制服务器，以便工作人员详细分析。若需要对检测数据进行进一步数据分析，则需要将上位机数据通信至本地，即通过ZigBee协议使本地计算机和检测仪进行通信，读取上位机的数据库信息，已便在本地计算机上对检测数据进行进一步分析。

Claims (7)

1.一种河道水质表观异常检测便携式分析仪，其特征在于，包括自动取水与过滤模块、光路模块、控制运算处理模块、通讯模块和可视化显示模块、GPS定位模块；

自动取水与过滤模块用于获得原水样本和过滤后水质样本；

光路模块用于获取原水样本和过滤后水质样本的光谱数据；

控制运算处理模块，用于进行数据处理和分析，得到水质表观污染指数，获得当前水质污染等级，并根据判断结果自动生成相应报警结果；

通讯模块，用于与水质检测基站进行数据传输，或者多台便携式分析仪之间进行数据传输；

可视化显示模块，显示当前水体表观污染等级、水质表观数据变化值、水质污染报警情况、位置信息，作为界面进行指令交互。

2.根据权利要求1所述的便携式分析仪，其特征在于，所述的便携式分析仪呈箱体，所述的自动取水与过滤模块，包括第一出水管（7）、第二出水管（8）、过滤装置（9）、左侧储水槽（10）、右侧储水槽（11）、水泵（12）、进水口（13）、电机（14），其中水泵（12）安装在便携式分析仪的侧壁上，进水口（13）与水泵（12）相连，电机（14）驱动水泵，水泵（12）分别连接第一出水管（7）、第二出水管（8），第一出水管（7）输出原水样本，直接注入右侧储水槽（11），第二出水管（8）经过过滤装置（9），输出过滤后水质样本，最后注入左侧储水槽（10）。

3.根据权利要求1所述的便携式分析仪，其特征在于，所述的光路模块包括光谱传感器（3）、光谱范围为360-2500nm的可见波段氙灯光源（2），光源衰减器（4）及浸入式可调光程反射探头，光源衰减器（4）接受来自光源发射的原始光，经过衰减处理后的光强0-100%可调，浸入式可调光程反射探头，直接浸入待测水体，光路模块获得的光谱数据传输进入控制运算处理模块。

4.根据权利要求1所述的便携式分析仪，其特征在于，所述的控制运算处理模块，设有河道水质表观异常检测***，使用控制电路板（5），整个电路采用电源（1）供电；

所述河道水质表观异常检测***包括基础数据库存储和水质表观异常检测与报警；

基础数据包括本地区水域水质基本信息、水质监测传感器历史数据信息、***空白样本校正信息、用户信息，有毒污染物数据库和本地的水质表观指数模型所述河道水质表观异常检测***中；

水质表观异常检测与报警包括结合基础数据，处理光谱数据得到水质表观污染指数，获得当前水质污染等级，并根据判断结果自动生成相应报警结果。

5.根据权利要求4所述的便携式分析仪，其特征在于，所述的处理光谱数据得到水质表观污染指数具体步骤如下：

S1. 截取所采集光谱数据的可见波段部分，400nm-760nm；

S2. 根据水中污染物对光产生吸收、散射等作用从而使水体呈现不同的表观形状的原理，将原始水样过滤，并检测过滤后水样的可见吸收光谱；

S3. 采用k近邻法计算判别水体颜色，给出颜色修正系数β；

S4. 积分计算原始水样过滤前后可见光谱扫描曲线面积x；

S5. 通过不同表观污染系数水样面积拟合方程W=26 ln(βx+10) -60，得出表观污染校正系数W。

6.一种采用权利要求1所述的便携式分析仪的异常检测方法，其特征在于，步骤如下：

1）基础数据库建立

将本地区水域水质基本信息、水质监测传感器历史数据信息、***空白样本校正信息、用户信息，通过实验建立的有毒污染物数据库和本地的水质表观指数模型导入所述河道水质表观异常检测***中，保存基础数据；

2）数据检测

所述河道水质表观异常检测***启动运行，水泵开启，得到当前水域数据并通过自动过滤装置获得原水样本和过滤后水质样本，通过光谱传感器和浸入式探头获取光谱数据，通过GPS定位模块获取定位信息；

3）数据分析

所述河道水质表观异常检测***获取光谱检测数据后，将数据包进行解析，计算得到水质表观污染指数，获得当前水质污染等级，并根据判断结果自动生成相应报警结果；

4）数据传输

将步骤3）产生的水质分析数据记录和报警记录通过ZigBee协议与水质检测基站进行传输通信并保存，同时web***服务器定时查找数据库中产生的报警记录，调用***模块的接口函数将报警记录依次发送给相应用户。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，实现水质表观污染指数的计算和变化检测，从而实现水质异常变化报警，该指数可以表征水体的表观污染情况，其计算方法步骤为：

S1. 截取所采集光谱数据的可见波段部分，400nm-760nm；

S2. 根据水中污染物对光产生吸收、散射等作用从而使水体呈现不同的表观形状的原理，将原始水样过滤，并检测过滤后水样的可见吸收光谱；

S3. 采用k近邻法计算判别水体颜色，给出颜色修正系数β；

S4. 积分计算原始水样过滤前后可见光谱扫描曲线面积x；

S5. 通过不同表观污染系数水样面积拟合方程W=26 ln(βx+10) -60，得出表观污染校正系数W。