CN109765350A - 一种智能地域饮用水污染源检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能地域饮用水污染源检测设备。本发明提供了一种将光谱检测和图像检测结合的检测水中污染物的装置，可以克服单一检测方式的缺陷，提供检测的准确度；提供了可以应用于水域的检测航船，该装置可以在云端主机的控制下进行大面积水体的污染物的检测，并将检测结果智能的显示在显示装置上；云端主机可以自动识别最高浓度的污染物位置，并标记为疑似污染源。提供了一种新的水下长光程池，利用了超疏水结构的特性，在水下形成全反射，并设置了可以自动清洗的超声清洗装置和可以补充气体的吹气装置，保证了装置的长久稳定的运行。

Description

一种智能地域饮用水污染源检测设备

技术领域

本发明涉及环境检测领域，涉及水污染源检测装置，尤其涉及一种智能地域饮用水污染源检测设备。

背景技术

水污染源是造成水域环境污染的污染物发生源。通常是指向水域排放污染物或对水环境产生有害影响的场所、设备和设置。按污染物的来源可分为天然污染源和人为污染源两大类。人为污染源按人类活动的方式可分为工业、农业、生活、交通等污染源；按排放污染物种类的不同，可分为有机、无机、热、放射性、重金属、病原体等的污染源以及同时排放多种污染物的混合污染源；按排放污染物空间分布方式的不同，可分为点、线、面污染源。水环境污染是全球关注的主要环境问题之一。随着我国经济的快速发展，工农业开发、城市扩张等活动使水污染物的种类和来源呈复杂化的趋势，不仅对流域水环境造成了极大危害，也增加了水污染防治的难度。从污染源看，非点源污染的重要性已经不容忽视，其输出负荷占总量的比重在不同区域呈现不同的特点；从受纳水体看，实际进入水体的不同污染物的具体来源及其相对贡献并不明确。识别水体污染物的来源并定量估算其相对贡献，是有针对性实施流域污染治理及研究细化流域减排政策的重要依据。

申请号：200710038018.0公开了一种水污染源在线动态跟踪监测方法，包含在最低流量条件下按规定的时间间隔启动在线监测仪器进行分析测定和留样，还根据具体情况设一流量突变基础值和一大流量值，在该两流量值的范围内，当流量＝C(1+N％)时，在线监测仪器自行启动检测一次，其中C为前次流量突变监测时的流量值，N为小于100的正数，当流量≥大流量值时，在线监测仪器按不同企业类别设定的时间间隔进入特殊时控监测，在上述的监测中，若测得排污指标超标，则自行进入超标时控监测、且在后次监测的参数大于前次监测时留样。该装置针对的是已知位置的污染源的检测，这种检测方式针对偷排污染的情况并不适用。

申请号：201721734903.8公开了一种水污染源自动导巡机，工作时将自动导巡机放入要寻找污染源的水域，八个传感器同时将检测到的数据导向单片机，由单片机进行数据的分析比对，同时设置螺旋桨推进自动导巡机移动方向为遵循检测信号差别最大或者是信号最强的某个传感器方向，从而引导自动导巡机向着水体金属离子浓度最强的方向移动，最终抵达污染源附近，监测人员同时即可获知该污染源地点。该装置根据浓度最大的方向进行前进，由于谁下的区域浓度存在很大的干扰，这种方式的误差极大，尤其当水形成涡流时，不能实现检测。

可见，目前需要一种具有大面积水体自动识别污染源的***。

发明内容

针对上述内容，为解决上述问题，提供一种智能地域饮用水污染源检测设备，其特征在于包括云端主机、显示装置和航船；航船内设置有光检测机构和图检测机构，分别进行水下的光学检测和水上的图像检测；航船设置有太阳能电池，可以长时间运行；航船内设置有GPS装置，可以在检测时实时定位；航船将收集的位置信息、光学检测数据和图像检测数据发送至云端主机，云端主机根据位置信息、光学检测数据和图像检测数据综合处理的结果，在显示装置上显示疑似污染源位置。

所述航船包括航船控制器、光检控制器、GPS、太阳能电池、超声测距仪、电池组、图检控制器、运动控制器；航船控制器连接光检控制器、GPS、太阳能电池、超声测距仪、电池组、图检控制器、运动控制器；光检控制器连接斩光器、检测光源、光探测器、长光程池、超声清洗器、吹气装置；图检控制器连接颜色识别器，颜色识别器连接摄像头；运动控制器连接螺旋桨和船舵；太阳能电池为电池组充电。

航船整体呈椭球状，包括椭球形外壳，水平方向的长度大于竖直方向的长度；椭球形外壳水平方向的一端下侧设置有螺旋桨，螺旋桨的下侧靠近椭球形外壳中下部设置有船舵；螺旋桨为航船提供前进动力，船舵控制航船的前进方向；航船椭球形外壳的水平方向的赤道上间隔设置有多个超声测距仪，超声测距仪测距方向与超声测距仪所在位置的椭球形外壳的切面垂直；

椭球型外壳的底部设置有光检测支架，光检测支架底部连接有长光程池；长光程池呈长方体形，长光程池的较长边与椭球形外壳的长轴平行；长光程池的与椭球形外壳的长轴垂直的两个面开放，保证水可以从长光程池中穿过，长光程池的其余四个面封闭；

椭球型外壳的顶部铺设有太阳能电池，太阳能电池的顶部设置有摄像头支架和摄像头，整个航船的部件连接均采用密封连接，航船底部的重量大于顶部的重量，因此航船不会侧翻，且控制航船的配重使得航船在水中航行时，水面位于航船的水平方向的赤道与太阳能电池之间。

长光程池的顶部设置有入光口和出光口，入光口和出光口均与长光程池的顶部具有一定的夹角，入光口和出光口均设置有密封窗，不会有水通过；入光口的上部设置有斩光器，斩光器的上部设置有检测光源，检测光源发射全波段的光；斩光器的透光部分布置有多个滤光片，斩波器旋转时，检测光源发出的光会被不同的滤光片过滤成多个波长的脉冲光，多个波长的脉冲光先后穿过入光口进入长光程池；出光口的上部设置有光探测器，光探测器接收由入光***入并经过长光程池反射的光，并将光信号转化成电信号；

长光程池的顶面和底面为反射面，顶面和底面采用超疏水材料构成；超疏水材料在水下时，水不会与超疏水材料接触，从而超疏水材料的表面会保留一层空气薄膜，当光在水与空气的界面发生反射时，如果入射角度满足要求就会发生全反射；因此入光口和出光口的角度设置为保证光可以在长光程池的顶面和底面发生多次全反射；

在长光程池的顶面和底面的反射位置的外侧设置有多个超声清洗器，使用超声振动对反射位置可能存在的杂质进行振动去除；长光程池的顶面设置有进气管，进气管的另一端连接吹气装置，进气管用于在进行超声清洗时向长光程池内吹入空气；

斩波器上滤光片的透射波长对应于多个污染物的特征吸收波长，由于光源的发光曲线是已知的，因此由光检测器检测多种特征波长的吸收率数据；

航船控制器将检测到的多种特征波长的吸收率数据和检测时的GPS位置数据发送给云端主机。

太阳能电池铺设在航船的顶部，太阳能电池为航船内部的电池组充电；摄像头拍摄角度对准水面，摄像头拍摄的图像经过颜色识别器识别为颜色的RGB值，航船控制器将RGB值数据和拍摄时的GPS位置数据发送给云端主机。

云端主机内部存储有水域的地图数据，云端主机将检测轨迹发送给航船控制器，航船控制器根据收到的检测轨迹进行航行，并同时进行光学检测和图像检测；当航船将光学检测数据和图像检测数据发送回云端主机，云端主机自动计算该GPS位置对应的污染物种类和浓度数据，并将污染物种类和浓度数据显示在显示装置上；

云端主机将污染物浓度最大的位置进行标记，标记为疑似污染源。

超声测距仪间隔检测航船与障碍物之间的距离，当检测到障碍物距离航船小于阈值时，将警报信号发送至航船控制器，航船控制器根据发送警报的超声测距仪的位置调整航行方向，避让障碍物。

本发明的有益效果为：

首先本发明提供了一种将光谱检测和图像检测结合的检测水中污染物的装置，可以克服单一检测方式的缺陷，提供检测的准确度；其次本发明提供了可以应用于水域的检测航船，该装置可以在云端主机的控制下进行大面积水体的污染物的检测，并将检测结果智能的显示在显示装置上；本发明的云端主机可以自动识别最高浓度的污染物位置，并标记为疑似污染源。

本发明提供了一种新的水下长光程池，利用了超疏水结构的特性，在水下形成全反射，并设置了可以自动清洗的超声清洗装置和可以补充气体的吹气装置，保证了装置的长久稳定的运行。

附图说明

被包括来提供对所公开主题的进一步认识的附图，将被并入此说明书并构成该说明书的一部分。附图也阐明了所公开主题的实现，以及连同详细描述一起用于解释所公开主题的实现原则。没有尝试对所公开主题的基本理解及其多种实践方式展示超过需要的结构细节。

图1为本发明整体结构图；

图2为本发明外观示意图；

图3为本发明光检测结构示意图；

图4为本发明超疏水结构显微结构图。

具体实施方式

本发明的优点、特征以及达成所述目的的方法通过附图及后续的详细说明将会明确。

首先介绍本发明的检测原理，水中的污染物包括耗氧污染物、有毒污染物等。而化学需氧量可以根据光吸收进行检测已经是本领域的常用的方法，此外由于不同的有毒物质在水中的光吸收峰位置不同，可以根据不同的光吸收率确定有毒污染物的类型和浓度。基于光谱检测的方法可能存在不同的有毒污染物的吸收峰接近的情况，这时由于有毒污染物，例如重金属污染物等其一般具有不同的颜色，这时可以采用对水体颜色的识别区分水体内污染物的种类，并结合光谱检测确定浓度。

结合图1-4，一种智能地域饮用水污染源检测设备，其特征在于包括云端主机、显示装置和航船1；航船1内设置有光检测机构和图检测机构，分别进行水下的光学检测和水上的图像检测；航船1设置有太阳能电池7，可以长时间运行；航船1内设置有GPS装置，可以在检测时实时定位；航船1将收集的位置信息、光学检测数据和图像检测数据发送至云端主机，云端主机根据位置信息、光学检测数据和图像检测数据综合处理的结果，在显示装置上显示疑似污染源位置。

所述航船1包括航船控制器、光检控制器、GPS、太阳能电池7、超声测距仪10、电池组、图检控制器、运动控制器；航船控制器连接光检控制器、GPS、太阳能电池7、超声测距仪10、电池组、图检控制器、运动控制器；光检控制器连接斩光器63、检测光源64、光探测器65、长光程池6、超声清洗器68、吹气装置；图检控制器连接颜色识别器，颜色识别器连接摄像头9；运动控制器连接螺旋桨3和船舵4；太阳能电池7为电池组充电。

航船1整体呈椭球状，包括椭球形外壳2，水平方向的长度大于竖直方向的长度；椭球形外壳2水平方向的一端下侧设置有螺旋桨3，螺旋桨3的下侧靠近椭球形外壳2中下部设置有船舵4；螺旋桨3为航船1提供前进动力，船舵4控制航船1的前进方向；航船1椭球形外壳2的水平方向的赤道上间隔设置有多个超声测距仪10，超声测距仪10测距方向与超声测距仪10所在位置的椭球形外壳2的切面垂直；

椭球型外壳的底部设置有光检测支架5，光检测支架5底部连接有长光程池6；长光程池6呈长方体形，长光程池6的较长边与椭球形外壳2的长轴平行；长光程池6的与椭球形外壳2的长轴垂直的两个面开放，保证水可以从长光程池6中穿过，长光程池6的其余四个面封闭；

椭球型外壳的顶部铺设有太阳能电池7，太阳能电池7的顶部设置有摄像头支架8和摄像头9，整个航船1的部件连接均采用密封连接，航船1底部的重量大于顶部的重量，因此航船1不会侧翻，且控制航船1的配重使得航船1在水中航行时，水面位于航船1的水平方向的赤道与太阳能电池7之间。

长光程池6的顶部设置有入光口61和出光口62，入光口61和出光口62均与长光程池6的顶部具有一定的夹角，入光口61和出光口62均设置有密封窗，不会有水通过；入光口61的上部设置有斩光器63，斩光器63的上部设置有检测光源64，检测光源64发射全波段的光；斩光器63的透光部分布置有多个滤光片631，斩波器旋转时，检测光源64发出的光会被不同的滤光片631过滤成多个波长的脉冲光，多个波长的脉冲光先后穿过入光口61进入长光程池6；出光口62的上部设置有光探测器65，光探测器65接收由入光口61射入并经过长光程池6反射的光，并将光信号转化成电信号；

长光程池6的顶面66和底面67为反射面，顶面66和底面67采用超疏水材料构成；超疏水材料在水下时，水不会与超疏水材料接触，从而超疏水材料的表面会保留一层空气薄膜，当光在水与空气的界面发生反射时，如果入射角度满足要求就会发生全反射；因此入光口61和出光口62的角度设置为保证光可以在长光程池6的顶面66和底面67发生多次全反射；

在长光程池6的顶面66和底面67的反射位置的外侧设置有多个超声清洗器68，使用超声振动对反射位置可能存在的杂质进行振动去除；长光程池6的顶面66设置有进气管69，进气管69的另一端连接吹气装置，进气管69用于在进行超声清洗时向长光程池6内吹入空气；

斩波器上滤光片631的透射波长对应于多个污染物的特征吸收波长，由于光源的发光曲线是已知的，因此由光检测器检测多种特征波长的吸收率数据；

航船控制器将检测到的多种特征波长的吸收率数据和检测时的GPS位置数据发送给云端主机。

太阳能电池7铺设在航船1的顶部，太阳能电池7为航船1内部的电池组充电；摄像头9拍摄角度对准水面，摄像头9拍摄的图像经过颜色识别器识别为颜色的RGB值，航船控制器将RGB值数据和拍摄时的GPS位置数据发送给云端主机。

云端主机内部存储有水域的地图数据，云端主机将检测轨迹发送给航船控制器，航船控制器根据收到的检测轨迹进行航行，并同时进行光学检测和图像检测；当航船1将光学检测数据和图像检测数据发送回云端主机，云端主机自动计算该GPS位置对应的污染物种类和浓度数据，并将污染物种类和浓度数据显示在显示装置上；

云端主机将污染物浓度最大的位置进行标记，标记为疑似污染源。

超声测距仪10间隔检测航船1与障碍物之间的距离，当检测到障碍物距离航船1小于阈值时，将警报信号发送至航船控制器，航船控制器根据发送警报的超声测距仪10的位置调整航行方向，避让障碍物。

在该装置进行使用前还需要进行标定。标定的方法如下，将航船放入已知的具有阶梯浓度的污染物中，已知浓度的污染物包括单一的污染物和多种混合的污染物。并使用航船进行检测，检测的数据发送至云端主机。云端主机将已知浓度的污染物的浓度和种类作为一组数据，将航船采集的光检测数据和图像检测数据作为另一组数据，使用以上的两组数据对云端主机进行SVM或者神经网络的训练。训练结束后再使用该装置进行检测。

以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种智能地域饮用水污染源检测设备，其特征在于包括云端主机、显示装置和航船（1）；航船（1）内设置有光检测机构和图检测机构，分别进行水下的光学检测和水上的图像检测；航船（1）设置有太阳能电池（7），可以长时间运行；航船（1）内设置有GPS装置，可以在检测时实时定位；航船（1）将收集的位置信息、光学检测数据和图像检测数据发送至云端主机，云端主机根据位置信息、光学检测数据和图像检测数据综合处理的结果，在显示装置上显示疑似污染源位置。

2.根据权利要求1所述的一种智能地域饮用水污染源检测设备，其特征在于：

所述航船（1）包括航船控制器、光检控制器、GPS、太阳能电池（7）、超声测距仪（10）、电池组、图检控制器、运动控制器；航船控制器连接光检控制器、GPS、太阳能电池（7）、超声测距仪（10）、电池组、图检控制器、运动控制器；光检控制器连接斩光器（63）、检测光源（64）、光探测器（65）、长光程池（6）、超声清洗器（68）、吹气装置；图检控制器连接颜色识别器，颜色识别器连接摄像头（9）；运动控制器连接螺旋桨（3）和船舵（4）；太阳能电池（7）为电池组充电。

3.根据权利要求2所述的一种智能地域饮用水污染源检测设备，其特征在于：

航船（1）整体呈椭球状，包括椭球形外壳（2），水平方向的长度大于竖直方向的长度；椭球形外壳（2）水平方向的一端下侧设置有螺旋桨（3），螺旋桨（3）的下侧靠近椭球形外壳（2）中下部设置有船舵（4）；螺旋桨（3）为航船（1）提供前进动力，船舵（4）控制航船（1）的前进方向；航船（1）椭球形外壳（2）的水平方向的赤道上间隔设置有多个超声测距仪（10），超声测距仪（10）测距方向与超声测距仪（10）所在位置的椭球形外壳（2）的切面垂直；

椭球型外壳的底部设置有光检测支架（5），光检测支架（5）底部连接有长光程池（6）；长光程池（6）呈长方体形，长光程池（6）的较长边与椭球形外壳（2）的长轴平行；长光程池（6）的与椭球形外壳（2）的长轴垂直的两个面开放，保证水可以从长光程池（6）中穿过，长光程池（6）的其余四个面封闭；

椭球型外壳的顶部铺设有太阳能电池（7），太阳能电池（7）的顶部设置有摄像头支架（8）和摄像头（9），整个航船（1）的部件连接均采用密封连接，航船（1）底部的重量大于顶部的重量，因此航船（1）不会侧翻，且控制航船（1）的配重使得航船（1）在水中航行时，水面位于航船（1）的水平方向的赤道与太阳能电池（7）之间。

4.根据权利要求3所述的一种智能地域饮用水污染源检测设备，其特征在于：

长光程池（6）的顶部设置有入光口（61）和出光口（62），入光口（61）和出光口（62）均与长光程池（6）的顶部具有一定的夹角，入光口（61）和出光口（62）均设置有密封窗，不会有水通过；入光口（61）的上部设置有斩光器（63），斩光器（63）的上部设置有检测光源（64），检测光源（64）发射全波段的光；斩光器（63）的透光部分布置有多个滤光片（631），斩波器旋转时，检测光源（64）发出的光会被不同的滤光片（631）过滤成多个波长的脉冲光，多个波长的脉冲光先后穿过入光口（61）进入长光程池（6）；出光口（62）的上部设置有光探测器（65），光探测器（65）接收由入光口（61）射入并经过长光程池（6）反射的光，并将光信号转化成电信号；

长光程池（6）的顶面（66）和底面（67）为反射面，顶面（66）和底面（67）采用超疏水材料构成；超疏水材料在水下时，水不会与超疏水材料接触，从而超疏水材料的表面会保留一层空气薄膜，当光在水与空气的界面发生反射时，如果入射角度满足要求就会发生全反射；因此入光口（61）和出光口（62）的角度设置为保证光可以在长光程池（6）的顶面（66）和底面（67）发生多次全反射；

在长光程池（6）的顶面（66）和底面（67）的反射位置的外侧设置有多个超声清洗器（68），使用超声振动对反射位置可能存在的杂质进行振动去除；长光程池（6）的顶面（66）设置有进气管（69），进气管（69）的另一端连接吹气装置，进气管（69）用于在进行超声清洗时向长光程池（6）内吹入空气；

斩波器上滤光片（631）的透射波长对应于多个污染物的特征吸收波长，由于光源的发光曲线是已知的，因此由光检测器检测多种特征波长的吸收率数据；

航船控制器将检测到的多种特征波长的吸收率数据和检测时的GPS位置数据发送给云端主机。

5.根据权利要求4所述的一种智能地域饮用水污染源检测设备，其特征在于：

太阳能电池（7）铺设在航船（1）的顶部，太阳能电池（7）为航船（1）内部的电池组充电；摄像头（9）拍摄角度对准水面，摄像头（9）拍摄的图像经过颜色识别器识别为颜色的RGB值，航船控制器将RGB值数据和拍摄时的GPS位置数据发送给云端主机。

6.根据权利要求5所述的一种智能地域饮用水污染源检测设备，其特征在于：

云端主机内部存储有水域的地图数据，云端主机将检测轨迹发送给航船控制器，航船控制器根据收到的检测轨迹进行航行，并同时进行光学检测和图像检测；当航船（1）将光学检测数据和图像检测数据发送回云端主机，云端主机自动计算该GPS位置对应的污染物种类和浓度数据，并将污染物种类和浓度数据显示在显示装置上；

云端主机将污染物浓度最大的位置进行标记，标记为疑似污染源。

7.根据权利要求6所述的一种智能地域饮用水污染源检测设备，其特征在于：

超声测距仪（10）间隔检测航船（1）与障碍物之间的距离，当检测到障碍物距离航船（1）小于阈值时，将警报信号发送至航船控制器，航船控制器根据发送警报的超声测距仪（10）的位置调整航行方向，避让障碍物。