一种整合物联网的水体浮游生物智能监测平台和方法技术

本发明专利技术公开了一种整合物联网的水体浮游生物智能监测平台，包括取水单元、远程控制与检测单元、图像采集单元、水质水文检测单元和远程监控与数据处理单元。其监测方法为：1、野外水样采集：2、系统调试和检测通道的清洗；3、样品检测与图像采集上传：4、远程服务器下的图像处理；5、水质、水动力数据的远程检测和数据传输。该智能监测平台利用显微镜结合高速图像采集、物联网、浮游生物图像识别软件，搭建了一套完整的水体中浮游生物智能监测体系。该方法突破了目前基于物联网的水生态监测仅能开展针对水体中叶绿素、pH等水质理化指标的监测来间接地实现对水生生物监测、建立的水华预警系统较粗糙的缺点。

An integrated intelligent monitoring platform and method for plankton in water bodies

The invention discloses an intelligent monitoring platform for water plankton integrated with the Internet of Things, which comprises a water intake unit, a remote control and detection unit, an image acquisition unit, a water quality and hydrology detection unit, and a remote monitoring and data processing unit. The monitoring methods are: 1. Field water sample collection: 2. System debugging and detection channel cleaning; 3. Sample detection and image collection upload: 4. Image processing under remote server; 5. Water quality, hydrodynamic data remote detection and data transmission. The intelligent monitoring platform uses a microscope combined with high-speed image acquisition, the Internet of Things, plankton image recognition software to build a complete set of intelligent monitoring system of plankton in water. This method breaks through the shortcomings that the current water ecological monitoring based on the Internet of Things can only carry out the monitoring of the physical and chemical indexes of water, such as chlorophyll and pH, to indirectly realize the monitoring of aquatic organisms and the establishment of a water bloom early warning system is rough.

【技术实现步骤摘要】
一种整合物联网的水体浮游生物智能监测平台和方法
本专利技术涉及基于物联网的水生生物远程监测
，具体涉及一种整合物联网的水体浮游生物智能监测平台和方法，适合大江大河、湖泊池糖、水库、溪流、海洋等各类野外水体中开展藻类、浮游动物等水生生物的远程监测。
技术介绍
：近年来，由于人类活动干扰的加剧，国内太湖、滇池、三峡水库等重要水体藻类水华发生的现象严重，给供水安全、周边生态环境带来一定隐患。鉴于水资源安全在国民经济发展中具战略性的重要地位，在上述水华问题严重的水域开展水生生物快速监测技术的应用，其对社会可持续性发展具十分重大意义。目前，国内外水生态监测技术主要包括显微鉴定计数法和在线仪器监测。一方面，当前国内推行的水生生物人工镜检监测效率低下，难以普及推广。常规显微鉴定计数法须对水样进行固定、浓缩、沉淀等处理步骤，费时费力，无法观测天然原水水样。此外，对操作人员专业技术水平要求高，难以用于现场快速监测。另一方面，目前水生生物在线监测仪器主要在流式细胞仪、荧光监测仪基础上设计而成，如荷兰浮游植物流式细胞仪(CytoSense)、德国BBE等。该类仪器设计繁杂笨重、难以适应复杂恶劣的野外水环境，不能获取水体中藻类、浮游动物密度、种群结构的精确数据，也难以开展远程化、智能化监测。同时国外仪器因知识产权保护原因，工业设计特殊，难以和目前智能生态监测领域中大力推广的物联网监测整合。由于技术壁垒等因素，国内尚无法生产技术上成熟的原位浮游生物监测的仪器设备。最后，目前国内外开展的水生态相关的水生态环境监测的远程实时监测，也仅仅是在监测pH、DO、氮磷、叶绿素含量等水质指标，以期对水体中藻类、浮游动物的密度、种群结构变动进行间接预测，其精度和准确度往往和实际的结果存在巨大差异性。总之，目前国内相关技术方案难以实现对湖泊水库、河流等水体中藻类、浮游动物密度、生物量的远程实时监测。因此，鉴于藻类水华监测预警对国民经济可持续性发展的重要性，亟待开发一种直接监测野外现场的水体中藻类密度，并实现远程监控预警的技术体系。
技术实现思路
基于上述现有技术，本专利技术提供了一种整合物联网的水体浮游生物智能监测平台及其使用方法，该智能监测平台利用显微镜结合高速图像采集、物联网、浮游生物图像识别软件，搭建了一套完整的整合物联网的水体中浮游生物智能监测体系。该方法突破了目前的基于物联网的水生态监测仅能开展针对水体中叶绿素、pH等水质理化指标的监测来间接地实现对水生生物监测、建立的水华预警系统较粗糙的缺点。实现本专利技术上述目的所采用的技术方案为：一种整合物联网的水体浮游生物智能监测平台，包括取水单元、远程控制与检测单元、图像采集单元、水质水文检测单元和远程监控与数据处理单元；所述的取水单元包括取样管、取样泵和水箱，取样泵安装于取样管上，取样管的一端与水箱连通；所述的远程控制与检测单元包括过滤头、进样管、样品检测器、进样泵、第一电磁阀、第二电磁阀、清洗瓶和野外工作站，样品检测器为透明的，样品检测器内设有多个中空的检测通道，进样管的一端与过滤头连接，另一端分别与各检测通道进样口连通，过滤头位于水箱中，各检测通道出样口通过管道与进样泵连接，进样泵通过管道、第一电磁阀与水箱连接，进样泵通过管道、第二电磁阀与清洗瓶连接，第一电磁阀、第二电磁阀和进样泵分别野外工作站电连接；所述的图像采集单元包括电动显微镜镜台、电动焦距调焦模块、显微镜、工业数字相机和第一网络节点，样品检测器安装在电动显微镜镜台上，电动显微镜镜台安装在显微镜的载物台上，显微镜的物镜位于样品检测器的正上方，工业数字相机固定并安装在显微镜上的镜筒上，电动焦距调焦模块分别与显微镜和野外工作站电连接，工业数字相机与第一网络节点电连接，第一网络节点与野外工作站电连接，第一网络节点通过有线网络或wifi接入到Internet；所述的水质水文检测单元包括多参数水质仪和流速仪，多参数水质仪和流速仪分别与野外工作站连接；所述的远程监控与数据处理单元包括第二网络节点、远程服务器和移动终端，第二网络节点分别通过有线网络或wifi接入到Internet，移动终端分别通过有线网络或wifi接入到Internet，远程服务器分别通过有线网络或wifi与第二网络节点连接。所述的取水单元还包括远程控制开关，远程控制开关分别与取样泵和野外工作站电连接。水箱上部设有排水口。所述的样品检测器为方形板状，多个检测通道在样品检测器内部沿样品检测器宽度方向依次排列，检测通道呈方形条状。一种整合物联网的水体浮游生物智能监测方法，包括如下步骤：1、野外水样采集：将流速仪探头和取样管入口置于目标水体中，将多参数水质仪探头置于水箱中，通过野外工作站控制远程控制开关，开启远程控制开关，取样泵开始抽取目标水体0.1-10m水深处原水，通过取样管输送至水箱中，同时水箱中水持续排出，水箱内的水交换频率>1次/min；2、系统调试和检测通道的清洗：2.1、系统调试：操作人员通过移动终端登陆野外工作站控制程序并操作控制程序，精确控制和调整电动显微镜镜台在水平方向的X、Y轴坐标位置，精确调整至待观察的检测通道位于显微镜物镜的视野正中央，且检测通道的边缘不得位于显微镜视野内；操作人员通过移动终端操作野外工作站的控制程序，精确控制电动焦距调焦模块，调整显微镜物镜的焦距，至图像达到最清晰的效果为止；2.2、检测通道清洗：在进样前，操作人员通过操作野外工作站的控制程序，控制第一电磁阀处于阀门关闭状态，第二电磁阀处于开通状态，控制进样泵反方向运转，将清洗瓶内的清洗液反冲检测通道，清洗3-10min；清洗完毕后，关闭进样泵，控制第一电磁阀处于开通状态，第二电磁阀处于阀门关闭状态；3、样品检测与图像采集上传：3.1样品检测：操作人员通过操作野外工作站的控制程序，控制进样泵正方向运转，将水箱中的水样吸入检测通道内，水样被吸入检测通道前，先通过过滤头过滤；图像经工业数字相机采集前，用显微镜接物测微计测量工业数字相机采集的图像的实际长度和实际宽度；通过控制进样泵，精确控制检测通道中液体流量大小，流量为1.1×U-2.0×U，U为检测通道中的液体每秒实际被工业数字相机采集成图像的体积，U依据下列公式计算：U＝A×H×Y×M，式中，Y为工业数字相机采集的图像实际宽度，M为采集帧率，A为检测通道的宽度，H为检测通道的深度；水样检测时间为10-30min，每次检测期间，要求观察到可见颗粒数目>500个；3.2、图像采集与上传：操作人员通过移动终端，设置工业数字相机的图像采集参数，设置采集帧率为10-100次/s、分辨率范围为1280×960－4096×2160，工业数字相机采集的图像实时通过第一网络节点，经由Internet、第二网络节点上传至远程服务器进行保存；4、远程服务器下的图像处理：远程服务器通过安装的Zooprocess、Zooimage、PlanktoMetrix和VisualSpreadsheet浮游生物图像识别软件，对采集并上传的包含浮游生物图像信息的图片进行去背景、图像切割、分类处理，并依据已有浮游生物图库，对切割后的图像进行自动分类和计数处理，快速得出各个浮游生物种类的密度、生物量和粒径大小信息，实现物联网的水体中浮游生物的智能监测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种整合物联网的水体浮游生物智能监测平台，其特征在于：包括取水单元、远程控制与检测单元、图像采集单元、水质水文检测单元和远程监控与数据处理单元；所述的取水单元包括取样管、取样泵和水箱，取样泵安装于取样管上，取样管的一端与水箱连通；所述的远程控制与检测单元包括过滤头、进样管、样品检测器、进样泵、第一电磁阀、第二电磁阀、清洗瓶和野外工作站，样品检测器为透明的，样品检测器内设有多个中空的检测通道，进样管的一端与过滤头连接，另一端分别与各检测通道进样口连通，过滤头位于水箱中，各检测通道出样口通过管道与进样泵连接，进样泵通过管道、第一电磁阀与水箱连接，进样泵通过管道、第二电磁阀与清洗瓶连接，第一电磁阀、第二电磁阀和进样泵分别野外工作站电连接；所述的图像采集单元包括电动显微镜镜台、电动焦距调焦模块、显微镜、工业数字相机和第一网络节点，样品检测器安装在电动显微镜镜台上，电动显微镜镜台安装在显微镜的载物台上，显微镜的物镜位于样品检测器的正上方，工业数字相机固定并安装在显微镜上的镜筒上，电动焦距调焦模块分别与显微镜和野外工作站电连接，工业数字相机与第一网络节点电连接，第一网络节点与野外工作站电连接，第一网络节点通过有线网络或wifi接入到Internet；所述的水质水文检测单元包括多参数水质仪和流速仪，多参数水质仪和流速仪分别与野外工作站连接；所述的远程监控与数据处理单元包括第二网络节点、远程服务器和移动终端，第二网络节点分别通过有线网络或wifi接入到Internet，移动终端分别通过有线网络或wifi接入到Internet，远程服务器分别通过有线网络或wifi与第二网络节点连接。...

【技术特征摘要】
1.一种整合物联网的水体浮游生物智能监测平台，其特征在于：包括取水单元、远程控制与检测单元、图像采集单元、水质水文检测单元和远程监控与数据处理单元；所述的取水单元包括取样管、取样泵和水箱，取样泵安装于取样管上，取样管的一端与水箱连通；所述的远程控制与检测单元包括过滤头、进样管、样品检测器、进样泵、第一电磁阀、第二电磁阀、清洗瓶和野外工作站，样品检测器为透明的，样品检测器内设有多个中空的检测通道，进样管的一端与过滤头连接，另一端分别与各检测通道进样口连通，过滤头位于水箱中，各检测通道出样口通过管道与进样泵连接，进样泵通过管道、第一电磁阀与水箱连接，进样泵通过管道、第二电磁阀与清洗瓶连接，第一电磁阀、第二电磁阀和进样泵分别野外工作站电连接；所述的图像采集单元包括电动显微镜镜台、电动焦距调焦模块、显微镜、工业数字相机和第一网络节点，样品检测器安装在电动显微镜镜台上，电动显微镜镜台安装在显微镜的载物台上，显微镜的物镜位于样品检测器的正上方，工业数字相机固定并安装在显微镜上的镜筒上，电动焦距调焦模块分别与显微镜和野外工作站电连接，工业数字相机与第一网络节点电连接，第一网络节点与野外工作站电连接，第一网络节点通过有线网络或wifi接入到Internet；所述的水质水文检测单元包括多参数水质仪和流速仪，多参数水质仪和流速仪分别与野外工作站连接；所述的远程监控与数据处理单元包括第二网络节点、远程服务器和移动终端，第二网络节点分别通过有线网络或wifi接入到Internet，移动终端分别通过有线网络或wifi接入到Internet，远程服务器分别通过有线网络或wifi与第二网络节点连接。2.根据权利要求1所述的整合物联网的水体浮游生物智能监测平台，其特征在于：所述的取水单元还包括远程控制开关，远程控制开关分别与取样泵和野外工作站电连接。3.根据权利要求1所述的整合物联网的水体浮游生物智能监测平台，其特征在于：水箱上部设有排水口。4.根据权利要求1所述的整合物联网的水体浮游生物智能监测平台，其特征在于：所述的样品检测器为方形板状，多个检测通道在样品检测器内部沿样品检测器宽度方向依次排列，检测通道呈方形条状。5.一种整合物联网的水体浮游生物智能监测方法，其特征在于包括如下步骤：5.1、野外水样采集：将流速仪探头和取样管入口置于目标水体中，将多参数水质仪探头置于水箱中，通过野外工作站控制远程控制开关，开启远程控制开关，取样泵开始抽取目标水体0.1-10m水深处原水，通过取样管输送至水箱中，同时水箱中水持续排出，水箱内的水交换频率>1次/min；5.2、系统调试和检测通道的清洗：5.2.1...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈强，胡俊，
申请(专利权)人：水利部中国科学院水工程生态研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42