一种基于光能量积分球的水质检测监测系统装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于光能量积分球的水质检测监测系统装置及方法，其中装置包括前端检测监测装置和后端检测监测系统，前端检测监测装置和后端检测监测系统通过网络通讯进行数据传输；前端检测监测装置包括能源模块、结构模块、主控模块和外设模块；能源模块与结构模块连接；能源模块、结构模块和外设模块均与主控模块连接，能源模块用于为前端检测监测装置提供能源电流；结构模块用于检测监测水质；外设模块用于将采集光能量数据传输到后端检测监测系统；后端检测监测系统包括AI模型库、数据库模块、大数据计算模块、管理模块和应用模块，AI模型库、数据库模块、大数据计算模块和应用模块均与管理模块连接。实时监测水质且结果准确率高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光能量积分球的水质检测监测系统装置及方法
本专利技术涉及环境监测的
，尤其涉及一种基于光能量积分球的水质检测监测系统装置及方法。
技术介绍
随着近几年环境污染的加重，水安全对人类的影响是多方面的，涉及到自然及社会人文的各个方面。同时随着人们生活水平的提高，人们对于水质的要求也越来越高，目前水质指标测定一般采用实地取样，实验室分析的方法，这种方法存在操作复杂和灵活性差的问题；因此，水质监测受到了国内外专家学者、各国政府和国际组织的广泛关注。生物化学需氧量(biochemicaloxygendemand，BOD)作为水质监测的重要指标，国际标准为5日BOD法，但其操作繁琐、耗时，还需要熟练的技术，且不能及时反映水质变化(Liuetal.,Biosens.Bioelectron.,Vol.20,562(2004))。近年来所发展的BOD的快速测量都是基于微生物同化有机物反应的同时将电子传递给氧气的原理，但是，由于氧气在水中的溶解度有限，对于高浓度的有机物样品需要经过稀释才能测量，从而大大降低了结果的准确性。另一方面，由于氧气受温度、气压影响而变化很大，这会引起测量结果的波动，如果附加一个氧气平衡装置也会使结果带来扰动(Leietal.,Anal.Chim.Acta,Vol.568,200(2006)；Duetal.,Biotechnol.Adv.,Vol.25,464(2007))；此外，随着人类生产活动的发展，大量既不是人体组成成分，也不是人体所需营养物质或维持正常生理功能必须的化学品被不断排放到水中，这些有毒有害的化学品通过食物链的放大作用进入人体内，可能会危害人体健康甚至生命。因此，对水体毒性进行检测及监测是评价水体是否受到到污染以及判断污染程度的重要手段。目前，蛙类、鱼类、小鼠、浮游生物、海藻等生物已被用于水体毒性检测，但是，上述生物进行水体毒性检测时具有测试周期长、成本高、操作复杂等缺点，不仅难以推广，而且不能满足现场快速检测需要。现有国际标准ISO11348-3规定使用深海发光细菌V.fischeri作为受试生物，实现了快速检测的需要，但是也存在诸多不足：首先，为了平衡渗透压，测试必须在高盐度条件下进行，可能会引起样品中某些化学品性质的改变，而且盐度校正会导致假阴性的结果；其次，对于一些溶解度低的样品，则会由于毒物的析出而导致假阳性结果；再次，该方法采用荧光检测，检测信号易受水体浑浊和颜色的影响；最后，发光细菌在自然界中不是普遍存在的微生物，获得和保存较为困难，商品发光细菌价格较为昂贵，导致检测成本较高。在水利、环保和水产养殖行业的水质指标检测和监测常用技术为电极法，但是全面的水质指标检测和监测，比如溶解氧、pH、氨氮、亚硝酸盐、硬度和水中H2S等成本高昂、操作复杂和电解液容易对水体产生二次污染。随着技术的发展，器件模块价格下降，原本应用在遥感遥测卫星上的高光谱技术可以解决上述问题。因此，现在有必要开发一种基于光能量积分球的水质检测监测系统、装置及方法，将需检测监测的水样抽入一个积分球的结构中，用200~1100nm的光源照射水面，采集光在水体中的镜面反射、水体反射和衍射及积分球的结构反射后的光能量数据，通过AI（ArtificialIntelligence）大数据算法计算水中溶解氧、pH、氨氮、亚硝酸盐、硬度和水中H2S等水质指标的数值和变化，为水利、环保和水产养殖行业的水质指标检测和监测提供了方便可靠的技术方案。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，提供一种基于光能量积分球的水质检测监测系统装置，可以实时监测水质，快速检测水质，且结果准确率高。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：该基于光能量积分球的水质检测监测系统装置，包括前端检测监测装置和后端检测监测系统，所述前端检测监测装置和所述后端检测监测系统通过网络通讯进行数据传输；所述前端检测监测装置包括能源模块、结构模块、主控模块和外设模块；所述能源模块与所述结构模块连接；所述能源模块、结构模块和外设模块均与所述主控模块连接，所述能源模块用于为所述前端检测监测装置提供能源电流；所述结构模块用于检测监测水质；所述外设模块用于将采集光能量数据传输到后端检测监测系统；所述后端检测监测系统包括AI模型库、数据库模块、大数据计算模块、管理模块和应用模块，所述AI模型库、数据库模块、大数据计算模块和应用模块均与管理模块连接，所述AI模型库用于存放多种水质算法模型数据；所述数据库模块用于接收并存放所述前端检测监测装置采集的数据；所述大数据计算模块用于利用AI模型库中水质算法数据模型计算水中的水质指标的数值和变化；所述管理模块用于管理和协调所述后端检测监测系统中所述AI模型库、数据库模块、大数据计算模块和应用模块之间的运作；所述应用模块用于将所述大数据模块计算的结果进行反馈。其中积分球体是类似积分球的球状球体，可以让200~1100nm的光在不同水质浓度的水体中的镜面反射、水体反射和衍射及积分球的结构反射后的光能量产生稳定的数值和变化；采用上述技术方案，前端检测监测装置结构模块的循环泵将需检测监测的水样抽入一个积分球体的结构中，用200~1100nm的光源照射水面，前端检测监测装置主控模块的光谱采集模组采集光在水体中的镜面反射、水体反射和衍射及积分球的结构反射后的光能量数据，通过前端检测监测装置外设模块的4G/5G/NB模组将采集光能量数据传输到后端检测监测系统的数据库模块，利用后端检测监测系统的AI模型库中的水质光谱数据模型，后端检测监测系统大数据计算模块计算水中溶解氧、pH、氨氮、亚硝酸盐、硬度和水中H2S等水质指标的数值和变化，一方面通过后端检测监测系统的应用模块将结果反馈给管理员和用户，另一方面校正AI模型库中的水质光谱数据模型。优选地，所述结构模块包括积分球体、电磁阀、循环泵、200~1100nm光源、温度水位模组和光谱采集探头，所述电磁阀的上部与所述能源模块相连接，所述电磁阀的下部与所述积分球体的底部相连接，且所述电磁阀通过所述能源模块控制将所述积分球体内部的水排出；所述循环泵的上部与所述能源模块相连接，所述循环泵的下部与所述积分球体的顶部相连接且伸入所述积分球体内部，通过所述能源模块控制将待检测监测的水源抽入所述积分球体内；所述200~1100nm光源与能源模块连接，通过能源模块控制向检测监测的积分球体及水体提供200~1100nm光能量；所述温度水位模组与主控模块连接，用于将所述积分球体内部温度、水体温度和水位传输给主控模块；所述光谱采集探头与主控模块连接，用于将所述积分球体内部的光能量的数值和变化上报给主控模块。优选地，所述能源模块包括至少一种清洁能源输入模组、清洁能源控制模组、交流电输入模组、变压模组、蓄电池和能源控制模组，所述能源输入模组与清洁能源控制模组连接，用于为所述前端检测监测装置提供能源电流；所述清洁能源控制模组的另一端与蓄电池相连接，所述清洁能源控制模组用于将所述清洁能源输入转换的能源电流输配到蓄电池和防止所述蓄电池过充和倒灌；所述交流电输入模组与变压模组连接，用于为所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光能量积分球的水质检测监测系统装置，其特征在于，包括前端检测监测装置和后端检测监测系统，所述前端检测监测装置和所述后端检测监测系统通过网络通讯进行数据传输；所述前端检测监测装置包括能源模块、结构模块、主控模块和外设模块；所述能源模块与所述结构模块连接；所述能源模块、结构模块和外设模块均与所述主控模块连接，所述能源模块用于为所述前端检测监测装置提供能源电流；所述结构模块用于检测监测水质；所述外设模块用于将采集光能量数据传输到后端检测监测系统；所述后端检测监测系统包括AI模型库、数据库模块、大数据计算模块、管理模块和应用模块，所述AI模型库、数据库模块、大数据计算模块和应用模块均与管理模块连接，所述AI模型库用于存放多种水质算法模型数据；所述数据库模块用于接收并存放所述前端检测监测装置采集的数据；所述大数据计算模块用于利用AI模型库中水质算法数据模型计算水中的水质指标的数值和变化；所述管理模块用于管理和协调所述后端检测监测系统中所述AI模型库、数据库模块、大数据计算模块和应用模块之间的运作；所述应用模块用于将所述大数据模块计算的结果进行反馈。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于光能量积分球的水质检测监测系统装置，其特征在于，包括前端检测监测装置和后端检测监测系统，所述前端检测监测装置和所述后端检测监测系统通过网络通讯进行数据传输；所述前端检测监测装置包括能源模块、结构模块、主控模块和外设模块；所述能源模块与所述结构模块连接；所述能源模块、结构模块和外设模块均与所述主控模块连接，所述能源模块用于为所述前端检测监测装置提供能源电流；所述结构模块用于检测监测水质；所述外设模块用于将采集光能量数据传输到后端检测监测系统；所述后端检测监测系统包括AI模型库、数据库模块、大数据计算模块、管理模块和应用模块，所述AI模型库、数据库模块、大数据计算模块和应用模块均与管理模块连接，所述AI模型库用于存放多种水质算法模型数据；所述数据库模块用于接收并存放所述前端检测监测装置采集的数据；所述大数据计算模块用于利用AI模型库中水质算法数据模型计算水中的水质指标的数值和变化；所述管理模块用于管理和协调所述后端检测监测系统中所述AI模型库、数据库模块、大数据计算模块和应用模块之间的运作；所述应用模块用于将所述大数据模块计算的结果进行反馈。


2.根据权利要求1所述的基于光能量积分球的水质检测监测系统装置，其特征在于，所述结构模块包括积分球体、电磁阀、循环泵、200~1100nm光源、温度水位模组和光谱采集探头，所述电磁阀的上部与所述能源模块相连接，所述电磁阀的下部与所述积分球体的底部相连接，且所述电磁阀通过所述能源模块控制将所述积分球体内部的水排出；所述循环泵的上部与所述能源模块相连接，所述循环泵的下部分别与待检测监测水源和所述积分球体的顶部相连接且伸入所述积分球体内部，通过所述能源模块控制将待检测监测的水源抽入所述积分球体内；所述200~1100nm光源与能源模块连接，通过能源模块控制向检测监测的积分球体及水体提供200~1100nm光能量；所述温度水位模组与主控模块连接，用于将所述积分球体内部温度、水体温度和水位传输给主控模块；所述光谱采集探头与主控模块连接，用于将所述积分球体内部的光能量的数值和变化上报给主控模块。


3.根据权利要求1所述的基于光能量积分球的水质检测监测系统装置，其特征在于，所述能源模块包括至少一种清洁能源输入模组、清洁能源控制模组、交流电输入模组、变压模组、蓄电池和能源控制模组，所述能源输入模组与清洁能源控制模组连接，用于为所述前端检测监测装置提供能源电流；所述清洁能源控制模组的另一端与蓄电池相连接，所述清洁能源控制模组用于将所述清洁能源输入转换的能源电流输配到蓄电池和防止所述蓄电池过充和倒灌；所述交流电输入模组与变压模组连接，用于为所述前端检测监测装置提供市电交流电能源电流；所述变压模块的另一端与所述蓄电池和能源控制模块连接，用于将交流电能源电流转换成蓄电池的直流电能输配到蓄电池且防止蓄电池过充和倒灌，同时通过所述能源控制模组给所述前端检测监测装置提供能源电流；所述能源控制模组一端连接所述主控模块、蓄电池和变压模组，另一端连接主控模块和结构模块，用于通过主控模块的指令为主控模块和结构模块提供能源电流。


4.根据权利要求2所述的基于光能量积分球的水质检测监测系统装置，其特征在于，所述主控模块包括光谱采集模组和主控模组，所述光谱采集模组的一端连接所述主控模组，另一端连接所述结构模块的光谱采集探头，用于把所述光谱采集探头采集的光能量数据传输给所述主控模组；所述主控模组分别与能源控制模组、温度水位模组和外设模组连接。


5.根据权利要求4所述的基于光能量积分球的水质检测监测系统装置，其特征在于，所述外设模块包括4G/5G/NB模组、GPS/BDS模组、空气流动模组、报警模组和摄像头模组，所述4G/5G/NB模组与所述主控模组连接，用于接受所述主控模组的指令与所述后端检测监测系统进行通信；所述GPS/BDS模组与所述主控模组连接，用于获取所述前端检测监测装置的位置信息并传输给所述主控模组；所述空气流动模组的一端与所述主控模组连接，另一端与所述结构模块的积分球体连接，用于为所述前端检测监测装置提供空气流动，防止所述前端检测监测装置的内部起雾结冰影响检测监测数据；所述报警模组与所述主控模组连接，用于接收所述主控模组的指令进行声光报警；所述摄像头模组与所述主控模组连接，用于采集所述前端检测监测装置所处环境的图片和视频数据并传输给所述主控模块。


6.根据权利要求4所述的基于光能量积分球的水质检测监测系统装置，其特征在于，所述电磁阀通过第一水管与积分球体底部连接，所述循环泵通过第二水管分别与待检测监测水源和积分球体连接，在开始检测前，所述循环泵通过能源模块的能源控制模组的控制将待检测监测水源抽入积分球体内，且与待检测监测水源连接第二水管处有过滤膜，在所述积分球体内部入水管处设有增压扇形喷头，可以对所述积分球体内部进行清洁。


7.一种采用权利要求1-6所述的基于光能量积分球的水质检测监测系统装置进行水质检测的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：准备数据，选择待检测的水质指标并调取所述水质指标的水质算法数据模型，
S2：采用步骤S1中准备的数据进行基线校正；
S3采用步骤S2中校正后的数据处理结果计算距离；
S4：根据步骤S1中调取的水质算法数据模型对应的阀值进行数据剔除，若超出所述阀值则剔除光谱，从而获得未超出阀值的数据样本集；
S5：对步骤S4中获得的数据样本集统计平均样点个数；
S6：结合步骤S1中准备的数据对步骤S5中的数据结果计算反射率，得到反射率数据结果；
S7：对步骤S6中反射率数据结果进行预处理；
S8：根据待检测的水质指标的所述水质算法数据模型输出该水质指标的检测数值。


8.根据权利要求7所述的采用基于光能量积分球的水质检测监测系统装置进行水质检测的方法，其特征在于，所述步骤S1中的准备的数据包括背景光谱数据、水面光谱数据、暗电流数据和标准板光谱数据或/和天空光光谱数据；所述水质算法数据模型为标准评估模型Mn，所述标准评估模型Mn对应的阀值为Yn。


9.根据权利要求8所述的采用基于光能量积分球的水质检测监测系统装置进行水质检测的方法，其特征在于，所述步骤S2中使用的步骤S1中准备的数据包括背景光谱数据、水面光谱数据和暗电流数据；进行基线校正的算法为光谱单点校正，具体步骤为：
S21：设为背景光谱数据、为水面光谱数据和为暗电流数据；
S22：将数据对应的同波长计算均值，；
S23：将数据对应同波长计算均值，；（1）；其中为基线校正后的光谱；为波长；为均值后背景光谱；为均值后暗电流光谱；n为样点中的光谱总数。


10.根据权利要求9所述的采用基于光能量积分球的水质检测监测系统装置进行水质检测的方法，其特征在于，所述步骤S3中对校正后的数据处理结果计算距离的算法为多维点矩阵距离算法，具体步骤为：
S31：在维空间里的两个点和，距离的表达公式如下式（2）；（2）；其中i=1、
2、3、……n；
S32：设采集样点数总数m，每个采集样点的训练集光谱总数n；则；每个点p维度为200~1100nm之间的光通量数；
S33：对每个样...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴冬华，许科奎，何明倩，王计斌，
申请(专利权)人：南京红松信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32