一种基于斑马鱼行为分析的水质预警系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于斑马鱼行为分析的水质预警系统及方法，涉及环境工程技术领域。系统包括：中心设有检测模块的监测室、红外收发阵列、信号驱动采集板和处理器；红外收发阵列包括若干个红外收发模块；若干个红外收发模块呈M行N列，等间隔分布于检测模块上；红外收发模块包括红外发射模块和红外接收模块；信号驱动采集板与红外收发阵列连接，一方面驱动各红外发射模块发射红外光，另一方面采集各红外接收模块生成的感应电流，并根据各感应电流生成M行N列的电压矩阵；处理器与信号驱动采集板连接，根据电压矩阵计算目标斑马鱼的运动参数，对目标水体的水质进行预警。本发明专利技术能够解决现有水质预警技术中的观察死角问题，且降低成本，提高效率。提高效率。提高效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于斑马鱼行为分析的水质预警系统及方法


[0001]本专利技术涉及环境工程
，特别是涉及一种基于斑马鱼行为分析的水质预警系统及方法。

技术介绍

[0002]如何有效地对水体质量进行监测和管理，已经成为世界各国政府密切关注的问题。因此，设计一种能够预防区域性水质污染事故、解决跨地区水污染、监督工厂排放污水指标的水质在线监测方法，是当前配合国家工作，预防水污染影响的重中之重。
[0003]目前世界各国的水质监测和评估方法大致分为两类，第1类是采用各类仪器直接测定水体样本中的某物质含量的理化分析方法。该方法需要一定时间，检测费用较高，很难实现实时的连续检测。第2类是通过生物监测技术与环境科学结合的生物监测方法。通过生态学方法和毒理学方法结合，利用水生生物对水体环境的反应与感受来评估水体污染，该方法具有极好的实时性。
[0004]斑马鱼是国际标准组织ISO推荐的生物监测的标准模式生物，其毒理学的数据相当丰富，并且对较为广泛的毒性物质保持敏感，培育成本较低，行为模式较容易监测，应激反应明显等等优点。早在上世纪90年代初，斑马鱼就已经开始被应用于混合化合物的检测，利用斑马鱼对多种环境污染物，甚至包括致癌物质进行短期或长期的暴露反应实验，事实证明其作为实验物较为方便。然而实际实验中，斑马鱼的行为不仅受到水质污染因素干扰，还会受到水温、pH、噪音、光照等因素影响，导致其出现反常的行为，即使在一定范围内控制相应因素，也很难避免斑马鱼的自然行为不受到其他不可控因素导致的不规则变化。
[0005]目前主要的用斑马鱼生物监测水质预警的方法，大多是基于计算机视觉技术，用摄像机记录获取斑马鱼行为图片，通过图像分析，获得斑马鱼的运动轨迹等相关运动数据进行分析。然而此种方法成本大，后期进行图像处理所需的资源较多，尤其是目前充斥着大量重复、资源浪费的分析方法，摄像机摄录区域也会出现观察死角。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种基于斑马鱼行为分析的水质预警系统及方法，以解决现有水质预警技术中的观察死角问题，且降低成本，提高效率。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0008]一种基于斑马鱼行为分析的水质预警系统，所述水质预警系统包括：
[0009]监测室，用于放置目标水体和目标斑马鱼；所述监测室的中心设有检测模块；所述目标水体和所述目标斑马鱼位于所述检测模块的外部；
[0010]红外收发阵列；所述红外收发阵列包括若干个红外收发模块；若干个所述红外收发模块呈M行N列，等间隔分布于所述检测模块上；所述红外收发模块包括红外发射模块和红外接收模块；所述红外发射模块用于向所述监测室发射红外光；所述红外接收模块用于根据所述监测室或所述目标斑马鱼反射的红外光生成感应电流；其中，M大于等于5，N大于
等于12；
[0011]信号驱动采集板，与所述红外收发阵列连接，用于驱动各所述红外发射模块发射红外光，还用于采集各所述红外接收模块生成的感应电流，并根据各所述感应电流生成M行N列的电压矩阵；
[0012]处理器，与所述信号驱动采集板连接，用于连续获取所述目标斑马鱼在所述目标水体中时的电压矩阵，根据所述电压矩阵计算所述目标斑马鱼的运动参数，并根据所述运动参数对所述目标水体的水质进行预警；所述运动参数包括：运动速度、运动加速度、鱼体所处深度、滞留时间和累积运动距离；所述累积运动距离为所述目标斑马鱼在设定记录时间内的运动距离的总和。
[0013]可选地，所述信号驱动采集板包括：
[0014]振荡电路，用于生成设定频率的方波；
[0015]功率放大电路阵列，分别与所述振荡电路和各所述红外发射模块连接，用于对所述方波进行功率放大后驱动各所述红外发射模块发射红外光；
[0016]I/V转换电路阵列，分别与各所述红外接收模块连接，用于采集各所述红外接收模块生成的感应电流，并将所述感应电流转换为对应的电压信号；
[0017]低通滤波器阵列，与所述I/V转换电路阵列连接，用于对各所述电压信号进行滤波，得到电压矩阵。
[0018]可选地，所述监测室为透明材质的圆柱形监测室；所述检测模块为与所述监测室等高且同轴的圆柱形检测模块。
[0019]可选地，M的值为5，N的值为12；各所述红外收发模块等距离分布于所述检测模块的5个不同深度上，且在每个深度上等角度分布有12个所述红外收发模块。
[0020]一种基于斑马鱼行为分析的水质预警方法，所述水质预警方法应用于上述的水质预警系统，所述方法包括：
[0021]连续获取目标斑马鱼在目标水体中时的电压矩阵；所述电压矩阵是由信号驱动采集板根据红外收发阵列中的各红外接收模块生成的感应电流生成的；
[0022]根据所述电压矩阵计算所述目标斑马鱼的运动参数；所述运动参数包括：运动速度、运动加速度、鱼体所处深度、滞留时间和累积运动距离；所述累积运动距离为所述目标斑马鱼在设定记录时间内的运动距离的总和；
[0023]根据所述运动参数对所述目标水体的水质进行预警。
[0024]可选地，所述根据所述电压矩阵计算所述目标斑马鱼的运动参数，具体包括：
[0025]根据所述电压矩阵计算所述目标斑马鱼在所述监测室中的位置信息；
[0026]根据所述位置信息计算所述目标斑马鱼的运动轨迹；
[0027]根据所述运动轨迹计算所述目标斑马鱼的运动参数。
[0028]可选地，所述根据所述电压矩阵计算所述目标斑马鱼在所述监测室中的位置信息，具体包括：
[0029]比较所述电压矩阵中的各元素，得到最大电压值，并确定所述最大电压值所在的行号和列号；
[0030]根据所述最大电压值计算所述目标斑马鱼与所述监测室的中心的水平距离；
[0031]根据所述行号、所述列号和所述水平距离计算所述目标斑马鱼在所述监测室中的
位置信息。
[0032]可选地，所述根据所述行号、所述列号和所述水平距离计算所述目标斑马鱼在所述监测室中的位置信息，具体公式为：
[0033]X＝rcos(j+1)*360
°
/N；
[0034]Y＝rsin(j+1)*360
°
/N；
[0035]Z＝(i+1)*h/M；
[0036]其中，i为行号，j为列号，r为目标斑马鱼与监测室的中心的水平距离，M为电压矩阵中元素的总行数，N为电压矩阵中元素的总列数，h为监测室的深度，X为所述目标斑马鱼在所述监测室中的横坐标，Y为所述目标斑马鱼在所述监测室中的纵坐标，Z为所述目标斑马鱼在所述监测室中的竖坐标。
[0037]可选地，所述根据所述运动参数对所述目标水体的水质进行预警，具体包括：
[0038]判断所述运动速度是否小于设定速度，或所述运动加速度是否小于设定加速度，得到第一判断结果；
[0039]若所述第一判断结果为否，则发出水质出现突发性污染预警；
[0040]若所述第一判断结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于斑马鱼行为分析的水质预警系统，其特征在于，所述水质预警系统包括：监测室，用于放置目标水体和目标斑马鱼；所述监测室的中心设有检测模块；所述目标水体和所述目标斑马鱼位于所述检测模块的外部；红外收发阵列；所述红外收发阵列包括若干个红外收发模块；若干个所述红外收发模块呈M行N列，等间隔分布于所述检测模块上；所述红外收发模块包括红外发射模块和红外接收模块；所述红外发射模块用于向所述监测室发射红外光；所述红外接收模块用于根据所述监测室或所述目标斑马鱼反射的红外光生成感应电流；其中，M大于等于5，N大于等于12；信号驱动采集板，与所述红外收发阵列连接，用于驱动各所述红外发射模块发射红外光，还用于采集各所述红外接收模块生成的感应电流，并根据各所述感应电流生成M行N列的电压矩阵；处理器，与所述信号驱动采集板连接，用于连续获取所述目标斑马鱼在所述目标水体中时的电压矩阵，根据所述电压矩阵计算所述目标斑马鱼的运动参数，并根据所述运动参数对所述目标水体的水质进行预警；所述运动参数包括：运动速度、运动加速度、鱼体所处深度、滞留时间和累积运动距离；所述累积运动距离为所述目标斑马鱼在设定记录时间内的运动距离的总和。2.根据权利要求1所述的基于斑马鱼行为分析的水质预警系统，其特征在于，所述信号驱动采集板包括：振荡电路，用于生成设定频率的方波；功率放大电路阵列，分别与所述振荡电路和各所述红外发射模块连接，用于对所述方波进行功率放大后驱动各所述红外发射模块发射红外光；I/V转换电路阵列，分别与各所述红外接收模块连接，用于采集各所述红外接收模块生成的感应电流，并将所述感应电流转换为对应的电压信号；低通滤波器阵列，与所述I/V转换电路阵列连接，用于对各所述电压信号进行滤波，得到电压矩阵。3.根据权利要求1所述的基于斑马鱼行为分析的水质预警系统，其特征在于，所述监测室为透明材质的圆柱形监测室；所述检测模块为与所述监测室等高且同轴的圆柱形检测模块。4.根据权利要求1所述的基于斑马鱼行为分析的水质预警系统，其特征在于，M的值为5，N的值为12；各所述红外收发模块等距离分布于所述检测模块的5个不同深度上，且在每个深度上等角度分布有12个所述红外收发模块。5.一种基于斑马鱼行为分析的水质预警方法，其特征在于，所述水质预警方法应用于如权利要求1
‑
4中任意一项所述的水质预警系统，所述方法包括：连续获取目标斑马鱼在目标水体中时的电压矩阵；所述电压矩阵是由信号驱动采集板根据红外收发阵列中的各红外接收模块生成的感应电流生成的；根据所述电压矩阵计算所述目标斑马鱼的运动参数；所述运动参数包括：运动速度、运动加速度、鱼体所处深度、滞留时间和累积运动距离；所述累积运动距离为所述目标斑马鱼在设定记录时间内的运动距离的总和；根据所述运动参数对所述目标水体的水质进行预警。
6.根据权利要求5所述的基于斑马鱼行为分析的水质预警方法，其特征在于，所述根据所述电压矩阵计算所述目标斑马鱼的运动参数，具体包括：根据所述电压矩阵计算所述目标斑马鱼在所述监测室中的位置信息；根据所述位置信息计算所述目标斑马鱼的运动轨迹；根据所述运动轨迹计算所述目标斑马鱼的运动参数。7.根据权利要求6所述的基于斑马鱼行为分析的水质预警方法，其特征在于，所述根据所述电压矩阵计算所述目标斑马鱼在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王聪，胡洋，李道亮，陈英义，位耀光，刘春红，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：