基于直接光譜法的全天候長流域水質監測與預警系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于水質監測技術領域，涉及一種水質監測與預警管理系統，特別是一種 基于直接光譜法的全天候長流域水質監測與預警系統。
【背景技術】
[0002] 水是人類賴以生存和發展的重要資源，面對日益嚴峻的水污染問題，人們對水環 境的檢測和監測提出了更高的要求。
[0003]目前，檢測水質主要使用傳統的化學法在實驗室進行分析，需要通過人工的現場 采樣、運輸，并利用大型的專用設備來完成。對采樣、制樣的技術經驗要求高、耗時較長、成 本高、工作量大，而且不能實時的水質的情況，還會造成二次污染。研究一種更快、更準確 的檢測、監測和預測水質狀況的儀器是水質監測領域的重要發展方向之一。
[0004] 現有的新型設備在檢測和監測方面都有一定的應用，但也存在諸多問題，如無法 實現對大面積流域水質的監測，測量參數單一，應用場景受限等，只能被動監測，無法實現 水質的預測。對于大面積水域、復雜地形水域以及人們難以到達水域的水質參數，不僅無 法滿足實時在線監測的需求，而且無法對復雜水域水環境進行有效監測和管理。
[0005] 基于紫外一可見光光譜（ultraviolet-visible spectrometry, UV-Vis)分析技術 可以直接或間接測定水體中大多數金屬離子、非金屬離子、有機物污染物、硝酸鹽以及化學 需氧量（Chemical Oxygen Demand，C0D)等多種參數。UV-Vis光譜法監測水體就是利用測 得水體的紫外-可見吸收光譜來建立水質相關的參數模型，建立水體與其紫外-可見光吸 收光譜之間的對應關系，該法具有無需化學試劑、測量速度快等優點。同時，UV-Vis光譜法 水體監測，可以將光譜探頭浸入水中，能夠對水體進行在線、實時的監測，從而實現對水體 環境實時監控、突發性污染事故預警以及流域趨勢分析等功能。特別是，隨著傳輸速率快、 頻帶寬的4G通信技術的迅猛發展，全天候、整流域水體安全性監測成為可能，此可將水體 是否發生污染險情上傳至監控中心，從而及時發出預警信息，預先做好相應的預防措施，以 便將損失降到最低。
[0006] 申請號為201310745779. 5,名稱為"一種水質監測系統及方法"的專利申請文件公 開了一種包含測量裝置、控制器、顯示器、多個試劑容器、多個備用試劑容器、蒸餾水容器、 清洗容器以及廢液容器的一種水質監測系統，能夠獲得至少兩種波長的光，監測不同的污 染因子。該系統監測水質過程繁瑣，需要復雜的水樣預處理，運用化學試劑產生二次污染， 且能夠監測的參數十分有限，無法同時獲取流域的水質狀況。

【發明內容】

[0007] 有鑒于此，本發明的目的在于提供一種基于直接光譜法的全天候長流域水質監測 與預警系統，該系統能夠實現對流域內水體環境全天候的在線測量、實時監測、突發性預 警、流域分析以及水環境監控，減少因水體污染造成的損失，保障人們飲水安全。
[0008] 為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：
[0009] -種基于直接光譜法的全天候長流域水質監測與預警系統，所述系統包括水質監 測裝置、云數據處理平臺和遠程監控平臺；
[0010] 所述水質監測裝置的數量為多個，根據需要放置于水體岸邊、水面浮標或其他水 面平臺上，對長流域的水質數據進行提取，所述水質監測裝置利用直接光譜法獲取監測水 體的吸收光譜，并將監測到的數據和水質信息通過無線傳輸的方式傳送至云數據處理平 臺；云數據處理平臺對接收到的數據進行匯總和分析，并存入數據庫中；遠程監控平臺通 過對存入數據庫中的數據進行查詢和顯示，實現對全天候長流域水質環境的實時監測和預 警。
[0011] 進一步，所述水質監測裝置包括傳感器模塊、GPS模塊、微處理器、無線通信模塊和 電源模塊；
[0012] 所述傳感器模塊包括多種傳感器探頭和A/D轉換模塊，通過多路繼電器進行工作 狀態的切換，實時采集監控流域的水質信息，所述水質信息包括溫度、PH值、流速、電導率 等；光譜探頭與光譜儀相連，用于獲取水質的紫外-可見吸收光譜，可用于C0D、T0C、TURB和 N03-N的解算；
[0013] 所述微處理器負責協調和控制監測裝置各模塊工作，存儲和上傳采集的水質信 息；在微處理器中，利用壓縮算法完成光譜數據的壓縮，并將處理后的光譜數據及其他傳感 數據按照采集時間與數據類型進行分類存儲，通過無線通信模塊傳輸至云數據處理平臺；
[0014] 所述無線通信模塊主要包括無線數據傳輸模塊和廣域網模塊，負責水質監測裝置 與遠程監控平臺間的通信；無線數據傳輸模塊負責組建并加入無線數據傳輸網絡，組建的 網絡可自愈和，抗干擾性強；廣域網模塊主要負責將設備接入互聯網Internet中，可以隨 時接收或發送數據至云數據處理平臺。
[0015] 進一步，所述水質吸收光譜壓縮算法采用小波變換編碼，閾值的選取采用能量閾 值法。
[0016] 進一步，所述電源模塊由太陽能電池板、鋰電池組、備用電池、穩壓電路、電壓轉換 電路組成；太陽能電池板將太陽能轉換為電能存儲于鋰電池組中，通過穩壓電路及電壓轉 換電路為傳感器模塊、微處理器模塊和無線通信模塊提供穩定電壓；當天氣狀況不佳，鋰電 池電量耗盡時，備用電池進入工作狀態。
[0017] 進一步，在設置水質監測裝置的投放位置時，考慮投入點的數量將裝置的放置位 置分為三類：1)按流域監測斷面劃分出的位置；2)源頭和重點污染源；3)在不方便設立固 定監測點的地方，采用船載的方式臨時采集數據。
[0018] 進一步，水質監測裝置放置就位后上電工作，根據位置選擇加入的無線數據傳輸 網絡組，注冊相應的裝置序號，并將監測裝置的詳細信息上傳至云數據處理平臺，詳細信息 主要包括：位置信息、裝置序號、裝置的網絡地址、監測裝置的設備狀態、電池電量等；
[0019] 所述水質監測裝置根據系統設置的參數進入監測狀態：在定時模式下，每隔固定 的時間自動喚醒，通過多路開關控制相應的傳感器采集對應的水質信息，如水質吸收光譜、 溫度、pH、流速、電導率等，采集到的水質吸收光譜在監測裝置中通過小波變換編碼壓縮后， 與其他傳感數據按照采集時間與數據類型進行分類存儲，同時將水質信息按照相應的幀格 式進行封裝，通過無線網絡傳輸至云數據處理平臺，水質參數的數據采集與傳輸完成后，監 測裝置將進入睡眠狀態，以降低系統功耗，等待下一次手動或自動喚醒；在手動模式下，用 戶手動控制監測裝置開始采集，通過云端以單播的方式發送至目標水質監測裝置，水質監 測裝置收到指令后，從睡眠狀態喚醒，完成數據采集與傳輸后再次進入睡眠狀態。
[0020] 進一步，所述云數據處理平臺包括云端數據庫和云端服務器：
[0021 ] 云端數據庫主要負責監測流域內水質信息的存儲，其中包含水質原始信息，如水 質吸收光譜、溫度、PH、流速、電導率等，還包含通過智能算法解算后的水質信息以及監測裝 置的運行狀態信息，這些信息按照時間、地點、內容等進行分類存入云端數據庫，供云端服 務器查詢和調用；
[0022] 云端服務器主要負責水質數據的分析與解算，利用云計算等技術，對所獲得的流 域內不同位置的水質吸收光譜進行批量處理；通過主成份分析（PCA)和極限學習機與粒子 群優化算法（PSO-ELM)分類建立應用于不同水質場景的紫外可見光譜法水質預測模型，根 據光譜的特征自動選取相應的預測模型，解算出流域中對應位置水質的參數