一种移动式水质现场监测预警及无线远传设备

1.一种移动式水质现场监测预警及无线远传设备，其特征在于，它包括：主控单元、水质在线取样测量单元、视频监控及语音对讲单元、GPS定位单元、人机交互单元、现场报警单元和无线通讯远传单元；其中，所述水质在线取样测量单元与主控单元通过RS485通讯接口相连接；视频监控及语音对讲单元通过USB接口与主控单元相连接；GPS定位单元通过其通讯端口与主控单元相连接；人机交互单元通过RS485通讯接口与主控单元相连接；无线通讯远传模块通过RS232通讯接口与主控相连接；现场报警单元与主控单元直连；所述主控单元包括主控制模块、光谱分析模块、评价预警模块、语音视频模块和无线通讯模块；
其中，所述光谱分析模块、评价预警模块、语音视频模块和无线通讯模块均与主控制模块相连；所述水质在线取样测量单元由光源、浸没式反射式探头和光谱仪组成；其中，所述光源通过光纤与浸没式反射式探头连接，浸没式反射式探头通过光纤与光谱仪连接，光源通过信号线与光谱仪连接。

一种移动式水质现场监测预警及无线远传设备\n技术领域\n[0001] 本发明属于水环境监测和突发性污染事故应急领域，尤其涉及一种移动式水质现场监测预警及无线远传设备。\n背景技术\n[0002] 近年来，突发性水质污染事故频频发生，不断地恶化着我国的水环境，威胁人民群众用水安全，给社会经济带来了巨大的损失。\n[0003] 突发性水质污染事故往往具有如下几个特点：\n[0004] （1）事故发生的突然性；\n[0005] （2）事故的不确定性：发生地点、时间、水域性质、污染源和危害性等具有很大的不确定性；\n[0006] （3）扩散的迅速性：污染物会在水中迅速扩散甚至溶解, 尤其是易溶物和液体物质；\n[0007] （4）危害的严重性：水污染也具有流域性, 导致整个区域环境都会受到不同程度的影响, 尤其是打乱附近的居民的生活秩序、危害人体健康, 并且给企业造成巨大的经济损失；\n[0008] （5）处置的艰巨性：突发性水污染事故的性质、规模和发展趋势等不同, 涉及自然因素和人为因素的相互作用, 处置过程受历史、地理、经济、文化等众多因素的影响, 而不是单纯的进行水污染事故本身的处理和处置, 这就带来了处置的复杂性和艰巨性。\n[0009] 鉴于突发性水质污染事故的特点，在发生重大突发性水质污染时，需要立即在水污染区域和下游区域部署若干个移动式/便携式水质监测设备进行水质和特征污染物的实时监测，并将监测到的水质和特征污染物数据报告给水质监测中心或应急监测中心，水质监测中心或应急监测中心依据现场报告的水质状况和特征污染物浓度，才能对突发性水质污染事故进行快捷和有效地决策处置。\n[0010] 面对复杂多变的水环境现状和频繁发生的突发性水质污染事故，开发快速、有效的现场移动式/便携式水质监测设备，以灵活应对各类水质突发性污染事故、保障人民群众用水安全、最大限度减少各方面的损失，具有重要的经济价值和社会价值。\n[0011] 然而，现有的移动式/便携式水质监测设备在功能方面较单一、可监测水质指标偏少、自动化水平不高，这使得在发生突发性水质污染事故时，需要大量的人力投入，24小时不间断地在现场进行水质人工取样、人工分析、人工上报，这已经无法满足目前日益复杂的水环境污染现状和快速高效处理重大突发性水质污染事故的要求。\n[0012] 有鉴于此，本发明综合利用光谱分析技术、GPS定位技术、无线网络技术、水质评价预警技术、音视频编解码技术等，提供在突发性水质污染事故情况下，在现场进行常规水质指标和特征污染物的即时监测分析、即时评价预警、即时数据远传、即时视频会商等功能，为突发性水质事故的处理提供强有力的技术支撑和保障。\n发明内容\n[0013] 本发明所要解决的技术问题是：克服现有移动式/便携式水质监测设备功能单一、监测指标偏少、自动化程度不高的不足，提供一种移动式水质现场监测预警及无线远传设备，利用该设备可进行常规水质指标和特征污染物的即时监测分析、即时评价预警、即时数据远传、即时视频会商等功能，以提高紧急情况下处理突发性水质事故的应急能力。\n[0014] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种移动式水质现场监测预警及无线远传设备，它包括：主控单元、水质在线取样测量单元、视频监控及语音对讲单元、GPS定位单元、人机交互单元、现场报警单元和无线通讯远传单元等；其中，所述水质在线取样测量单元与主控单元通过RS485通讯接口相连接；视频监控和主意对讲单元通过USB接口与主控单元相连接；GPS定位单元通过其通讯端口与主控单元相连接；人机交互单元通过RS485通讯接口与主控单元相连接；无线通讯远传模块通过RS232通讯接口与主控相连接；\n现场报警单元与主控单元直连。\n[0015] 进一步地，所述主控单元包括主控制模块、光谱分析模块、评价预警模块、语音视频模块和无线通讯模块等；其中，所述光谱分析模块、评价预警模块、语音视频模块和无线通讯模块均与主控制模块相连。\n[0016] 进一步地，所述水质在线取样测量单元由光源、浸没式反射式探头和光谱仪等组成；其中，所述光源通过光纤与浸没式反射式探头连接，浸没式反射式探头通过光纤与光谱仪连接，光源通过信号线与光谱仪连接。\n[0017] 本发明的有益效果是：本发明采用紫外多光谱自动扫描系统、嵌入式微机系统和基于支持水质国家标准与智能算法的水质模型，提高了水质监控预警的准确性与速度；嵌入式系统为核心的系统实现了进水，出水，清洗等过程的全自动化；实现了水质监控预警的全自动化，简单化，智能化，大大提高了水质监控预警的速度，能够适合于多种情况下运行的水质在线，快速，准确监控预警。\n附图说明\n[0018] 图1是本发明的系统结构示意图；\n[0019] 图2 是本发明的主控单元的电路原理图；\n[0020] 图3是本发明的水质取样测量单元光路原理图；\n[0021] 图4是本发明的单元工作流程图。\n具体实施方式\n[0022] 如图1所示，本发明移动式水质现场监测预警及无线远传设备包括：主控单元、水质在线取样测量单元、视频监控及语音对讲单元、GPS定位单元、人机交互单元、现场报警单元、无线通讯远传单元。其中，水质在线取样测量单元与主控单元通过RS485通讯接口相连接；视频监控和主意对讲单元通过USB接口与主控单元相连接；GPS定位单元通过其通讯端口与主控单元相连接；人机交互单元通过RS485通讯接口与主控单元相连接；无线通讯远传模块通过RS232通讯接口与主控相连接；现场报警单元与主控单元直连。\n[0023] 如图2所示，主控单元包括主控制模块、光谱分析模块、评价预警模块、语音视频模块、无线通讯模块。其中，光谱分析模块、评价预警模块、语音视频模块和无线通讯模块均与主控制模块相连，主控单元可以由ARM公司的STM32F103RBT6P型号的单片机来实现，它有着体积小、计算速度快、模块化性能好、高可靠性等优点，但不限于此。\n[0024] 主控制模块负责对基本参数进行设定，控制程序流程以及与各模块及单元之间进行常规通讯等功能。\n[0025] 光谱分析模块内嵌紫外光谱分析算法，负责对水质在线取样单元所得到的吸光度数据根据分析算法进行分析计算，得到水样中检测物质的数据。\n[0026] 评价预警模块内嵌评价预警算法，负责在光谱分析模块对水质数据处理的基础上依据历史信息及国家相关标准对水质信息进行分类评价预警，得到及时的水质评价预警信息远传回服务器。\n[0027] 语音视频模块负责对语音视频信号数据进行处理。\n[0028] 无线通讯模块负责与远程中心服务器对接，收发中心指令，及时远传现场信息及进行现场操控。\n[0029] 如图3所示，所述水质在线取样测量单元由光源、浸没式反射式探头、光谱仪组成。其中光源通过光纤与浸没式反射式探头连接，浸没式反射式探头通过光纤与光谱仪连接，光源通过信号线与光谱仪连接。其中光源可以选用脉冲氙灯光源，波长范围200-750nm；\n探头可以采用浸入式UV-VIS探头，波长范围200-1100nm。较长范围的波长及小型化的设备使其更具便携性与适用性;光谱仪可以采用USB4000-UV-VIS它的波长范围是200-850nm，其他类型的红外，荧光，拉曼光谱仪都不具有这一特点，另外它偏小型化，便于实现移动检测的目的，具有232和USB借口，可与单片机或电脑通信，便于实现远程数据发送目的。\n[0030] 视频监控及语音对讲单元包括视频摄像设备、视频解码器、录音单元、麦克风、喇叭等部分；其中视频摄像设备与视频解码器相连接，视频摄像设备与主控单元相连接，录音单元与主控单元相连接，麦克风、喇叭与主控单元相连接。整个视频监控及语音对讲单元用于对现场的图像和语音进行摄像和录音，将视频和语音信号发送给主控单元，并接收主控单元传来的语音进行播放。\n[0031] GPS定位单元用于从全球定位系统中接收并记录设备所在的地理位置信息，经由主控单元和无线通讯远传单元发送给监控中心服务器。具体可以采用ZyCast SR-87M 模块结构，但不限于此，该产品具有高灵敏性，超小型等特点除体积小外还具备短信报警和远程测听环境声音等功能。\n[0032] 人机交互单元包括了由用于事物处理及协调各模块的核心控制单元、用于输入操作者指令的输入单元、用于输出系统运行功能结果的输出单元及用于与其他终端进行互联通信的通信接口单元组成，用于实现现场的人机交互，水质参数监控、工作参数配置、通讯参数设置等，具体可采用西门子公司SMART系列产品，但不限于此。\n[0033] 现场报警单元用于当污染物浓度超过报警值时，触发声光报警，提示现场当前的水质污染程度。具体实施报警单元可以采用TBJ-185可携带式声光报警器，但不限于此，该产品包括了传感装置，通讯装置，报警装置，控制装置和终端处理装置，具有便携、经济等特点。\n[0034] 无线通讯远传单元可以采用爱赛德公司的DTU产品，但不限于此，其中包括了监测控制模块、无线通讯收发模块、无线智能传感器和执行模块组成，用于经由GPRS/GSM网络建立设备与远端监控中心服务器的无线数据连接，实现水质数据、水质评价结果数据、视频数据和语音数据的通讯。无线远传模块根据自行约定的波特率、校验位、停止位、固定IP等信息将所需数据传回远端服务器。\n[0035] 整个移动式水质现场监测预警及无线远传设备的工作流程如下：主控单元首先进行上电初始化，水质在线取样分析单元对水样进行取样，利用光路系统对水质进行在线分析获得光谱测量数据；主控单元然后对光谱测量数据进行分析，获得常规水质指标和特征污染物指标的估计值，并利用评价预警模型实现水质评价预警，水质监测数据、水质评价预警结果通过无线通讯远传单元实现与监控中心服务器的通讯。GPS定位单元实现实时定位、视频及语音数据实现实时监控，人机交互单元和现场报警单元实现现场的人机交互控制和声光报警功能。该设备实现突发水质污染事件现场常规水质和已知特征污染物的同时在线监测、评价和报警，大大提高突发水质污染事件的自动化、实时化、智能化水平。