一种水质监测系统及方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 109959634 A(43)申请公布日 2019.07.02

(21)申请号 201910298577.8(22)申请日 2019.04.15

(71)申请人 中科谱光科技（天津）有限公司

地址 300304 天津市东丽区华明高新技术

产业区华丰路6号F座4号楼101室(72)发明人 张立福　张红明　孙雪剑　(74)专利代理机构 北京路浩知识产权代理有限

公司 11002

代理人 王庆龙　周永君(51)Int.Cl.

G01N 21/47(2006.01)G01N 21/25(2006.01)

权利要求书2页 说明书6页 附图2页

CN 109959634 A()发明名称

一种水质监测系统及方法(57)摘要

本发明实施例提供一种水质监测系统及方

水槽、光谱采集模块、校正模块、控法，包括外壳、

制模块和云平台分析模块，其中：水槽、光谱采集模块、校正模块和控制模块设置在外壳内部；水槽为盛装待测水体的容器，设置在光谱采集模块的下方，水槽的外壁上方设置有光孔；光谱采集模块固定设置在水槽的外壁上方，包括光束出光口和反射光采集口，光束出光口和反射光采集口通过光孔垂直置入于水槽内的待测水体中；校正模块固定设置在水槽的外壁上方；控制模块连接光谱采集模块和校正模块；云平台分析模块和控制模块进行无线连接。本发明实施例将测量得到的反射光谱进行反演处理，定期对反演结果进行校正，提高水质参数监测的效率和准确性。

CN 109959634 A

权　利　要　求　书

1/2页

1.一种水质监测系统，其特征在于，包括外壳、水槽、光谱采集模块、校正模块、控制模块和云平台分析模块，其中：

所述水槽、所述光谱采集模块、所述校正模块和所述控制模块设置在外壳内部；所述水槽，包括进水口和出水口，为盛装待测水体的容器，设置在所述光谱采集模块的下方，所述水槽的外壁上方设置有光孔；

所述光谱采集模块固定设置在所述水槽的外壁上方，包括光束出光口和反射光采集口，用于发送进行水体监测的光到所述水槽的待测水体中，并将采集的反射光转化为光谱数据，发送到所述控制模块，所述光束出光口和所述反射光采集口通过所述光孔垂直置入于所述水槽内的待测水体中；

所述校正模块固定设置在所述水槽的外壁上方，用于对所述水槽内的待测水体进行化学测量，并将测量得到的水质校正参数发送到所述控制模块；

所述控制模块连接所述光谱采集模块和所述校正模块，用于通过预设的控制参数，对所述光谱采集模块和所述校正模块进行控制，并将所述光谱数据和所述水质校正参数发送到所述云平台分析模块；

所述云平台分析模块和所述控制模块进行无线连接，用于根据所述光谱数据，通过反演模型获取待测水体的水质参数分析结果，并根据所述水质校正参数，通过校正单元定期对所述水质参数分析结果进行校正。

2.根据权利要求1所述的水质监测系统，其特征在于，所述水质监测系统还包括遮光筒，所述遮光筒的下端通过所述光孔置于所述水槽内，所述遮光筒的上端和所述光谱采集模块连接，将所述光束出光口和所述反射光采集口置于所述遮光筒的内部，用于遮蔽杂散光的干扰。

3.根据权利要求2所述的水质监测系统，其特征在于，所述遮光筒的上端设置带有遮光层的排气孔，用于将所述水槽内的空气排出。

4.根据权利要求1所述的水质监测系统，其特征在于，所述光谱采集模块的光源是宽谱光源，所述宽谱光源是卤素灯。

5.根据权利要求1所述的水质监测系统，其特征在于，所述水质监测系统还包括显示终端，所述显示终端和所述云平台分析模块进行无线连接，用于显示所述云平台分析模块发送的水质参数分析结果。

6.根据权利要求5所述的水质监测系统，其特征在于，所述显示终端包括监测中心显示终端和手持移动显示终端。

7.一种基于权利要求1至6任一项所述水质监测系统的水质监测方法，其特征在于，包括：

获取待测水体的光谱数据和水质校正参数；基于训练好的反演模型，对所述光谱数据进行反演处理，并通过水质校正参数对反演结果进行定期校正处理，得到水质参数分析结果，所述训练好的反演模型是由样本水体的样本光谱数据和所述样本水体对应的样本水质校正参数训练得到。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述训练好的反演模型通过以下步骤训练得到：

获取样本训练集，所述样本训练集包括样本光谱数据和样本水质校正参数；

2

CN 109959634 A

权　利　要　求　书

2/2页

根据所述样本光谱数据对预训练的反演模型进行训练，并将反演得到的样本水质参数和所述样本水质校正参数进行比对，根据比对结果对所述样本水质参数进行校正，得到训练好的反演模型。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求7至8任一项所述方法的步骤。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求7至8任一项所述方法的步骤。

3

CN 109959634 A

说　明　书

一种水质监测系统及方法

1/6页

技术领域

[0001]本发明实施例涉及水质监测技术领域，尤其涉及一种水质监测系统及方法。背景技术

[0002]水质监测，是监视和测定水体中污染物的种类、各类污染物的浓度及变化趋势，评价水质状况的过程。水质监测的范围十分广泛，包括未被污染和已受污染的天然水(江、河、湖、海和地下水)及各种各样的工业排水等。主要监测项目可分为两大类：一类是反映水质状况的综合指标，如温度、色度、浊度、pH值、电导率、悬浮物、溶解氧、化学需氧量和生化需氧量等；另一类是一些有毒物质，如酚、氰、砷、铅、铬、镉、汞和有机农药等。[0003]现有水质参数检测分析的主要方法包括：电化学方法、生物传感方法和物理方法。其中，电化学分析方法由于仪器设备简单、操作方便、分析灵敏度高，便于小型化可用于在线实时的水质检测，但是电化学传感器的制备相当复杂，使用寿命不长，从而了该方法的使用。生物传感反应快速、成本低，但基于生物活性和反映环境的，生物传感重复利用性差，灵敏度低了该方法使用。物理方法可以分为三种：色谱法、质谱法、直接光谱法。色谱法分析速度快、灵敏度高，但是处理量小、操作周期长，主要用于实验室分析。质谱法通常与色谱法联用，此项技术虽然分析精度高、重复性好，但是存在测量复杂，设备昂贵等缺点。

[0004]在目前的水质监测领域中，直接光谱法作为重要研究方向得到广泛关注。然而，在此基础上，如何提高水质监测的效率以及准确度，依旧是水质监测领域的所要面临的问题。因此，现在亟需一种水质监测系统和方法来解决上述问题。发明内容

[0005]针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种水质监测系统及方法。[0006]第一方面，本发明实施例提供了一种水质监测系统，包括外壳、水槽、光谱采集模块、校正模块、控制模块和云平台分析模块，其中：[0007]所述水槽、所述光谱采集模块、所述校正模块和所述控制模块设置在外壳内部；[0008]所述水槽，包括进水口和出水口，为盛装待测水体的容器，设置在所述光谱采集模块的下方，所述水槽的外壁上方设置有光孔；

[0009]所述光谱采集模块固定设置在所述水槽的外壁上方，包括光束出光口和反射光采集口，用于发送进行水体监测的光到所述水槽的待测水体中，并将采集的反射光转化为光谱数据，发送到所述控制模块，所述光束出光口和所述反射光采集口通过所述光孔垂直置入于所述水槽内的待测水体中；

[0010]所述校正模块固定设置在所述水槽的外壁上方，用于对所述水槽内的待测水体进行化学测量，并将测量得到的水质校正参数发送到所述控制模块；[0011]所述控制模块连接所述光谱采集模块和所述校正模块，用于通过预设的控制参数，对所述光谱采集模块和所述校正模块进行控制，并将所述光谱数据和所述水质校正参

4

CN 109959634 A

说　明　书

2/6页

数发送到所述云平台分析模块；

[0012]所述云平台分析模块和所述控制模块进行无线连接，用于根据所述光谱数据，通过反演模型获取待测水体的水质参数分析结果，并根据所述水质校正参数，通过校正单元定期对所述水质参数分析结果进行校正。[0013]第二方面，本发明实施例提供了一种基于第一方面所述的水质监测系统的水质监测方法，包括：

[0014]获取待测水体的光谱数据和水质校正参数；[0015]基于训练好的反演模型，对所述光谱数据进行反演处理，并通过水质校正参数对反演结果进行定期校正处理，得到水质参数分析结果，所述训练好的反演模型是由样本水体的样本光谱数据和所述样本水体对应的样本水质校正参数训练得到。[0016]第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第二方面所提供的方法的步骤。

[0017]第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第二方面所提供的方法的步骤。[0018]本发明实施例提供的一种水质监测系统及方法，通过将测量得到的反射光谱进行反演处理，并定期对反演结果进行校正，从而对水质参数进行监测，提高了水质参数监测的效率和准确性。

附图说明

[0019]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0020]图1为本发明实施例提供的水质监测系统的结构示意图；[0021]图2为本发明实施例提供的水质监测方法的流程示意图；[0022]图3为本发明实施例提供的电子设备结构示意图。

具体实施方式

[0023]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0024]直接光谱法基于紫外-可见光谱法的水质参数检测方法原理是利用物质的光谱吸收特性，建立吸光度与参数的数学关系曲线以实现对待测物质的检测，优势为耗时短和精度高，具有大面积布设长时程在线监测的潜力，是水质检测领域的重要研究方向。[0025]图1为本发明实施例提供的水质监测系统的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供了一种水质监测系统，包括外壳101、水槽102、光谱采集模块103、校正模块104、控制模块105和云平台分析模块106，其中：

5

CN 109959634 A[0026]

说　明　书

3/6页

所述水槽102、所述光谱采集模块103、所述校正模块104和所述控制模块105设置

在外壳101内部。

[0027]在本发明实施例中，水槽102、光谱采集模块103、校正模块104和控制模块105设置在外壳101内部，对目标水域的水质进行实时监测，其中，水槽102还设置有进水口和出水口，进水口的前端和出水口的前端通过外壳101内壁处的出口置于待测水域中，按照预设监测时间，通过进水口将待测水域的水体采集到水槽102中，在水质参数采集完成之后，通过出水口将水体排出水槽102。需要说明的是，在本发明实施例中，进水口和出水口的前端是指靠近外壳101内壁的一侧。[0028]所述水槽102，包括进水口和出水口，为盛装待测水体的容器，设置在所述光谱采集模块103的下方，所述水槽102的外壁上方设置有光孔。[0029]在本发明实施例中，水槽102为不锈钢箱体，用于盛装待测水体，并且在水槽102上方处设置有光孔，使得位于水槽102上方的光谱采集模块103的光束出光口和反射光采集通过光孔置于水槽102内的待测水体中。需要说明的是，在本发明实施例中，水槽102除采用不锈钢材质外，其它耐腐蚀、防渗漏和高强度的材料均可以采用，在本发明实施例中不作具体限定。

[0030]所述光谱采集模块103固定设置在所述水槽102的外壁上方，包括光束出光口和反射光采集口，用于发送进行水体监测的光到所述水槽102的待测水体中，并将采集的反射光转化为光谱数据，发送到所述控制模块103，所述光束出光口和所述反射光采集口通过所述光孔垂直置入于所述水槽102内的待测水体中。[0031]在本发明实施例中，光谱采集模块103固定设置在水槽102外壁上方，并且临近于水槽102，使得光束出光口和反射光采集口通过水槽102外壁上方的光孔置于水槽102内，当水槽102内装满待测水体后，光束出光口和反射光采集口置于待测水体中。在本发明实施例中，首先，光谱采集模块103接收到控制模块105的监测控制指令，然后，光谱采集模块103的光束出光口垂直向待测水体发出准直光，在准直光在待测水体经过漫反射之后，通过反射光采集口对漫反射光进行采集，并将采集到的漫反射光通过光谱采集模块103进行色散处理，最后，光谱采集模块103将色散处理得到的光谱数据发送到控制模块105。[0032]所述校正模块104固定设置在所述水槽102的外壁上方，用于对所述水槽102内的待测水体进行化学测量，并将测量得到的水质校正参数发送到所述控制模块105。[0033]在本发明实施例中，校正模块104采用化学方法对待测水体进行测量，固定设置在水槽102的外壁上方，并且通过水槽102外壁上方的校正监测口，将监测采集部件置于待测水体中。通过控制模块105将校正模块104将测量得到的水质校正参数发送到云平台分析模块106，云平台分析模块106通过内置的校正单元108，通过水质校正参数定期对反演模型107进行校正和标定，从而保证反演模型107在对光谱采集模块103发送的光谱数据进行反演处理后的水质参数分析结果更加准确。

[0034]所述控制模块105连接所述光谱采集模块103和所述校正模块104，用于通过预设的控制参数，对所述光谱采集模块103和所述校正模块104进行控制，并将所述光谱数据和所述水质校正参数发送到所述云平台分析模块106。[0035]在本发明实施例中，控制模块105通过预设的控制参数，对光谱采集模块103的曝光时间和采集频率进行控制，并对校正模块104的校正测量频率进行调节。

6

CN 109959634 A[0036]

说　明　书

4/6页

所述云平台分析模块106和所述控制模块105进行无线连接，用于根据所述光谱数

据，通过反演模型107获取待测水体的水质参数分析结果，并根据所述水质校正参数，通过校正单元108定期对所述水质参数分析结果进行校正。[0037]在本发明实施例中，水槽102的进水口将待测水体进行采集，光谱采集模块103通过控制模块105的控制指令，发出宽谱准直光束进入待测水体中，然后，光谱采集模块103进行光谱探测，将采集到的待测水体的反射光转化成光谱数据，并通过控制模块105将光谱数据发送到云平台分析模块106；同时，校正模块104通过化学的方法测量待测水体的各种水质参数，并通过控制模块105将水质校正参数也发送到云平台分析模块106中，需要说明的是，在本发明实施例中，水质校正参数也可以作为该待测水体的水质分析结果进行参考，通过将校正模块104化学测量得到的水质校正参数对光谱数据反演处理得到的水质参数分析结果进行校正和标定，从而提高光谱监测的效率和准确度。最后，通过云平台分析模块106将校正处理后的水质参数分析结果发送到监测显示终端。[0038]本发明实施例提供的水质监测系统，通过将测量得到的反射光谱进行反演处理，并定期对反演结果进行校正，从而对水质参数进行监测，提高了水质参数监测的效率和准确性。

[0039]在上述实施例的基础上，所述水质监测系统还包括遮光筒109，所述遮光筒109的下端通过所述光孔置于所述水槽102内，所述遮光筒109的上端和所述光谱采集模块103连接，将所述光束出光口和所述反射光采集口置于所述遮光筒109的内部，用于遮蔽杂散光的干扰。

[0040]在本发明实施例中，通过光孔，在水槽102和光谱采集模块103之间设置遮光筒109，其中，遮光筒109为黑色圆筒，将光束出光口和反射光采集口置于其内部。[0041]在上述实施例的基础上，所述遮光筒109的上端设置带有遮光层的排气孔，用于将所述水槽102内的空气排出。[0042]在本发明实施例中，遮光筒109的上端连接光谱采集模块103，设置有排气孔，并且在排气孔外侧还设置有遮光层，在保证遮蔽杂散光干扰的同时，也保证了空气可以顺利从排气孔中排出。

[0043]在上述实施例的基础上，所述光谱采集模块103的光源是宽谱光源，所述宽谱光源是卤素灯。

[0044]在本发明实施例中，光谱采集模块103可采用光谱仪，其中，宽谱光源为卤素灯，在复杂的水质环境中，卤素灯具有使用寿命长和发光效率高的效果。在本发明实施例中，宽谱光源还可以是氙灯、高压汞灯或发光二极管。[0045]在上述实施例的基础上，所述水质监测系统还包括显示终端110，所述显示终端110和所述云平台分析模块106进行无线连接，用于显示所述云平台分析模块106发送的水质参数分析结果。

[0046]在本发明实施例中，显示终端110用于接收云平台分析模块106发送的水质参数分析结果，其中，水质参数分析结果包括叶绿素含量、水体浊度以及水体总磷总氮浓度等。显示终端110将接收到的水质参数分析结果进行展示，从而获知待测水体的实时监测情况。[0047]在上述实施例的基础上，所述显示终端106包括监测中心显示终端111和手持移动显示终端112。

7

CN 109959634 A[0048]

说　明　书

5/6页

在本发明实施例中，显示终端106可以为设置在监测中心的监测中心显示终端

111，也可以通过手持移动显示终端112实现移动在线监测水体数据。需要说明的是，在本发明实施例中，监测中心显示终端111和手持移动显示终端112，均可以通过云平台分析模块106，向控制模块105发送控制指令，从而对控制参数进行设置。

[0049]图2为本发明实施例提供的水质监测方法的流程示意图，如图2所示，本发明实施例提供了一种水质监测方法，包括：[0050]步骤201，获取待测水体的光谱数据和水质校正参数。[0051]在本发明实施例中，首先通过步骤201，获取待测水体的光谱数据和水质校正参数。其中，光谱数据通过光谱采集模块103进行采集，水质校正参数通过校正模块104进行化学测量得到，然后，控制模块105通过无线传输的方式，将光谱数据和水质校正参数发送到云平台分析模块106，需要说明的是，在本发明实施例中，无线传输的方法包括GPRS、4G、LoRa或NB-loT，本发明对此不作具体限定。[0052]步骤202，基于训练好的反演模型，对所述光谱数据进行反演处理，并通过水质校正参数对反演结果进行定期校正处理，得到水质参数分析结果，所述训练好的反演模型是由样本水体的样本光谱数据和所述样本水体对应的样本水质校正参数训练得到。[0053]在本发明实施例中，通过云平台分析模块106中训练好的反演模型107，首先对光谱数据进行反演处理，从而得到光谱数据反演后的水质参数。然后，校正单元108通过预设的校正周期，通过水质校正参数定期对光谱数据反演后的水质参数进行校正，云平台分析模块106对校正后的水质参数进行分析处理，最终得到待测水体的水质参数分析结果。[00]本发明实施例提供的一种水质监测方法，通过将测量得到的反射光谱进行反演处理，并定期对反演结果进行校正，从而对水质参数进行监测，提高了水质参数监测的效率和准确性。

[0055]在上述实施例的基础上，所述训练好的反演模型通过以下步骤训练得到：[0056]获取样本训练集，所述样本训练集包括样本光谱数据和样本水质校正参数；[0057]根据所述样本光谱数据对预训练的反演模型进行训练，并将反演得到的样本水质参数和所述样本水质校正参数进行比对，根据比对结果对所述样本水质参数进行校正，得到训练好的反演模型。

[0058]在本发明实施例中，首先获取样本水体的样本光谱数据和样本水体对应的样本水质校正参数，从而得到样本训练集，其中，样本水质校正参数是通过化学测量的方式得到。然后，将样本训练集输入到预训练的反演模型中进行训练，根据反演得到的样本水质参数和样本水质校正参数之间的比对，对样本水质参数进行校正，直到两者之间的参数比对关系符合预设条件，则得到训练好的反演模型。需要说明的是，在训练好的反演模型中，水质校正参数是通过校正单元108定期对反演模型生成的反演结果进行校正，使得反演模型保持高精度。

[0059]图3为本发明实施例提供的电子设备结构示意图，如图3所示，该电子设备可以包括：处理器(Processor)301、通信接口(Communications Interface)302、存储器(Memory)303和通信总线304，其中，处理器301，通信接口302，存储器303通过通信总线304完成相互间的通信。处理器301可以调用存储器303中的逻辑指令，以执行如下方法：获取待测水体的光谱数据和水质校正参数；基于训练好的反演模型，对所述光谱数据进行反演处理，并通过

8

CN 109959634 A

说　明　书

6/6页

水质校正参数对反演结果进行定期校正处理，得到水质参数分析结果，所述训练好的反演模型是由样本水体的样本光谱数据和所述样本水体对应的样本水质校正参数训练得到。[0060]此外，上述的存储器303中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

[0061]本发明实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：获取待测水体的光谱数据和水质校正参数；基于训练好的反演模型，对所述光谱数据进行反演处理，并通过水质校正参数对反演结果进行定期校正处理，得到水质参数分析结果，所述训练好的反演模型是由样本水体的样本光谱数据和所述样本水体对应的样本水质校正参数训练得到。[0062]本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储服务器指令，该计算机指令使计算机执行上述实施例所提供的水质监测方法，例如包括：获取待测水体的光谱数据和水质校正参数；基于训练好的反演模型，对所述光谱数据进行反演处理，并通过水质校正参数对反演结果进行定期校正处理，得到水质参数分析结果，所述训练好的反演模型是由样本水体的样本光谱数据和所述样本水体对应的样本水质校正参数训练得到。

[0063]最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

9

CN 109959634 A

说　明　书　附　图

1/2页

图1

图2

10

CN 109959634 A

说　明　书　附　图

2/2页

图3

11