专利名称：水质污染预警装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种水质污染预警装置，尤其涉及一种以鱼为预 警生物的水质污染预警装置。
背景技术：
目前，我国供水行业面临的7jC质问题主要有两个方面， 一是人们
对水质标准的要求不断提高；二是当今社会中的饮用水源普遍受到工 业污染。如何有效提高水质并且保障城市供水可持续t艮已成为现代 城市亟待解决的问题。国内关于水质情况预测的技术应用还很少，因 此当水质受到污染时，只有在自来水管中流出具有异"未的水或者有居 民申报的情况下，我们才能够发现并进行处理水质污染。
这种信息滞后性造成了饮用水水源的重大污染事件屡屡发生，饮 用水水质安全时常面临着严重的威胁。由此可见，水质污染事故的早
期发现与警报将是保障饮用水水质安全，实现安全供水的最佳途径。 目前对水样进行化学分析可以准确检测出目标污染物的含量，但 由于污染物的种类繁多，这种对水样进行化学分析的技术无法迅速确 定主要毒性物质，进而无法对7jc体微生物进行准确灭杀，最终难以适 应越来越高的饮用水水质标准要求。另夕卜，现有的物理化学监测仪器检测方法具有耗时长、检测费用 高、无法实现实时连续监测等缺陷，这些也缺陷造成我们无法快速地 发现水质污染迹象，也不能准确地判别水质污染程度。
因而，有必要提供一种水质污染预警装置，以便克服现有技术的 缺点与不足。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种水质污染预警装置，其能够实现实 时、准确的水质检测，从而实现预警目的，并且该装置结构简单、使 用方便。
为了实现上述目的，本实用新型提供一种水质污染预警装置，包 括鱼缸、用于对鱼缸的内部进行活动图像采集的摄像机、与所述摄像 机连接以便对摄像机采集到的模拟图像转换为数字图像的模数转换 器、与所述模数转换器连接并且用于处理图像和控制摄^^及才 转 换器的微处理器以及用于存储图像数据的存储器。
本实用新型的优点在于水质检测比较及时、准确，并且结构简 单、使用方便。
下面将结合附图，通过优选实施例详细描述本实用新型。
图1为本实用新型水质污染预警装置的结构框图。
图2为本实用新型水质污染预警装置的鱼缸的立体图。图3为借助图1所示的水质污染预警装置实现水质污染预警的 方法流程图。
具体实施方式
现在参考附图对本实用新型进行描述。 首先描述本实用新型的工作原理。经过反复试验I^S正，本发明人发现有些水生生物对水质变化的 敏感程度很高，通过对一定数量的该水生生物的行为进行分析可以迅 速、准确判断出水质是否有毒化污染的情况。由此，发明人认为基 于分析生物毒性反应的水质污染预警技术能够及时准确的发现、预警 并处理水质污染事件，有效保证水质，进而避免饮用水污染事故的发 生，同时也能够为水处理工艺的系统控制提供精确的水质数据。比如，鱼类对水中的化学成分的变化就反应十分灵敏，同时鱼类 也是与人类最接近的脊推类动物，因此通过对其运动轨迹的变化进行 跟踪和分析，能够达到远程监测水质情况的要求， 一旦7K质出现异常 状况，鱼类的运动情况就会发生相应的变化，从而实现了对水质污染 的早发现、早报警和早控制。下面详细描述本实用新型的水质污染预警装置。参看图l和图2，根据本实用新型的水质污染预警装置包括鱼缸 10、用于对鱼缸10的内部进行活动图像采集的損"l4^20、与所述摄 像机20连接以便对摄像机20采集到的模拟图像转换为数字图像的模 数转换器30、与所述模数转换器30连接并且用于处理图像和控制摄像机20及模数转换器30的微处理器40以及用于存储图像数据的存 储器50。图2展示了鱼缸IO的详细立体结构。如图所示，鱼缸10总体上 为立方体形状，其包括底壁13、从所述底壁13的左右两側延伸出的 一对侧壁12、从所述底壁13的前后两侧延伸的前壁11和后壁14及 顶盖15。所述底壁13、前壁ll、后壁14及一对侧壁12共同界定了 鱼缸10的内部空间。所述一个侧壁12上安装有出水口 122、备用进 出水口 124及排水口 126;而另一个侧壁12上则安装有溢出水出口 128和进水口 121。所述内部空间内靠近后壁14的位置纵向设置有LED背光板127 及与所述LED背光板127相隔一定距离的乳白色背光板129。此夕卜， 所述内部空间内在靠近前壁11的位置纵向设置有支架125。支架125 具有靠近所述一对侧壁12的側寺反(未标号)，该侧^1上形成用于调节 鱼缸10内水流速度的导流槽。所述LED背光板127及乳白色背光板 129可以提高鱼缸10内部空间的亮度，从而便于掘/fl^几20采集到明 亮的图像，以便于后期对图像的处理。所述摄^^几20设置在所述鱼缸10的底壁13上靠近前壁11的位 置，并且面向所述内部空间。此外，所述摄#4^20可以由摄^4ML 架123来支撑。下面参考图1-3描述借助上述水质污染预警装置实现的水质预警 过程。首先，将待监测原水导入所述鱼缸10中，将对待监测原水敏感的一定数量的脊推动物，比如斑马鱼(身长约为20*10mm,颜色为 较深)放入所述所述鱼缸10中(图3中的步骤100)。在将待监测原 水导入所述鱼缸10的过程中，可以通过所述鱼缸10的出水口 122、 备用进出水口 124、排水口 126、溢出水出口 128及进水口 121对水 流速度、鱼缸10内水的容量等M进行调节。其次，启动掘/fl^几20，从而导致摄#^几20实时采集鱼缸10内 部空间的图像帧序列，并且借助模数转换器30在微处理器40的控制 下将所述摄#^20采集到的模拟图像转换为数字图像(图3中的步 骤200 )。优选地，所述摄#^几20以1-8幅/秒的速度对鱼缸10的内 部空间进行拍摄，同时将数据传输到图像采集卡中，并且每隔5秒钟 拍摄一次内部空间。接下来，对所采集到的图^象序列帧进行平滑处理(图3中的步骤 300)。具体地说，微处理器40通过执行适当算法比如Harris角点检 测算法对所采集的图像帧序列进行角点检测，从而依次确定鱼缸10 中的水区域的左上、左下、右下、右上四个角点的位置。才艮据确定的 四个角点将鱼缸10中的水的区域标识出来，从而完成)f见测区域的选 定。确定鱼缸的观测区域，可以减小所处理图^f象的大小，从而提高系 统比如微处理器40的处理速度。图像平滑处理可以这样进行对在观测区域中采集到的观测图像 中的一定领域内的像素值根据其范围变化进行滤波处理，从而使观测 图像的边缘数据较为完整，同时将图像噪声降到最低。然后，对平滑处理后的S像序列帧进行阈值分割处理(图3中的步骤400X图像阈值分割可以这样进行由目标边缘梯度特征的自 适应阈值提取算法实现对所需观测图像的区分。即按照用户设定的二 值化阈值来精确观测图像中对小鱼的跟踪识别范围。随后，对阈值分割后的图像序列帧进行去噪处理(图3中的步骤 500)，从而进一步消除面积较小的图像，即小于0.01mm的杂质(如 气泡、鱼的排泄物等)。根据去噪处理后的图像序列帧计算出小鱼的运动参数(图3中的 步骤600)。具体地，建立背景帧数为300帧，即将这300帧图像作 为参考数据，通过这些数据中对选定的观测区域内的小鱼进行标识， 主要由图像中小鱼位置坐标的标定和小鱼运动方向的确定，从而实现 对观测区域内小鱼的识别。在观测区域中的每一条小鱼可在图像显示 中通过不同颜色圏出，并且观测区域中的每条小鱼也标记上了相应的 序列号，将这些数据信息保存在所述存储器50中。进一步，通过标识后的小鱼的运动轨迹计算小鱼的游动速度、平 均高度及平均转弯次数。针对每条小鱼，所述樣t处理器40分别启动 一个跟踪和识别线程，计算小鱼在这300帧图像中的游动速度、平均 高度及平均转弯次数。具体来说，以1秒为单位计算鱼的运动速度大 小，然后根据背景帧数的设置(背景帧数设为300帧)计算小鱼平均 速度的大小；计算小鱼在鱼缸坐标系中的平均高度，确定小鱼在已设 置的背景帧数中的平均高度；平均转弯次数的计算，先计算相邻两帧 鱼的速度，运动速JL^生变号为可能转弯的点，在4艮据改变方向前后 40帧的位置，进一步判断，从而计算出小鱼的转弯次数。另外，所述微处理器40通过对小鱼序列目标的跟踪，将每个序 列目标进行Kalman预测，并将预测后的位置传递给MeanShit算法中 进行小鱼序列目标的定位识别。实现了小鱼运动轨迹的预测。有利于 提高开天源饮用水毒性监测系统的监测分析速度。随后，设定预定的运动参数，并且将计算出的运动参数与预定运 动^^L比较(图3中的步骤700 )。比如，设定预定的运动参数可以包括设定鱼缸宽度，建立背景 帧数、背景更新速率、二值化阈值、目标大小的最大值、目标大小的 最小值等。在此，将鱼缸宽度选为400mm。同时在进行目标检测时， 利用带有目标的图像建立背景帧数。帧数越多则建立的初始背景效果 越好。系统默认的帧数为300。背景更新速率是当前帧对背景图像的 影响，此系数越大，建立背景图像的速度越快，但是目标的残余对背 景的影响也越大。才艮据测试得出背景更新速率为0.005时，建立的背 景能够取J寻比较好的效果，所以系统默认为0.005。二值化阈值是用于目标检测与提取时，当前图像与背景图像差分 结果，大于此值4^象素值为255 (即目标)，小于此值为0 (即背景)。 可以根据实际情况进行调整。当小鱼与背景对比度高时，适当提高此 值可以减小噪声影响。但是，如果对比度低，此阈值又比较高，就会 丢失掉一些目标信息。在此系统默认的对比度为60。试验中，二值 化阈值参量的设定约为39时，监测图像较好。目标尺寸的最大和最 小值系 :相对图像大小的系数。如果目标的宽与高小于图像宽与高 与最小值系数的大小，就认为此目标是噪声。同样，如果目标的宽与高大于图像宽与高与最大值系数的大小，就认为此目标也是噪声。系统默认为最小值为0.002,最大值为0.3。优选地，所述设定的预定运动^包括小鱼的平均速度、平均高 度及平均转弯次数。并且，预定的平均速度为20mm/s-80mm/s,平均 高度为70mm-250mm，平均转弯次数为4-12次。将计算出的运动^^:与预定运动^lt比较可以这样进行当小鱼 的平均速度大于20mm/s-80mm/s,平均高度大于70mm-250mm，平 均转弯次数大于4-12次时，可视为小鱼的运动在非正常范围内，表 明当前水质是异常的(图3中的步骤800)，也就是说被监测水质受 到污染。概括地讲，在本实用新型的技术方案中采用数码摄像设备24 小时实时连续采集原水水体中若干条鱼的活动图像，实现对鱼的高精 度跟踪，由图4象处理系统分析鱼的游动速度、鱼之间的距离、鱼在单 位时间内转弯的次数、活鱼数量等基本^t，由水质预警仪判断出鱼 的运动行为和健康状况，进而对预测水质是否受到污染做出分析。所采用的若干条鱼的大小为20*10mm,颜色为深色，通常采用 斑马鱼，其体型小，摄影机辨识度好。本实用新型的有益效果在于小鱼对水中毒性物质和污染物非常 敏感，通过监测鱼的异常行动，能够在早期监测出水质异常，较早确 认水质污染事件，及时发出预警信号，对水体有害物质进行快速清除， 确保々欠用水质安全。另夕卜，本实用新型安装简单，结构紧凑，易于操作、维护和扩充，系统针对性强可靠性高，运行稳定，适合多种现场运行条件。
以上所揭露的仅为本实用新型的优选实施例而已，当然不能以此 来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作 的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。
权利要求1.一种水质污染预警装置，其特征在于包括鱼缸、用于对鱼缸的内部进行活动图像采集的摄像机、与所述摄像机连接以便对摄像机采集到的模拟图像转换为数字图像的模数转换器、与所述模数转换器连接并且用于处理图像和控制摄像机及模数转换器的微处理器以及用于存储图像数据的存储器。
2. 才艮据权利要求1所述的水质污染预警装置，其特征在于所 述鱼缸包括底壁、从所述底壁的左右两侧延伸出的一对侧壁、从所述 底壁的前后两侧延伸的前壁和后壁及顶盖。
3. 根据权利要求2所述的水质污染预警装置，其特征在于所 述底壁、前壁、后壁及一对侧壁共同界定了鱼缸的内部空间。
4. 根据权利要求3所述的7jc质污染预警装置，其特征在于所 述一个侧壁上安装有出水口、备用进出水口及排水口；而另一个侧壁 上则安装有溢出水出口和进水口 。
5. 根据权利要求4所述的水质污染预警装置，其特征在于所 述内部空间内靠ii^壁的位置纵向设置有LED背光板及与所述LED 背光板相隔一定距离的乳白色背光玲反。
6. 根据权利要求5所述的水质污染预警装置，其特征在于所 述内部空间内在靠近前壁的位置纵向设置有用于固定所述摄像机的 支架；所述支架具有靠近所述一对侧壁的側板，所述侧板上形成用于 调节鱼缸内水iti4度的导流槽。
7.根据权利要求6所述的水质污染预警装置，其特征在于所 述摄^4几设置在所述鱼缸的底壁上靠近前壁的位置，并且面向所述内 部空间。
专利摘要本实用新型公开了一种水质污染预警装置，包括鱼缸、用于对鱼缸的内部进行活动图像采集的摄像机、与所述摄像机连接以便对摄像机采集到的模拟图像转换为数字图像的模数转换器、与所述模数转换器连接并且用于处理图像和控制摄像机及模数转换器的微处理器以及用于存储图像数据的存储器。本实用新型的优点是水质检测比较及时、准确，并且结构简单、使用方便。
文档编号G01N33/18GK201421452SQ200920053800
公开日2010年3月10日 申请日期2009年3月31日 优先权日2009年3月31日
发明者刘丽君, 卢洪佳, 江 吴, 宛如意, 李晓如, 罗家宏, 袁益楚, 黄凯宁 申请人:深圳市开天源自动化工程有限公司