一种区域水环境重金属监测系统及运行方法
【专利摘要】本发明为一种区域水环境重金属监测系统及运行方法，本系统包括监测管理系统和经GPRS与之相联的多个监测终端。监测管理系统中心处理器连接数据收发、数据分析处理和数据库管理模块，还连接显示器/用户终端，数据收发模块连接存储各监测终端的GPS、GIS以及相关重金属浓度的数据库。各监测终端的主控模块包括嵌入式处理器及时钟和GPRS子模块，检测模块包括温度传感器和重金属电化学传感器阵列。运行方法为监测终端所测水环境的温度和重金属浓度发送到监测管理系统存储并显示。数据分析处理模块将其与标准值和历史数据对比，当为污染水质或某种重金属浓度突升跳级则报警。本发明实时采样分析，动态监测，及时发现水体污染。组网简单、易扩展。
【专利说明】一种区域水环境重金属监测系统及运行方法
【技术领域】
[0001]本发明属于环境保护【技术领域】，具体为一种区域水环境重金属监测系统及运行方法。
【背景技术】
[0002]水环境监测是水资源管理与保护的重要手段。
[0003]随着社会和工业的发展，大量生活污水和工业废水排入江河湖泊中，我国大部分地区的江河湖海都已经存在不同程度的重金属污染。重金属元素污染已经成为威胁人类生存环境的重大问题。而传统的水环境监测工作主要以人工采样、实验室仪器分析为主，存在着监测频次低、监测范围小、采样误差大、实时性差。缺乏对大范围内的水环境重金属数据进行实时采集、并进行动态、静态分析的技术手段，极易错失在污染初期进行及时防治的最佳时期。为了保护环境、提高人们的生存质量，极需一种能实时监测区域水环境重金属浓度的系统。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是设计一种区域水环境重金属监测系统，在待检测的区域各水域内安装监测终端，监测终端包括电源模块、可检测重金属的检测模块和主控模块，多个监测终端与监测管理系统经通用无线分组业务网络(简写为GPRS，英文为General Packet RadioService)连接，定时将检测的重金属含量数据发送到监测管理系统。
[0005]本发明的另一目的是设计上述区域水环境重金属监测系统的运行方法，监测终端定时经通用无线分组业务网络将检测的重金属含量数据发送到监测管理系统，监测管理系统对数据进行分析，与历史数据进行比对，可将分析结果以图像或图表形式显示。当发现某种重金属浓度数据明显升高，发出告警信息。
[0006]本发明设计的一种区域水环境重金属监测系统，包括监测管理系统和安装在待监测区域各水域内的I?1024监测终端，各监测终端与监测管理系统经通用无线分组业务网络连接，各监测终端有其GPS定位信息和唯一的编码存储于监测管理系统；所述监测管理系统为计算机系统，包括中心处理器及其所连接的数据收发模块、数据分析处理模块和数据库管理模块，数据收发模块连接数据库。所述数据库存储各监测终端的GPS(全球定位系统的简称，英文为Global Positioning System)信息、GIS (地理信息系统的简称，英文为Geographic Information System)信息以及各监测终端检测其所处位置的相关重金属浓度的历史数据和当前数据，中心处理器还连接显示器和/或用户终端。
[0007]每台监测终端包括检测模块、主控模块和电源模块，电源模块为监测终端各部件提供电源，主控模块包括嵌入式处理器及其连接的时钟子模块和GPRS子模块，检测模块包括温度传感器和重金属电化学传感器阵列，温度传感器的电信号输出端接入主控模块嵌入式处理器，重金属电化学传感器阵列的电信号输出端接入信号调理电路，该信号经信号调理电路滤波和调理后、接入主控模块嵌入式处理器。[0008]所述监测终端的电源模块包括太阳能电池板、充电电池及充放电管理电路，太阳能电池板和充电电池均与充放电管理电路连接，充放电管理电路的输出为电源模块的输出。太阳能电池板在阳光下得到电量，一部分经充放电管理电路直接提供终端使用，其余经充放电管理电路储存于充电电池，当阳光不足，太阳能电池板得到的电量不能满足终端使用时，充放电管理电路调取充电电池电量提供给终端使用。
[0009]所述监测终端的重金属电化学传感器阵列为包括铅、镉、汞、铜离子电极的重金属电化学传感器阵列。
[0010]所述监测终端在待监测区域各江、河、湖、水库等自然水体内均布，且在支流汇流处、工厂排水口、生活污水排水口加装。
[0011]所述用户终端为台式计算机、笔记本电脑和移动智能手机中的任一种或多种。
[0012]所述监测管理系统连接服务器，数据库设置在服务器内，监测管理系统的数据库管理模块连接服务器的数据库，服务器的数据库存储各监测终端的GPS信息、GIS信息以及各监测终端检测其所处位置的相关重金属浓度的历史数据和当前数据。
[0013]所述数据库中还存储有标准号为GB38382002的中国国家标准《地表水环境质量标准》中相关重金属允许的浓度标准值和相关重金属浓度增量的报警值。每种重金属浓度由O至国家标准允许的浓度值，均分为五级浓度，O至一级浓度为I类水质，一级至二级浓度为II类水质，如此类推，四级至五级浓度(即国家标准允许的浓度值)为V类水质，超过国家标准允许的浓度值为VI类水质，即污染水质。
[0014]所述监测管理系统的中心处理器还接有报警模块，其内包括声光报警电路。
[0015]本发明区域水环境重金属监测系统的运行方法如下:
[0016]各监测终端的检测模块的温度传感器检测所处水环境的温度，重金属电化学传感器阵列检测所处水环境的相关重金属浓度，主控模块嵌入式处理器根据时钟子模块的信号定时采集检测模块的温度数据和各重金属浓度数据，所采集的数据和本监测终端编码一起经GPRS子模块发送到监测管理系统。
[0017]监测管理系统的数据收发模块收到各监测终端发来的数据后，传送到中心处理器，中心处理器将数据送到数据分析处理模块，同时通过数据库管理模块将数据按监测终端编码和时间存储到数据库。
[0018]数据分析处理模块根据当前的温度数据对重金属浓度数据进行补偿计算，所得当前重金属浓度数据与该监测终端所处位置的历史数据对比、分析，得到分析结果的图像或图表送入中心处理器。
[0019]监测管理系统的中心处理器将数据分析处理模块所得的分析结果和根据该监测终端编码得到的其所处位置的GPS数据、GIS地形数据送入显示器和/或用户终端显示。
[0020]数据分析处理模块将当前所得各种重金属浓度数据与存储的相关重金属浓度级别进行比对，同时，将当前所得各种重金属浓度数据与该监测终端所处位置的历史数据对t匕，当某种重金属浓度超过国家标准允许的浓度值，即为污染水质，或者某种重金属浓度级别突然升高跳级，如从一级浓度跳升为三级浓度，中心处理器发送指令到报警模块，声光报警，且在显示屏显示报警信息。
[0021]监测管理系统的中心处理器经数据收发模块通过GPRS向各监测终端发送指令，设置其主控模块的时钟子模块的定时周期为I?60分钟，即各监测终端的定时采样周期。当发现某监测终端所测的某种重金属浓度发生突变跳级时，监测管理系统发送指令到该监测终端，缩短该监测终端的采样周期为原采样周期的1/10。
[0022]与现有技术相比，本发明一种区域水环境重金属监测系统及运行方法的优点为:
[0023]1、系统将传感器阵列、GPRS网络和监测管理系统结合，形成一个能够进行水环境中重金属浓度实时监测、分析和报警系统，能对较大区域内的水环境重金属数据进行定时采样、并进行动态、静态分析，从而保证在污染初期进行及时防治。
[0024]2、系统采用GPS技术，对各监测终端精确定位，结合GIS，在监测管理系统上可形象、直观地看到监测终端的分布的地形情况及相关重金属浓度监测数据信息。
[0025]3、监测的数据存储在数据库内，实现了对本区域内各重点监测位置重金属浓度数据的长期可靠存储，监测管理系统可按要求对数据进行统计，生产各项报表，还具有历史查询功能，能按要求查询任意时间段、本系统任一监测终端的历史数据，并以表格或图形的形式直观显示。
[0026]4、监测终端通过GPRS网络与监测管理系统进行信息交互，实现了监测终端的动态监测。监测终端采用太阳能供电，具有组网简单、随机部署、环保、低成本、易扩展等优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为一种区域水环境重金属监测系统实施例的总体结构示意图；
[0028]图2为图1中一个监测终端的结构示意图。
【具体实施方式】
[0029]一种区域水环境重金属监测系统实施例
[0030]一种区域水环境重金属监测系统实施例总体结构如图1所示，包括监测管理系统和安装在待监测区域各水域内的600个监测终端，各监测终端与监测管理系统经通用GPRS网络连接，各监测终端有其GPS定位信息和唯一的编码存储于监测管理系统；所述监测管理系统为计算机系统，包括中心处理器及其所连接的数据收发模块、数据分析处理模块和数据库管理模块，中心处理器还连接用户终端笔记本电脑和显示器。中心处理器连接服务器，其内为数据库，数据管理模块连接数据库。所述数据库存储各监测终端的GPS信息、GIS信息以及各监测终端检测其所处位置的相关重金属浓度的历史数据和当前数据，所述数据库中还存储有还存储有标准号为GB38382002的中国国家标准《地表水环境质量标准》中相关重金属允许的浓度标准值和相关重金属浓度增量的报警值。每种重金属浓度由O至国家标准允许的浓度值，均分为五级浓度，O至一级浓度为I类水质，一级至二级浓度为II类水质，如此类推，四级至五级浓度(即国家标准允许的浓度值)为V类水质，超过国家标准允许的浓度值为VI类水质，即污染水质。
[0031]所述监测管理系统的中心处理器还接有包括声光报警电路的报警模块。
[0032]监测终端的结构如图2所示，包括检测模块、主控模块和电源模块，电源模块为监测终端各部件提供电源，主控模块包括嵌入式处理器及其连接的时钟子模块和GPRS子模块，检测模块包括温度传感器和重金属电化学传感器阵列，温度传感器的电信号输出端接入主控模块嵌入式处理器，重金属电化学传感器阵列的电信号输出端接入信号调理电路，信号调理电路接入主控模块嵌入式处理器。[0033]本例监测终端的电源模块包括太阳能电池板、充电电池及充放电管理电路，太阳能电池板和充电电池均与充放电管理电路连接，充放电管理电路的输出为电源模块的输出。
[0034]本例监测终端的重金属电化学传感器阵列为包括铅、镉、汞、铜离子电极的重金属电化学传感器阵列。
[0035]所述监测终端在待监测区域各江、河、湖、水库等水域内均布，且在支流汇流处、工厂排水口、生活污水排水口加装。
[0036]一种区域水环境重金属监测系统的运行方法实施例
[0037]本例采用上述区域水环境重金属监测系统实施例进行运行。
[0038]各监测终端的检测模块的温度传感器检测所处水环境的温度，重金属电化学传感器阵列检测所处水环境的相关重金属浓度，主控模块嵌入式处理器根据时钟子模块的信号定时采集检测模块的温度数据和各重金属浓度数据，所采集的数据和本监测终端编码一起经GPRS子模块通用GPRS网络发送到监测管理系统。
[0039]监测管理系统的数据收发模块收到各监测终端发来的数据后，传送到中心处理器，中心处理器将数据送到数据分析处理模块，同时通过数据库管理模块将数据按监测终端编码和时间存储到数据库。
[0040]数据分析处理模块根据当前的温度数据对重金属浓度数据进行补偿计算，所得当前重金属浓度数据与该监测终端所处位置的历史数据对比、分析，得到分析结果的图像或图表送入中心处理器。
[0041]监测管理系统的中心处理器将数据分析处理模块所得的分析结果和根据该监测终端编码得到的其所处位置的GPS数据、GIS地形数据送入本例的用户终端笔记本电脑和显示器显示。
[0042]数据分析处理模块将当前所得各种重金属浓度数据与与存储的相关重金属浓度级别进行比对，同时，将当前所得各种重金属浓度数据与该监测终端所处位置的历史数据对比，当某种重金属浓度超过国家标准允许的浓度值，即为污染水质，或者某种重金属浓度级别突然升高跳级，中心处理器发送指令到报警模块，声光报警，且在显示屏显示报警信
肩、O
[0043]监测管理系统的中心处理器经数据收发模块通过GPRS向各监测终端发送指令，设置其主控模块的时钟子模块的定时周期为十分钟，即各监测终端的定时采样周期为十分钟。当发现某监测终端所测的某种重金属浓度发生突变跳级时，监测管理系统会发送指令到该监测终端，缩短该监测终端的采样周期为一分钟。
[0044]上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种区域水环境重金属监测系统，包括监测管理系统和安装在待监测区域各水域内的I~1024个监测终端，其特征在于: 各监测终端与监测管理系统经通用无线分组业务网络连接，各监测终端有其GPS定位信息和唯一的编码存储于监测管理系统；所述监测管理系统为计算机系统，包括中心处理器及其所连接的数据收发模块、数据分析处理模块和数据库管理模块和显示器，数据收发模块连接数据库，所述数据库存储各监测终端的GPS信息、GIS信息以及各监测终端检测其所处位置的相关重金属浓度的历史数据和当前数据，中心处理器还连接显示器和/或用户终端； 每台监测终端包括检测模块、主控模块和电源模块，电源模块为监测终端各部件提供电源，主控模块包括嵌入式处理器及其连接的时钟子模块和GPRS子模块，检测模块包括温度传感器和重金属电化学传感器阵列，温度传感器的电信号输出端接入主控模块嵌入式处理器，重金属电化学传感器阵列的电信号输出端接入信号调理电路，信号调理电路接入主控模块嵌入式处理器。
2.根据权利要求1所述的区域水环境重金属监测系统，其特征在于: 所述监测终端的电源模块包括太阳能电池板、充电电池及充放电管理电路，太阳能电池板和充电电池均与充放电管理电路连接，充放电管理电路的输出为电源模块的输出。
3.根据权利要求1所述的区域水环境重金属监测系统，其特征在于: 所述监测终端的重金属电化学传感器阵列为包括铅、镉、汞、铜离子电极的重金属电化学传感器阵列。
4.根据权利要求1所述的区域水环境重金属监测系统，其特征在于: 所述监测终端在待监测区域各江、河、湖、水库自然水体内均布，且在支流汇流处、工厂排水口、生活污水排水口加装。`
5.根据权利要求1所述的区域水环境重金属监测系统，其特征在于: 所述监测管理系统连接服务器，所述监测管理系统的数据库设置在服务器内，监测管理系统的数据库管理模块连接服务器的数据库。
6.根据权利要求1所述的区域水环境重金属监测系统，其特征在于: 所述数据库中还存储有标准号为GB38382002的中国国家标准《地表水环境质量标准》中相关重金属允许的浓度标准值和相关重金属浓度增量的报警值；每种重金属浓度由O至国家标准允许的浓度值，均分为五级浓度，O至一级浓度为I类水质，一级至二级浓度为II类水质，如此类推，四级至五级浓度(即国家标准允许的浓度值)为V类水质，超过国家标准允许的浓度值为VI类水质，即污染水质。
7.根据权利要求1所述的区域水环境重金属监测系统，其特征在于: 所述监测管理系统的中心处理器还接有报警模块，其内包括声光报警电路。
8.根据权利要求1所述的区域水环境重金属监测系统的运行方法，其特征在于: 各监测终端的检测模块的温度传感器检测所处水环境的温度，重金属电化学传感器阵列检测所处水环境的相关重金属浓度，主控模块嵌入式处理器根据时钟子模块的信号定时采集检测模块的温度数据和各重金属浓度数据，所采集的数据和本监测终端编码一起经GPRS子模块通用无线分组业务网络发送到监测管理系统； 监测管理系统的数据收发模块收到各监测终端发来的数据后，传送到中心处理器，中心处理器将数据送到数据分析处理模块，同时通过数据库管理模块将数据按监测终端编码和时间存储到数据库； 数据分析处理模块根据当前的温度数据对重金属浓度数据进行补偿计算，所得当前重金属浓度数据与该监测终端所处位置的历史数据对比、分析，得到分析结果的图像或图表送入中心处理器； 监测管理系统的中心处理器将数据分析处理模块所得的分析结果和根据该监测终端编码得到的其所处位置的GPS数据、GIS地形数据送入显示器和/或用户终端显示。
9.根据权利要求8所述的区域水环境重金属监测系统的运行方法，其特征在于: 所述数据库中还存储有本系统的待监测区域内的相关重金属浓度增量的报警值和相关重金属浓度的报警值； 所述监测管理系统的中心处理器还接有报警模块，其内包括声光报警电路； 所述数据分析处理模块将当前所得各种重金属浓度数据与存储的相关重金属浓度级别进行比对，同时，将当前所得各种重金属浓度数据与该监测终端所处位置的历史数据对t匕，当某种重金属浓度超过国家标准允许的浓度值，或者某重金属浓度级别突然升高跳级，中心处理器发送指令到报警模块，声光报警，且在显示屏显示报警信息。
10.根据权利要求8所述的区域水环境重金属监测系统的运行方法，其特征在于: 所述监测管理系统的中心处理器经数据收发模块通过GPRS向各监测终端发送指令，设置其主控模块的时钟子模块的定时周期为I~60分钟，即各监测终端的定时采样周期为I~60分钟；当发现某监测终端所测的某种重金属浓度发生突变跳级时，监测管理系统会发送指令到该监测终端，缩短该监测终端的采样周期 为原采样周期的1/10。
【文档编号】G01N33/18GK103578256SQ201310537367
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月4日 优先权日:2013年11月4日
【发明者】黄廷磊, 林科, 覃志松, 刘杰, 张姿, 张纪元, 甘国宁, 梁海, 卢艳梅 申请人:桂林电子科技大学