原位光谱水质在线监测仪的制作方法

本实用新型涉及一种水质监测仪，特别是一种运用原位光谱在线监测的水质监测仪。

背景技术：

水是支持人类生存和社会发展最主要的因素，它既是一个资源问题，也是一个环境问题。水体富营养化、藻类水华和城市水体黑臭化是全球性的重大水环境问题之一，也严重威胁着我国水体生态环境、饮用水安全和社会经济的可持续性发展。随着水体富营养化日益加剧，一些小型水体，如城市公园和城市河道与湖泊也大量出现蓝藻水华，甚至黑臭化。对这些水体的监测也需要精细化的快速高效监测设备。

传统的监测方法多为布点采样、船只定点采集和人工测试分析，这种方法耗时、耗人力，且数据有限，往往以点代面，无法完整的获取监测水域的实时数据变化，远不能适应现代的生态系统管理需求。因此，日益恶化的水环境问题所带来的大量繁杂监测工作急需快速化、大范围以及多参数的同步实时监测设备。

技术实现要素：

本实用新型目的在于提供一种原位光谱水质在线监测仪，对水体进行非接触式、原位在线实时光谱测量，无需化学试剂，避免测量带来的二次污染，而且适用多领域的水质监测分析仪，适应各种水质环境。

本实用新型所述的一种原位光谱水质在线监测仪，包括云台、光谱传感器、光照计、工控机、GPS模块、无线模块和电源模块，

其中所述的云台设置于被测水体上方，为所述的光谱传感器提供角度调整的平台，搭载视频相机和光谱传感器镜头；

所述的光谱传感器通过设置于所述云台的光谱传感器镜头探测到水体的反射光信息来获取水体高光谱数据，所述的反射光信息数据传输到所述的工控机；

所述的光照计，测量当前水体区域光照度，并把光照度信息传输给工控机；

所述GPS模块，定位当前架设的原位光谱水质在线监测仪的地理位置；

所述的无线模块，可进行远程控制和数据传输，将光谱数据及相关信息传输到监控平台；

所述的电源模块供电。

所述的工控机包括：

光谱传感器的数据采集和存储模块，控制所述的光谱传感器的数据采集和存储，并传输数据到监控平台；

视频相机的视频采集和存储模块，控制所述的视频相机的视频采集和存储，并传输数据到监控平台；

控制转动模块，控制云台转动，同时控制所述的光谱传感器和视频相机对水体的数据采集区域。

所述的工控机为PC机、或DSP、FPGA、ARM的嵌入式平台。

所述的云台采用两轴控制，方位为±120°，俯仰为+30到-60°。

视频相机与工控机通过网线或无线网络相连；光谱传感器的镜头与光谱传感器通过光纤相连；光谱传感器与工控机通过USB数据线相连；视频相机和光谱传感器获取的数据通过无线模块或网络传输至云端的监测平台。

所述的原位光谱水质在线监测仪，还包括箱体，其收纳工控机、光谱传感器、GPS模块、无线模块和电源模块。

所述的箱体设置显示屏和控制键。

原位光谱水质在线监测仪单次扫描可以得到多个水质参数的测量结果，测定过程是在水体原位进行，不需要消耗任何试剂，安装使用方便，远程在线实时连续监测水质，数据通过网络实时上传至云端服务器，用户通过电脑或智能手机等监控平台就能接收云服务中心的数据和水质污染的实时信息，实现快速化、大范围以及多参数(叶绿素、藻蓝素、悬浮物、可溶性有色有机物(CDOM)、溶解有机碳(DOC)、TN、TP)的同步实时监测设备。

附图说明

图1是本实用新型所述的原位光谱水质监测仪的实施例的各部件连接关系图。

图2是本实用新型所述的原位光谱水质监测仪的实施例的立体图。

图3是本实用新型所述的原位光谱水质监测仪的实施例的箱体内部结构主视图。

图4是本实用新型所述的原位光谱水质监测仪的实施例的箱体内部结构后视图。

图5是本实用新型所述的原位光谱水质监测仪的实施例的球机。

附图标记说明：1、光照计，2、天线，3、显示屏，4、箱体外壳，5、电源模块，6、风扇，7、工控机，8、GPS模块与无线模块的集成模块，81、GPS模块，82、无线模块，9、光谱传感器，10、视频相机，11、光照灯，12、光谱传感器镜头，13、定点监测设备，14、监控平台，15、球机。

具体实施方式

以下将结合附图1-5对本实用新型优选实施例做详细说明。

图1是本实用新型所述的原位光谱水质监测仪的实施例的各部件连接关系图。即本实用新型所述的一种原位光谱水质监测仪，包括云台(本实施例中为球机15)、光谱传感器9、光照计1、工控机7、无线模块82、GPS模块81和电源模块5，在水面之上固定安装即可。

本实用新型所述的一种原位光谱水质监测仪，包括云台、光谱传感器9、光照计1、工控机7、GPS模块81、无线模块82和电源模块5，

其中所述的云台设置于被测水体上方，为所述的光谱传感器9提供角度调整的平台，包括视频相机10和光谱传感器镜头12。

云台一般常用为球机15，如图5所示，悬挂于被测水体岸边的定点监测设备13的固定立柱的顶部横杆上，其包括光谱传感器镜头12、视频相机10以及光照灯11，实施例中光照灯11为2个。云台采用两轴控制，方位为±120°，俯仰为+30到-60°，大视场角满足广水域要求，采用伺服电机控制，可以对特定点进行持续监测，也可以对大片水域进行搜索式监测。球机15密封保护，满足不同的工况要求。

在球机15内的视频相机10可提高监测区域视场角，并可根据情况对水质进行考证记录。视频相机10跟随光谱传感器的镜头一起旋转，对同一水域进行监测。

球机15内部高光谱镜头只提供相应的光谱信息。高光谱镜头与光谱水质监测仪通过光纤连接。

光谱传感器9也称为光谱仪、光谱相机、多光谱相机或高光谱相机，光谱范围是200nm～1100nm。所述的光谱传感器9通过设置于所述云台的光谱传感器镜头12探测到水体的反射光信息来获取水体高光谱数据，所述的反射光信息数据通过网线或无线传输到所述的工控机7。

光谱传感器镜头12探测到水体的反射光照信息，通过光纤传输到光谱传感器9，由工控机7实时采集并存储获取到的光谱数据，最后，通过网络将数据传输到监视平台。

所述的光照计1也称为光照度传感器，获取当前时刻水体区域的光照度，同步对应光谱传感器9对水体采集的反射光谱数据，用于光谱数据的反射率标定。光照计1与工控机7通过串口数据相连。

所述的工控机7包括：光谱传感器9的数据采集和存储模块，控制所述的光谱传感器9的数据采集和存储，并传输数据到监控平台14；

视频相机10的视频采集和存储模块，控制所述的视频相机10的视频采集和存储，并传输数据到监控平台14；

控制转动模块，控制云台转动，同时控制所述的光谱传感器9和视频相机10对水体的数据采集区域。

所述的工控机7功能为数据的接收储存，可用PC机或DSP、FPGA及ARM的嵌入式平台代替。

所述的GPS模块81给出当前架设的原位光谱水质在线监测仪的地理位置，GPS模块81通过串口与工控机7连接。GPS模块81提供GPS信息。

所述的无线模块82，与工控机7串口连接，可通过天线2进行远程控制和数据传输，将光谱数据及相关信传输到监控平台14。

所述的电源模块分别给工控机7、光谱传感器9、光照计1、GPS及无线模块、视频相机10等供电。

视频相机10与工控机7通过网线或无线网络相连；光谱传感器镜头12与光谱传感器9通过光纤相连；光谱传感器9与工控机7通过USB数据线相连；视频相机10和光谱传感器9获取的数据通过无线模块82或网络传输至云端的监测平台。

箱体外壳4，如图2-4所示，其安装固定在被测水体旁，如岸边或水面上，内部组件为工控机7、光谱传感器9、触控显示屏3、无线模块82和GPS模块81(包括GPS天线)、电源模块5(对多个设备进行集中供电)以及散热风扇6。

如图2所示箱体组件前面的显示屏3，可用于在线调试及显示系统运行状态与简单的水质预警，可进行实地简单交互操作。显示屏3为单独小箱体，填加保护盖(类似传统电表)，并加几个简单控制键，包括电源键、项目显示切换键及安全保护装置，从而对设备进行过压、雷电等情况的保护，并易于进行更换。

工控机7安装在箱体内，可将实时采集的水质光谱数据进行处理、检定，同时对视频相机10及光谱信息进行存储。存储选用大容量硬盘，可长时间保存数据信息，超过即进行覆盖滚存。

所述测量范围一般为：叶绿素：0-400μg/L，藻蓝素：0-400μg/L，悬浮物：0-400mg/L，可溶性有色有机物(CDOM)：0-200μg/L，溶解有机碳(DOC)：0-400mg/L，TN：0-20mg/L，TP：0-1mg/L。

工控机7可通过连接网络或无线方式，将光谱数据及相关信息传入云端至监视平台，相关信息包括GPS信息、设备标识号及相关的运行信息。

电源模块安装于显示屏3后，为箱体内部各个部件进行供电，电压为12V直流。

光照计1置于箱体上部，外部突起位置向上，与工控机7通过串口数据线连接，测量外部光照度。

GPS天线安装于箱体上部与无线模块82通过数据线连接。

以上本实施例中的数据线连接包括网线连接和无线连接。

本实用新型可以连续不间断监测和数据记录，超长时间数据存储，历史趋势查看；多个传感器可以连接到同一个系统上，适用于不同大小规模的监测网络；总线式系统网络，可以轻易进行远程设置、在线操作和标定；测控网络无线通讯稳定，远程操作高效；通讯网络接口丰富，标准的TCP/IP局域网、无线局域网、GPRS。