一种低功耗全光谱多参数水质原位监测仪的制作方法

本发明涉及环保行业水质监测光谱设备低功耗，具体是涉及一种低功耗全光谱多参数水质原位监测仪设备。

背景技术：

1、光谱法对水质检测有以下优点：微型化、多参数一体、快速、分辨率高(秒级数据)、绿色无试剂、灵敏。光谱法的基本原理是水样内物质对光谱的特定波长有吸收作用，通过测量波段整段、某段或某点的波长吸光度，根据lambert-beer定律测量相关指标污染物浓度。但一般光谱法设备长时间运行功耗大，运维困难，受长时间运行影响使用寿命短等缺点。

2、据调研，美国的ecd品牌水质分析仪器主要有ecd硝酸盐分析仪、ecd荧光法溶解氧分析仪、ecd臭氧分析仪、ecd游离氯分析仪、ecd比色法分析仪、ecd水质紫外分析仪、ecd在线阳离子电导率分析仪、ecd钠离子分析仪和ecd在线氨氮分析仪等。

3、日本的岛津品牌水质分析仪从检测原理上来看主要有水杨酸分光光度法和重铬酸钾分光光度法两大类，目前岛津品牌的主要客户来自亚洲和欧洲部分国家。

4、目前相关技术主要存在以下问题：一是设备笨重难安装，安装及运维成本高；二是环境影响因子：外部环境实时变化，传感器及系统无法及时响应；三是仪器系统本身的影响：灯源衰减、电流稳定性、干扰性、光学镜头污染等等，在长期使用过程中会逐渐老化都会对产品使用造成问题；四是量程、分辨率等参数的适应性：现实中实际水样有工业废水、农业有机废水、河流湖泊等等不同的水体，内成份复杂、变化多、浓度大小不一，对于光谱法传感器的适应性设计要求比较高。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种低功耗全光谱多参数水质原位监测仪，该设备实现了全天候水质监测，能够高效有质的进行污染预警，优先解决水环境管理存在污染预警慢、质量低，污染溯源不及时、污染溯源难，监管成效低等问题，适用于饮用水、地表水和多种污水场景。

2、为了实现上述目的，本发明所述的水质原位监测仪包含：

3、仪器外壳，外壳底部设有一凹腔，在凹腔两边相对侧的外壳上分别相设置有出射窗口、入射窗口，在凹腔另一侧的外壳上设有反射透镜，在反射透镜内侧的外壳中设有光电接收器；

4、外壳前端内置有调制低功率高稳定性的氙灯光源；

5、凸透镜，其设于氙灯光源与出射窗口之间；

6、在入射窗口后方依次设有凸透镜、狭缝、准直镜、光栅、透镜以及光谱传感器矩阵。

7、进一步地，所述外壳前端设有电极传感器。

8、进一步地，所述电极传感器包括电导率电极及ph玻璃电极。

9、进一步地，在所述外壳前端嵌入不导电的塑胶块，电极传感器设于塑胶块上。

10、进一步地，在所述仪器中内置有温度传感器，实施中可使用导热性硅胶贴在外壳的内壁上。

11、进一步地，所述温度传感器通过导热性硅胶贴设于外壳的内壁上。

12、进一步地，在所述仪器的出射窗口与入射窗口处设有清洗功能的高速气流清洁孔。

13、进一步地，所述监测仪的光谱部分使用150～1100nm的全光谱波段。

14、进一步地，所述仪器的电路部分包含传感器采集系统、单片机、电源管理系统、系统时钟、算法集成系统、通讯系统以及电池管理系统。

15、更进一步地，所述传感器采集系统采用低功耗单片机stm32，通过单片机嵌入式软件程序及电路中电源管理系统对各传感器进行能量监测与能耗控制；通过算法集成系统可唤醒传感器采集系统；

16、算法集成系统采用嵌入式硬件架构，对传感器采集系统进行数据分析与计算，同时对自身进行低功耗控制，通讯系统也采用低功耗设计，对整体设备进行低功耗设计后，整体功耗将不超过2.8w/天。

17、本发明技术特点包括：单片机通过控制电源管理系统控制传感器的运行与关闭；双系统电路下内嵌多参数传感器与全光谱算法；一键运维模式，且运维状况下依旧保持低功耗状态。

18、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

19、本发明采用低功耗单片机对设备进行多功能场景切换，在普通状态下设备进行传感器数据采集并对数据进行简单计算并上传至后台数据中心，而在低功耗状态下单片机将每隔半小时进行一次数据采集并上传工作时间预计10s，其余时间设备进入睡眠模式仅保持时钟运行。对比同类光谱法设备，本发明的功耗更低，因此设备供电电池更小，在实际现场应用中，维护成本更低，使用周期更长，对现场环境要求更低，使用更方便。

20、具体的，目前微型光谱水质监测传感器使用的光谱波段为固定波长或者某段波长，识别的污染特征指标比较单一或者较少，本发明采用全光谱150～1100nm全段波长监测，使用学习型神经网络算法建模的方式(其是利用python深度学习算法，通过大数据训练的方式建立水质检测模型，提升传感器采集精确度)，让物质种类和浓度识别度更高，可以分辨出相似吸光度影响的中其他多个波段的细小差别；

21、另外，目前市面上常见的使用光谱法的多参数水质原位监测仪，在设计时对于功耗控制不严格，而本发明首次将功耗控制在2.8w，适用于多种不同环境下的水体检测，连接网络后定时定量发送数据，从而实现远程自动化水质检测。同时通过嵌入式算法对传感器及电路系统进行能量精细化管理与老化管理。

技术特征：

1.一种低功耗全光谱多参数水质原位监测仪，其特征在于，包含：

2.根据权利要求1所述的水质原位监测仪，其特征在于，所述外壳前端设有电极传感器(1)。

3.根据权利要求2所述的水质原位监测仪，其特征在于，所述电极传感器(1)包括电导率电极及ph玻璃电极。

4.根据权利要求2所述的水质原位监测仪，其特征在于，在所述外壳前端嵌入不导电的塑胶块，电极传感器(1)设于塑胶块上。

5.根据权利要求1所述的水质原位监测仪，其特征在于，在所述仪器中内置有温度传感器，实施中可使用导热性硅胶贴在外壳的内壁上。

6.根据权利要求5所述的水质原位监测仪，其特征在于，所述温度传感器通过导热性硅胶贴设于外壳的内壁上。

7.根据权利要求1所述的水质原位监测仪，其特征在于，在所述仪器的出射窗口(4)与入射窗口(7)处设有清洗功能的高速气流清洁孔。

8.根据权利要求1所述的水质原位监测仪，其特征在于，所述监测仪的光谱部分使用150～1100nm的全光谱波段。

9.根据权利要求1所述的水质原位监测仪，其特征在于，所述仪器的电路部分包含传感器采集系统、单片机、电源管理系统、系统时钟、算法集成系统、通讯系统以及电池管理系统。

10.根据权利要求9所述的水质原位监测仪，其特征在于，所述传感器采集系统采用低功耗单片机stm32系列单片机作为主控单元，通过单片机嵌入式算法及电路中电源管理系统对各传感器进行能量监测与能耗控制；同时整体系统长期处于睡眠状态，仅系统时钟长期运行；通过算法集成系统可唤醒传感器分；所述算法集成系统采用嵌入式硬件框架，对传感器采集系统进行数据分析与计算，同时将对自身进行低功耗控制，通讯系统亦采用低功耗设计，对整体设备进行低功耗设计后，整体功耗不超过2.8w/天。

技术总结
本发明公开了一种低功耗全光谱多参数水质原位监测仪,涉及水质监测技术领域，该监测仪包括仪器外壳，外壳底部设有一凹腔，在凹腔两边相对侧的外壳上分别相设置有出射窗口、入射窗口，在凹腔另一侧的外壳上设有反射透镜，在反射透镜内侧的外壳中设有光电接收器；外壳前端内置有调制低功率高稳定性的氙灯光源，设于氙灯光源与出射窗口之间的凸透镜，在入射窗口后方依次设有凸透镜、狭缝、准直镜、光栅、透镜以及光谱传感器矩阵，仪器的电路部分采用低功耗的双系统电路。本发明的监测仪实现了全天候水质监测，能够高效有质的进行污染预警，优先解决水环境管理存在污染预警慢、质量低，污染溯源不及时、污染溯源难，监管成效低等问题。

技术研发人员：张友德,钱益武,杨业,李海生,程雨涵,王清泉,尹星
受保护的技术使用者：安徽新宇环保科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15