一种基于物联网技术实时高效的新型水质监测系统

技术领域

本发明涉及水质监测技术领域，具体来说，涉及一种基于物联网技术实时高效的新型水质监测系统。

背景技术

水是生命之源，河流、湖泊是地表水资源的重要载体，是农业、工业等经济发展的支撑，同时供给着大部分地区的日常用水。而近年来，随着社会经济的发展及工业化和城市化进程的加快，水资源污染问题日益严重，已经对人类生存环境构成极大威胁。基于“预防为主，防治结合”的治污理念，我们不仅要在水质污染后进行污染治理，更为重要的是做到对水质的实时监测，及时了解水质的情况，确保水质安全，避免水质收到不可挽回的污染。

目前，水质监测方案主要有以下几种：一、采用实验室的传统分析方式，如分光光度法，液相色谱法等。这需要人员先去目的地进行采样，然后运送会实验室使用专用设备进行分析，不但效率低成本高，还不能保证检测结果的实时性。二、采用便携式监测仪人工检测。这种方式虽然不用运输水样，但需要人员具有一定的专业素养，且不能反映水环境的动态变化。三、采用大型自动监测系统，包含监控中心和若干监控子站，能够实现连续自动监测并远程传输数据，然而因为监测点固定所以监测范围有限，监控站的建设和通讯电缆的铺设也需要大量的成本。

因此，对河流湖泊进行水质监测存在很大的难度与障碍，通过上述分析，大概归纳为人工采样成本高、效率低，无法对其进行实时监测；而铺设大面积的检测点与有线电缆成本较高，造成监测的综合效率与实际价值较低。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于物联网技术实时高效的新型水质监测系统，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

为此，本发明采用的具体技术方案如下：

一种基于物联网技术实时高效的新型水质监测系统，该系统包括以下组成部分：

水质监测模块，用于对水质进行实时监测，采集生成图像信息及水质数据并进行预处理；

固定基站，用于接收水质数据进行进一步处理，并实现信号的放大与传递；

检修无人机，用于对数据异常水域的实时检测与破旧设备回收；

处理控制中心，用于接收图像信息与水质数据并进行处理分析，得到水质信息的参数；

显示终端，用于将转换得到的参数直观进行显示；

其中，所述水质监测模块、所述固定基站及所述处理控制中心之间均保持无线连接，所述水质监测模块包括主传感器、图像处理装置及若干次级传感器，所述主传感器、所述图像处理装置及所述次级传感器之间通过无线连接且形成mesh组网。

进一步的，所述主传感器包括数据采集模块、初级传输模块、初级通信模块、初级数据处理模块、定位模块、太阳能电源管理模块及水流检测模块；

其中，所述初级传输模块用于接收同一mesh组网内所述图像处理装置及若干次级传感器所采集的数据信息，所述初级数据处理模块用于对采集数据信息进行预处理，筛选与过滤冗余信息和错误信息，再通过初级通信模块发送至所述固定基站。

进一步的，所述图像处理装置包括模型构建模块、图像采集模块、图像处理模块及传输模块；

其中，所述图像处理装置用于对采集的图像进行处理，具体处理步骤如下：

采集多组水质图像构建初始图像集；

通过图像处理模块对初始图像集中图像进行标注，提取图像中特征信息并图像进行分类，形成训练图像集；

通过模型构建模块对训练图像集进行训练并构建VGG19图像识别模型；

通过图像采集模块采集实时图像；

图像处理模块对实时图像进行降噪处理，并进行特征信息的提取，再通过与VGG19图像识别模型的对比实现对实时图像的分析；

通过分析得到实时图像的信息量与类别，并通过图像处理模块进行多次采集与分析最终取得平均值；

将获取实时图像的平均值进行信号转换，通过传输模块发送至所述主传感器。

进一步的，所述次级传感器包括次级传输模块、数据采集模块、定位模块与太阳能电源管理模块，所述主传感器、所述图像处理装置与所述次级传感器之间通过Zigbee信号进行连接。

进一步的，所述数据采集模块用于检测水的pH值、溶解氧、水温、高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量和铜离子指数。

进一步的，所述固定基站设置在相邻两个所述主传感器之间，且所述固定基站包括主通信模块、主数据处理模块、影像处理模块、信号放大模块、无人机停靠模块；

其中，所述主通信模块用于接收所述主传感器及所述检修无人机发射信号及向所述处理控制中心传递，所述主数据处理模块用于对接收到主传感器的采集的水质信息数据进行处理，并筛选删除冗余信息与错误信息；所述影像处理模块用于对接收到所述检修无人机的影像数据进行分析处理。

进一步的，所述检修无人机包括指令接收模块、高精度定位导航模块、影像采集模块、夹持模块、信号发射模块及电源模块；

其中，所述检修无人机具体工作步骤如下：

所述指令接收模块根据预设规则接收所述处理控制中心发出指令，启动并离开所述固定基站内的所述无人机停靠模块；

通过高精度定位导航模块，进行自主导航，搜寻指定的定位模块位置；

通过影像采集模块进行实时影像采集，并通过信号发射模块发送至所述固定基站；

当搜寻到破旧水质监测模块，通过指令接收模块接收夹持指令，进行水质监测模块的夹持回收，并进行返航。

进一步的，所述预设规则包括当所述主传感器及所述次级传感器超过三次未向上级传输模块发送数据信息，所述处理控制中心判断其为破旧状态并进行回收检修；以及所述水质监测模块所监测水质数据信息大于预设阈值，所述处理控制中心判断水域出现异常而发出指令对异常水域进行影像获取。

进一步的，所述高精度定位导航模块利用载波相位查分定位提高GPS观测精度，并利用扩展卡尔曼滤波器实现即时定位与地图构建算法与无人机自主导航系统的融合，并将滤波器输出的位姿信息反馈到所述处理控制中心；

其中，所述扩展卡尔曼滤波器由卡尔曼滤波器经过线性化得出，其计算过程如下：

X

Z

其中，k表示时刻，f

进一步的，所述显示终端包括移动客户端、PC客户端、智能手机和信息发布屏。

本发明的有益效果为：

1、通过设置水质监测模块及其内部的多个传感器，配合组成的mesh组网，能够对待测水域进行完整覆盖，并通过对多种水质数据及实时图像的检测，从而能够大大提高水质监测的可靠性与精确度；同时通过组网内的无线传输，能够降低功耗，传输可靠性高，传输速率快，通用性好及实用性强，进而大大提高检测的效率。

2、通过图像处理装置自主进行图像采集与模型构建与分析，能够避免图像传输所耗费的时间，同时既能实现且提高图像检测的精度，进而提高监测系统的实时高效性能。

3、通过设置固定基站，能够对水质监测数据进行进一步处理，减少冗余数据，从而提高向上一级传输信号的效率，从而实现数据的实时高效传递，同时能够减少主传感器输送信号的损耗，提高使用寿命。

4、通过设置检修无人机及停靠模块，能够在某个主传感器或次级传感器遭受损害时，收到处理控制中心的指令进行高精度自主搜寻，并通过夹持模块进行夹持回收，从而提高系统维修的效率，降低设备损害造成的风险；同时能够在某水域检测异常值时，进行实时的影像检测，从而直观的观测出该水域出现异常的具体原因，有利于对该水域进行及时的治理，进而进一步提高监测的实时高效性。

附图说明

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。

图1是根据本发明实施例的一种基于物联网技术实时高效的新型水质监测系统的系统框图。

1、水质监测模块；101、主传感器；102、图像处理装置；10201、模型构建模块；10202、图像采集模块；10203、图像处理模块；10204、传输模块；103、次级传感器；2、固定基站；3、处理控制中心；301、指令接收模块；302、高精度定位导航模块；303、影像采集模块；304、夹持模块；305、信号发射模块；306、电源模块；4、处理控制中心；5、显示终端。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

根据本发明的实施例，提供了一种基于物联网技术实时高效的新型水质监测系统。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1所示，根据本发明实施例的基于物联网技术实时高效的新型水质监测系统，该系统包括以下组成部分：

水质监测模块1，用于对水质进行实时监测，采集生成图像信息及水质数据并进行预处理；

固定基站2，用于接收水质数据进行进一步处理，并实现信号的放大与传递；

检修无人机3，用于对数据异常水域的实时检测与破旧设备回收；

处理控制中心4，用于接收图像信息与水质数据并进行处理分析，得到水质信息的参数；

显示终端5，用于将转换得到的参数直观进行显示；

其中，所述水质监测模块1、所述固定基站2及所述处理控制中心4之间均保持无线连接，所述水质监测模块1包括主传感器101、图像处理装置102及若干次级传感器103，所述主传感器101、所述图像处理装置102及所述次级传感器103之间通过无线连接且形成mesh组网。

在一个实施例中，所述主传感器101包括数据采集模块、初级传输模块、初级通信模块、初级数据处理模块、定位模块、太阳能电源管理模块及水流检测模块；

其中，所述初级传输模块用于接收同一mesh组网内所述图像处理装置102及若干次级传感器103所采集的数据信息，所述初级数据处理模块用于对采集数据信息进行预处理，筛选与过滤冗余信息和错误信息，再通过初级通信模块发送至所述固定基站。

在一个实施例中，所述图像处理装置102包括模型构建模块10201、图像采集模块10202、图像处理模块10203及传输模块10204，具体实现步骤如下：

采集多组水质图像构建初始图像集；

通过图像处理模块10202对初始图像集中图像进行标注，提取图像中特征信息并进行分类，形成训练图像集；

通过模型构建模块10201对训练图像集进行训练并构建VGG19图像识别模型；

通过图像采集模块10202采集实时图像；

图像处理模块10203对实时图像进行降噪处理，并进行特征信息的提取，再通过与VGG19图像识别模型的对比实现对实时图像的分析；

通过分析得到实时图像的信息量与类别，并通过图像处理模块10203进行多次采集与分析最终取得平均值；

将获取实时图像的平均值进行信号转换，通过传输模块10204发送至所述主传感器101。

在一个实施例中，所述次级传感器103包括次级传输模块、数据采集模块、定位模块与太阳能电源管理模块，所述主传感器101、所述图像处理装置102与所述次级传感器103之间通过Zigbee信号进行连接。

在一个实施例中，所述数据采集模块用于检测水的pH值、溶解氧、水温、高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量和铜离子指数。

在一个实施例中，所述固定基站2设置在相邻两个所述主传感器101之间，且所述固定基站包括主通信模块、主数据处理模块、影像处理模块、信号放大模块、无人机停靠模块；

其中，所述主通信模块用于接收所述主传感器101及所述检修无人机3发射信号及向所述处理控制中心传递，所述主数据处理模块用于对接收到主传感器101的采集的水质信息数据进行处理，并筛选删除冗余信息与错误信息；所述影像处理模块用于对接收到所述检修无人机的影像数据进行分析处理。

在一个实施例中，其特征在于，所述检修无人机3包括指令接收模块301、高精度定位导航模块302、影像采集模块303、夹持模块304、信号发射模块305及电源模块306；

其中所述检修无人机具体实现步骤如下：

所述指令接收模块301根据预设规则接收所述处理控制中心4发出指令，启动并离开所述固定基站2内的所述无人机停靠模块；

通过高精度定位导航模块302，进行自主导航，搜寻指定的定位模块位置；

通过影像采集模块303进行实时影像采集，并通过信号发射模块305发送至所述固定基站2；

当搜寻到破旧水质监测模块1，通过指令接收模块301接收夹持指令，进行水质监测模块1的夹持回收，并进行返航。

在一个实施例中，所述预设规则包括当所述主传感器101及所述次级传感器103超过三次未向上级传输模块发送数据信息，所述处理控制中心4判断其为破旧状态并进行回收检修；以及所述水质监测模块1所监测水质数据信息大于预设阈值，所述处理控制中心4判断水域出现异常而发出指令对异常水域进行影像获取。

在一个实施例中，所述高精度定位导航模块302利用载波相位查分定位提高GPS观测精度，并利用扩展卡尔曼滤波器实现即时定位与地图构建算法与无人机自主导航系统的融合，并将滤波器输出的位姿信息反馈到所述处理控制中心；

其中，所述扩展卡尔曼滤波器由卡尔曼滤波器经过线性化得出，其计算过程如下：

X

Z

其中，k表示时刻，f

在一个实施例中，所述显示终端5包括移动客户端、PC客户端、智能手机和信息发布屏。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过设置水质监测模块1及其内部的多个传感器，配合组成的mesh组网，能够对待测水域进行完整覆盖，并通过对多种水质数据及实时图像的检测，从而能够大大提高水质监测的可靠性与精确度；同时通过组网内的无线传输，能够降低功耗，传输可靠性高，传输速率快，通用性好及实用性强，进而大大提高检测的效率。

通过图像处理装置102自主进行图像采集与模型构建与分析，能够避免图像传输所耗费的时间，同时既能实现且提高图像检测的精度，进而提高监测系统的实时高效性能。

通过设置固定基站2，能够对水质监测数据进行进一步处理，减少冗余数据，从而提高向上一级传输信号的效率，从而实现数据的实时高效传递，同时能够减少主传感器101输送信号的损耗，提高使用寿命。

通过设置检修无人机3及停靠模块，能够在某个主传感器101或次级传感器103遭受损害时，收到处理控制中心4的指令进行高精度自主搜寻，并通过夹持模块304进行夹持回收，从而提高系统维修的效率，降低设备损害造成的风险；同时能够在某水域检测异常值时，进行实时的影像检测，从而直观的观测出该水域出现异常的具体原因，有利于对该水域进行及时的治理，进而进一步提高监测的实时高效性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。