光谱法水质传感器全天候水质监测

水是人类赖以生存和发展的重要资源，面对日益严峻的水污染问题，人们对水环 境的检测和监测提出了更高的要求。目前，检测水质主要使用传统的化学法在实验室进行分析，需要通过人工的现场 采样、运输，并利用大型的专用设备来完成。对采样、制样的技术经验要求高、耗时较长、成 本高、工作量大，而且不能实时的水质的情况，还会造成二次污染。研究一种更快、更准确 的检测、监测和预测水质状况的仪器是水质监测领域的重要发展方向之一。现有的新型设备在检测和监测方面都有一定的应用，但也存在诸多问题，如无法 实现对大面积流域水质的监测，测量参数单一，应用场景受限等，只能被动监测，无法实现 水质的预测。对于大面积水域、复杂地形水域以及人们难以到达水域的水质参数，不仅无 法满足实时在线监测的需求，而且无法对复杂水域水环境进行有效监测和管理。

光谱法水质传感器的全天候长流域水质监测与预警，属于水质监测技术领域。所述系统包括水质监测装置、云数据处理平台和远程监控平台；水质监测装置的数量为多个，根据需要放置于水体岸边、水面浮标或其他水面平台上，对长流域的水质数据进行提取，所述水质监测装置利用直接光谱法水质传感器获取监测水体的吸收光谱，并将监测到的数据和水质信息通过无线传输的方式传送至云数据处理平台；云数据处理平台对接收到的数据进行汇总和分析，并存入数据库中；远程监控平台通过对存入数据库中的数据进行查询和显示，实现对全天候长流域水质环境的实时监测和预警。本系统能够实现对流域内水体环境全天候的在线测量、实时监测、突发性预警、流域分析以及水环境监控，减少因水体污染造成的损失，保障人们饮水安全。水质监测技术领域，涉及一种水质监测与预警管理系统，特别是一种 基于直接光谱法水质传感器的全天候长流域水质监测与预警系统。 紫外一可见光光谱（ultraviolet-visible spectrometry, UV-Vis)分析技术 可以直接或间接测定水体中大多数金属离子、非金属离子、有机物污染物、硝酸盐以及化学 需氧量（Chemical Oxygen Demand，C0D)等多种参数。UV-Vis光谱法水质传感器监测水体就是利用测 得水体的紫外-可见吸收光谱来建立水质相关的参数模型，建立水体与其紫外-可见光吸 收光谱之间的对应关系，该法具有无需化学试剂、测量速度快等优点。同时，UV-Vis光谱法水质传感器 水体监测，可以将光谱探头浸入水中，能够对水体进行在线、实时的监测，从而实现对水体 环境实时监控、突发性污染事故预警以及流域趋势分析等功能。特别是，随着传输速率快、 频带宽的4G通信技术的迅猛发展，全天候、整流域水体安全性监测成为可能，此可将水体 是否发生污染险情上传至监控中心，从而及时发出预警信息，预先做好相应的预防措施，以 便将损失降到最低。设备包含测量装置、控制器、显示器、多个试剂容器、多个备用试剂容器、蒸馏水容器、 清洗容器以及废液容器的一种水质监测系统，能够获得至少两种波长的光，监测不同的污 染因子。光谱法水质传感器能够实现对流域内水体环境全天候的在线测量、实时监测、突发性预 警、流域分析以及水环境监控，减少因水体污染造成的损失，保障人们饮水安全。水质监测装置包括传感器模块、GPS模块、微处理器、无线通信模块和 电源模块；多种传感器探头和A/D转换模块，通过多路继电器进行工作 状态的切换，实时采集监控流域的水质信息，所述水质信息包括温度、PH值、流速、电导率 等；光谱探头与光谱仪相连，用于获取水质的紫外-可见吸收光谱，可用于C0D、T0C、TURB和 N03-N的解算；微处理器负责协调和控制监测装置各模块工作，存储和上传采集的水质信 息；在微处理器中，利用压缩算法完成光谱数据的压缩，并将处理后的光谱数据及其他传感 数据按照采集时间与数据类型进行分类存储，通过无线通信模块传输至云数据处理平台；无线通信模块主要包括无线数据传输模块和广域网模块，负责水质监测装置 与远程监控平台间的通信；无线数据传输模块负责组建并加入无线数据传输网络，组建的 网络可自愈和，抗干扰性强；广域网模块主要负责将设备接入互联网Internet中，可以随 时接收或发送数据至云数据处理平台。电源模块由太阳能电池板、锂电池组、备用电池、稳压电路、电压转换 电路组成；太阳能电池板将太阳能转换为电能存储于锂电池组中，通过稳压电路及电压转 换电路为传感器模块、微处理器模块和无线通信模块提供稳定电压；当天气状况不佳，锂电 池电量耗尽时，备用电池进入工作状态。

在定时模式下，每隔固定 的时间自动采集，通过多路开关控制相应的传感器采集对应的水质信息，如水质吸收光谱、 温度、pH、流速、电导率等，采集到的水质吸收光谱在监测装置中通过小波变换编码压缩后， 与其他传感数据按照采集时间与数据类型进行分类存储，同时将水质信息按照相应的帧格 式进行封装，通过无线网络传输至云数据处理平台，水质参数的数据采集与传输完成后，监 测装置将进入睡眠状态，以降低系统功耗，等待下一次手动或自动唤醒；在手动模式下，用 户手动控制监测装置开始采集，通过云端以单播的方式发送至目标水质监测装置，水质监 测装置收到指令后，从睡眠状态唤醒，完成数据采集与传输后再次休眠。

系统利用云计算等技术，使得水质的解算过程不受平台影响，可由任意能够接入互 联网的设备，如手机、电脑、平板等，通过网页或APP访问水环境监控中心查看监测流域水 质信息。水环境监控中心利用GIS技术，动态显示监测流域的水质信息，能够手动控制监测 装置的工作状态，方便快捷又直观。水质监测系统拥有多种不同用户，其中管理员权限主要 用于有关部门实现对流域水质的管理；用户权限可满足普通民众随时随地了解身边的水质 状况，将监测系统推广至广大群众，全民一起监督水环境水质，防御水质污染。