本發(fā)明屬于環(huán)境工程水處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于處理富營養(yǎng)化水體的在線監(jiān)測智能遠程報警裝置和方法。

背景技術(shù)：

水體富營養(yǎng)化是全球性的水環(huán)境問題，水中藻類大量生長，導(dǎo)致水體溶解氧下降，水生動植物死亡，使水質(zhì)進一步惡化。生物浮床將植物種植在富營養(yǎng)水體中，通過植物生長吸收水中N、P等富營養(yǎng)物質(zhì)，最終通過植物體的采收，將富營養(yǎng)化物質(zhì)從水中帶出，是常用的水污染治理手段。生物浮床以其可放可收、不受水位限制、只占水面不占地實現(xiàn)原位修復(fù)等特點，被廣泛應(yīng)用于水體富營養(yǎng)化的治理。

目前，對于生物浮床的研究熱點主要在植被選擇和浮床材料及結(jié)構(gòu)兩部分。在植被選擇方面，國內(nèi)外學(xué)者在植被對水中污染物的去除能力、適應(yīng)性等反面做了大量工作；在浮床材料及結(jié)構(gòu)方面，則集中于浮體的材料選擇、抗沖擊性、抗傾覆性以及布局優(yōu)化等。

在生物浮床處理富營養(yǎng)化水體的日常管理中，對浮床植物的科學(xué)采收是重要的管理措施，一方面，不僅能促進營養(yǎng)鹽不斷從水體輸出，有效地避免對水體造成二次污染，另一方面，以蔬菜品種為浮床植物時，科學(xué)采收還會有一定的蔬菜產(chǎn)出，經(jīng)濟效益顯著。但在實際應(yīng)用中，生物浮床的日常管理大都采用人工完成，尤其是生物浮床栽培蔬菜，需要經(jīng)常查看植物生長狀態(tài)以實現(xiàn)及時采收，人工操作就不能滿足需要，限制其發(fā)展。生物浮床的實際應(yīng)用中常通過頻繁、及時采收浮床植物及其殘體來提高處理效果，且無法對浮床處理效果好壞、浮床植物越冬環(huán)境適宜與否有快速準(zhǔn)確的判斷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種在線監(jiān)測、智能遠程報警生物浮床。

本發(fā)明的另一個目的是，提供一種在線監(jiān)測、智能遠程報警生物浮床的測控方法。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。

本發(fā)明所述的一種在線監(jiān)測、智能遠程報警的生物浮床，主要包括浮床床體、監(jiān)測系統(tǒng)、分析控制系統(tǒng)、遠程報警系統(tǒng)。

本發(fā)明所述的浮床床體兩端還各包括傳感器固定桿一(4)和傳感器固定桿二(14)。

本發(fā)明所述監(jiān)測系統(tǒng)，包括光照傳感器(1)、大氣溫濕度傳感器(2)、土壤溫濕度傳感器(5)、電導(dǎo)率傳感器(6)、pH傳感器(7)、氨氮傳感器(8)、溶解氧傳感器(9)、紅外發(fā)射器(13)、紅外接收器(3)和顏色傳感器(15)，其中光照傳感器(1)、大氣溫濕度傳感器(2)組成大氣參數(shù)監(jiān)測模塊；土壤溫濕度傳感器(5)和電導(dǎo)率傳感器(6)組成土壤監(jiān)測模塊；pH傳感器(7)、氨氮傳感器(8)和溶解氧傳感器(9)組成土壤監(jiān)測模塊；紅外發(fā)射器(13)、紅外接收器(3)和顏色傳感器(15)組成植物狀態(tài)監(jiān)測模塊。大氣參數(shù)監(jiān)測模塊中的光照傳感器(1)和溫濕度傳感器(2)，分別位于浮床邊緣一側(cè)的傳感器固定桿一(4)頂部和上部，可對光照強度、氣溫以及相對濕度等氣象條件進行監(jiān)測，為計算植物積溫等參數(shù)提供依據(jù)。土壤監(jiān)測模塊中的土壤溫濕度傳感器(5)和電導(dǎo)率傳感器(6)底部插入營養(yǎng)土層中，可表征營養(yǎng)土層水分和養(yǎng)分狀況，并為判斷植物越冬條件提供依據(jù)。水質(zhì)監(jiān)測模塊中的pH傳感器(7)、氨氮傳感器(8)和溶解氧傳感器(9)貫穿營養(yǎng)土層透過浮床底部插入水體中，可實現(xiàn)對局部水域的水質(zhì)監(jiān)測，為判斷浮床處理效果提供依據(jù)。植物狀態(tài)監(jiān)測模塊中的紅外發(fā)射器(13)與紅外接收器(3)分別固定在兩根傳感器固定桿上，保持同一高度，可判斷植物生長高度是否超過采收高度閾值；顏色傳感器(15)固定在傳感器固定桿二(11)上，可發(fā)射紅、綠、藍3種顏色的光線在植物頁面上，根據(jù)反射光進行計算顏色的成分，然后和存儲的參照顏色值比較并判斷葉面的顏色，顏色傳感器(15)可360°繞傳感器固定桿二(11)旋轉(zhuǎn)，對隨機、多個視野內(nèi)的葉面顏色進行判斷。

本發(fā)明所述分析控制系統(tǒng)，包括單片機分析控制器(10)和太陽能電池板(14)，其中太陽能電池板(14)固定在傳感器固定桿二(11)頂部，單片機分析控制器(10)固定在傳感器固定桿二(11)底部，通過數(shù)據(jù)線分別與光照傳感器(1)、大氣溫濕度傳感器(2)、土壤溫濕度傳感器(5)、電導(dǎo)率傳感器(6)、pH傳感器(7)、氨氮傳感器(8)、溶解氧傳感器(9)、顏色傳感器(15)、紅外發(fā)射器(13)、紅外接收器(3)和無線通訊器(12)相連，可實現(xiàn)對各傳感器數(shù)據(jù)的采集、分析、存儲和傳輸。

本發(fā)明所述遠程報警系統(tǒng)，包括無線通訊器(12)，通過數(shù)據(jù)線與分析控制系統(tǒng)連接，可接收分析控制系統(tǒng)的報警觸發(fā)信號，并將報警信息通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到用戶終端中，也能接收用戶對浮床裝置的參數(shù)設(shè)置信號，導(dǎo)入分析控制系統(tǒng)中。

進一步說，本發(fā)明所述一種在線監(jiān)測、智能遠程報警的生物浮床，生物浮床床體兩端各有傳感器固定桿一(4)和傳感器固定桿二(14)。其中傳感器固定桿一(4)設(shè)有太陽能電池板(14)、無線通訊器(12)、顏色傳感器(15)、紅外發(fā)射器(13)和單片機分析控制器(10)；傳感器固定桿二(14)設(shè)有光照傳感器(1)、大氣溫濕度傳感器(2)和紅外接收器(3)，紅外接收器(3)與紅外發(fā)射器(13)保持同一水平高度；土壤溫濕度傳感器(5)和電導(dǎo)率傳感器(6)插入營養(yǎng)土層中，pH傳感器(7)、氨氮傳感器(8)、溶解氧傳感器(9)插入水體中；單片機分析控制器(10)電源輸入端與太陽能電池板(14)連接，單片機分析控制器(10)數(shù)據(jù)輸入端與顏色傳感器(15)、紅外發(fā)射器(13)、光照傳感器(1)、大氣溫濕度傳感器(2)、紅外接收器(3)、土壤溫濕度傳感器(5)、電導(dǎo)率傳感器(6)、pH傳感器(7)、氨氮傳感器(8)、溶解氧傳感器(9)相連，數(shù)據(jù)輸出端接有無線通訊器(12)。

本發(fā)明所述的一種智能監(jiān)測遠程報警生物浮床的測控方法，包括以下步驟：

(S1)根據(jù)浮床植物的種類以及水域水質(zhì)要求，設(shè)定報警參數(shù)、監(jiān)測頻率和數(shù)據(jù)采集分析周期，記采收高度H_max、越冬溫度下限T_min、電導(dǎo)率下限EC_min、黃/綠葉面積比YGR_max、溶解氧下限D(zhuǎn)O_min、NH₃-N上限NH₃-N_max、pH下限pH_min、pH上限pH_max，并調(diào)節(jié)紅外發(fā)射器(13)和紅外接收器(3)至采收高度H_max；

(S2)開啟顏色傳感器(15)，對隨機、多角度視野內(nèi)植物葉面情況進行判斷，獲取初始黃面積數(shù)Y₀、綠葉面積數(shù)G₀，記黃/綠葉面積比YGR₀＝Y(jié)₀/G₀；開啟土壤溫濕度傳感器(5)，獲得獲取營養(yǎng)土層狀體參數(shù)溫度T₀和濕度RH₀；開啟電導(dǎo)率傳感器(6)，獲得獲取營養(yǎng)土層狀體參數(shù)電導(dǎo)率EC₀；開啟溶解氧傳感器(9)、氨氮傳感器(8)、pH傳感器(7)，獲得水域初始狀態(tài)參數(shù)溶解氧DO₀、氨氮值NH₃-N₀、pH₀；

(S3)開啟紅外發(fā)射器(13)和紅外接收器(3)，若植物生長至采收高度H_max，遮擋紅外發(fā)射器(13)發(fā)出的紅外信號，紅外接收器(3)不可接收紅外發(fā)射器(13)信號，記參數(shù)為1，若植物生長未達到采收高度H_max，紅外發(fā)射器(13)發(fā)出的紅外信號可被紅外接收器(3)接收，記參數(shù)為0；

(S4)開啟光照傳感器(1)、大氣溫濕度傳感器(2)，獲取并存儲光照和大氣溫濕度數(shù)據(jù)，為日常管理提供參考數(shù)據(jù)；

(S5)數(shù)據(jù)采集分析周期內(nèi)，取紅外接收器(3)數(shù)據(jù)的眾數(shù)M為表征參數(shù)，取顏色傳感器(15)、土壤溫濕度傳感器(5)、電導(dǎo)率傳感器(6)、pH傳感器(7)、氨氮傳感器(8)、溶解氧傳感器(9)監(jiān)測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為表征參數(shù)，分別為黃/綠葉面積比YGR、土壤溫度T、土壤相對濕度RH、電導(dǎo)率EC、pH、氨氮值NH₃-N、溶解氧DO；

(S6)當(dāng)M＝1、YGR≥YGR_max中任一條件滿足時，啟動采收報警；

(S7)當(dāng)|pH-pH₀|≥限定閾值Ⅰ、[NH₃-N]/[NH₃-N₀]≥限定閾值Ⅱ、[DO]/[DO₀]≤限定閾值Ⅲ中三個條件滿足其中一個時，啟動三級水質(zhì)波動報警；當(dāng)三個條件中某兩個同時滿足，啟動二級水質(zhì)波動報警；當(dāng)上述三個條件同時滿足時，啟動一級水質(zhì)波動報警；

(S8)當(dāng)pH≥pH_max或pH≤pH_min、NH₃-N≥NH₃-N_max、DO≤DO_min中三個條件滿足其中一個時，啟動三級水質(zhì)閾值報警；當(dāng)三個條件中某兩個同時滿足，啟動二級水質(zhì)閾值報警；當(dāng)上述三個條件同時滿足時，啟動一級水質(zhì)閾值報警；

(S9)當(dāng)T≤T₀、RH≤RH_min中任一條件滿足時，啟動越冬報警；

(S10)無報警信號發(fā)出，則數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入存儲，進入下一數(shù)據(jù)采集分析周期。

進一步的，限值閾值Ⅰ取值范圍是0-2。

進一步的，限值閾值Ⅱ取值范圍是0-10。

進一步的，限值閾值Ⅲ取值范圍是0-1。

本發(fā)明立足水體生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的需求，以溶解氧、氨氮及pH值為參考指標(biāo)對處理水域的水質(zhì)進行分析，并結(jié)合大氣溫濕度、光照強度、土壤溫濕度、電導(dǎo)率等營養(yǎng)土層狀態(tài)參數(shù)和黃/綠葉比例等葉面參數(shù)對浮床植物生長狀態(tài)進行監(jiān)測，針對生物浮床植物需及時采收的日常管理要求，對浮床植物的高度設(shè)置遠程報警閾值，構(gòu)建出一套具有智能監(jiān)測水質(zhì)和植物狀態(tài)，監(jiān)控浮床植物越冬環(huán)境，并可實現(xiàn)采收遠程報警的生物浮床裝置，降低生物浮床的管理人力投入，實現(xiàn)日常運營的智能化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的主體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明裝置的平面布置示意圖。

圖3為本發(fā)明裝置的信號流示意圖。

圖中，1為光照傳感器、2為大氣溫濕度傳感器、3為紅外接收器、4為傳感器固定桿一、5為土壤溫濕度傳感器、6為電導(dǎo)率傳感器、7為pH傳感器、8為氨氮傳感器、9為溶解氧傳感器、10單片機分析控制器、11為傳感器固定桿二、12為無線通訊器、13為紅外發(fā)射器、14為太陽能電池板、15為顏色傳感器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進一步說明。

參照附圖1和圖2，一種在線監(jiān)測、智能遠程報警的生物浮床，該生物浮床主要包括浮床床體、監(jiān)測系統(tǒng)、分析控制系統(tǒng)、遠程報警系統(tǒng)。

所述浮床床體由營養(yǎng)土層、浮床植物和傳感器固定桿一4、傳感器固定桿二11組成，PPR管材交叉排列，構(gòu)成浮床底部骨架，骨架上覆蓋雙層土工布，為浮床植物承載營養(yǎng)土層，防止土體流失。浮床四周圍擋由高度一致的PE板材首尾相接組成。浮床外周布有PPR管材串連的聚氯乙烯浮球串，為整個生物浮床裝置提供浮力。浮床植物選擇環(huán)境適應(yīng)性強、對環(huán)境污染脅迫耐受能力強、環(huán)境污染物去除能力強的品種，浮床植物可選單一品種或多品種按比例搭配。營養(yǎng)土層裝填在土工布之上，覆土高度不超過圍擋邊緣，主要作用是給浮床植物提供扎根介質(zhì)，也為浮床植物在冬季存活提供一定的保溫場所。浮床左右兩側(cè)有傳感器固定桿一4和傳感器固定桿二11。

本發(fā)明所述監(jiān)測系統(tǒng)，主要由大氣參數(shù)監(jiān)測模塊、土壤監(jiān)測模塊、水質(zhì)監(jiān)測模塊和植物狀態(tài)監(jiān)測模塊組成。大氣參數(shù)監(jiān)測模塊主要包括光照傳感器1和溫濕度傳感器，分別位于浮床邊緣一側(cè)的傳感器固定桿一4頂部和上部，可對光照強度、氣溫以及相對濕度等氣象條件進行監(jiān)測，為計算植物積溫等參數(shù)提供依據(jù)。土壤監(jiān)測模塊主要由溫濕度傳感器和電導(dǎo)率傳感器6組成，傳感器底部插入營養(yǎng)土層中，可表征營養(yǎng)土層水分和養(yǎng)分狀況，并為判斷植物越冬條件提供依據(jù)。水質(zhì)監(jiān)測模塊主要包括pH傳感器7、氨氮傳感器8和溶解氧傳感器9，傳感器貫穿營養(yǎng)土層透過浮床底部插入水體中，可實現(xiàn)對局部水域的水質(zhì)監(jiān)測，為判斷浮床處理效果提供依據(jù)。植物狀態(tài)監(jiān)測模塊主要由紅外發(fā)射器13、紅外接收器3和顏色傳感器15組成，其中紅外接收器3與紅外發(fā)射器13分別固定在傳感器固定桿一4和傳感器固定桿二11上，保持同一高度，可判斷植物生長高度是否超過采收高度閾值；顏色傳感器15固定在傳感器固定桿二11上可，發(fā)射紅、綠、藍3種顏色的光線在植物頁面上，根據(jù)反射光進行計算顏色的成分，然后和存儲的參照顏色值比較并判斷葉面的顏色，顏色傳感器15可360°繞傳感器固定桿二11旋轉(zhuǎn)，對隨機、多個視野內(nèi)的葉面顏色進行判斷。

所述分析控制系統(tǒng)，主要包括太陽能電池板14和單片機分析控制器10，其中太陽能電池板14固定在傳感器固定桿二11頂部，可為整個智能監(jiān)測遠程報警生物浮床裝置提供電力。單片機分析控制器10固定在傳感器固定桿二11底部，通過數(shù)據(jù)線分別與光照傳感器1、大氣溫濕度傳感器2、土壤溫濕度傳感器5、電導(dǎo)率傳感器6、pH傳感器7、氨氮傳感器8、溶解氧傳感器9、顏色傳感器15、紅外發(fā)射器13、紅外接收器3、無線通訊器12相連(信號流如圖3所示)，可實現(xiàn)對各傳感器數(shù)據(jù)的采集、分析、存儲和傳輸。

本發(fā)明所述遠程報警系統(tǒng)，主要包括無線通訊器12，通過數(shù)據(jù)線與分析控制系統(tǒng)連接，可接收分析控制系統(tǒng)的報警觸發(fā)信號，并將報警信息通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到用戶終端中，也能接收用戶對浮床裝置的參數(shù)設(shè)置信號，導(dǎo)入分析控制系統(tǒng)中。

一種智能監(jiān)測遠程報警生物浮床的測控方法，包括以下步驟：

(1)根據(jù)浮床植物的種類以及水域水質(zhì)要求，設(shè)定報警參數(shù)、監(jiān)測頻率和數(shù)據(jù)采集分析周期，記采收高度H_max、越冬溫度下限T_min、相對濕度下限RH_min、電導(dǎo)率上限EC_max、黃/綠葉面積比YGR_max、溶解氧下限D(zhuǎn)O_min、NH₃-N上限NH₃-N_max、pH下限pH_min、pH上限pH_max，并調(diào)節(jié)紅外發(fā)射器13和紅外接收器3至采收高度H_max，以浮床植物為美人蕉，水域水質(zhì)要求為地表水Ⅳ類為例，可設(shè)定H_max＝0.5m、T_min＝5℃、RH_min＝70％、EC_max＝4.0ms/cm、YGR_max＝1、DO_min＝3mg/L、NH₃-N_max＝1.5mg/L、pH_min＝6、pH_max＝9，監(jiān)測頻率為8次/天、數(shù)據(jù)采集分析周期為3天；

(2)開啟顏色傳感器15，對隨機、多角度視野內(nèi)植物葉面情況進行判斷，獲取初始黃面積數(shù)Y。、綠葉面積數(shù)G₀，記黃/綠葉面積比YGR₀＝Y(jié)₀/G₀，如YGR₀＝0.7；開啟土壤溫濕度傳感器5，獲得獲取營養(yǎng)土層狀體參數(shù)溫度T₀和濕度RH₀，如T₀＝15℃、RH₀＝80％；開啟電導(dǎo)率傳感器6，獲得獲取營養(yǎng)土層狀體參數(shù)電導(dǎo)率EC₀，如EC₀＝1.30ms/cm；開啟pH傳感器7、氨氮傳感器8、溶解氧傳感器9，獲得水域初始狀態(tài)參數(shù)pH₀、氨氮值NH₃-N₀、溶解氧DO₀、如pH₀＝5.8、NH₃-N₀＝2.0mg/L、DO₀＝2.5mg/L；

(3)開啟紅外發(fā)射器13和紅外接收器3，若植物生長至采收高度H_max，遮擋紅外發(fā)射器13發(fā)出的紅外信號，紅外接收器3不可接收紅外發(fā)射器13信號，記參數(shù)為1，若植物生長未達到采收高度H_max，紅外發(fā)射器13發(fā)出的紅外信號可被紅外接收器3接收，記參數(shù)為0；此例中，浮床植物美人蕉達到采收高度H_max＝0.5m，紅外接收器3紅外接收器3不可接收紅外發(fā)射器13信號，記參數(shù)為1；

(4)開啟光照傳感器1、大氣溫濕度傳感器2，獲取并存儲光照和大氣溫濕度數(shù)據(jù)，為日常管理提供參考數(shù)據(jù)；

(5)數(shù)據(jù)采集分析周期內(nèi)，取紅外接收器3數(shù)據(jù)的眾數(shù)M為表征參數(shù)，取顏色傳感器15、土壤溫濕度傳感器5、電導(dǎo)率傳感器6、pH傳感器7、氨氮傳感器8、溶解氧傳感器9監(jiān)測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為表征參數(shù)，分別為黃/綠葉面積比YGR、土壤溫度T、土壤相對濕度RH、電導(dǎo)率EC、pH、氨氮值NH₃-N、溶解氧DO，如M＝1、YGR＝0.7、T＝16℃、RH＝90％、EC＝1.38ms/cm、DO＝1.7mg/L、NH₃-N＝3mg/L、pH＝5.8；

(6)當(dāng)M＝1、中任一條件滿足時，啟動采收報警，并存儲數(shù)據(jù)，進入下一數(shù)據(jù)采集分析周期，此例中M＝1、YGR＜YGR_max，啟動采收報警；

(7)當(dāng)|pH-pH₀|≥限定閾值Ⅰ，[NH₃-N]/[NH₃-N₀]≥限定閾值Ⅱ，[DO]/[DO₀]≤限定閾值Ⅲ，中三個條件滿足其中一個時，啟動三級水質(zhì)波動報警；當(dāng)三個條件中某兩個同時滿足，啟動二級水質(zhì)波動報警；當(dāng)上述三個條件同時滿足時，啟動一級水質(zhì)波動報警；如限定閾值Ⅰ＝2、限定閾值Ⅱ＝1.5、限定閾值Ⅲ＝0.75，此例中|pH-pH₀|＝0，[NH₃-N]/[NH₃-N₀]＝1.5，[DO]/[DO₀]＝0.68，|pH-pH₀|＜限定閾值Ⅰ，[NH₃-N]/[NH₃-N₀]＞限定閾值Ⅱ，[DO]/[DO₀]＜限定閾值Ⅲ，啟動二級水質(zhì)波動報警；

(8)當(dāng)pH≥pH_max或pH≤pH_min、NH₃-N≥NH₃-N_max、DO≤DO_min中三個條件滿足其中一個時，啟動三級水質(zhì)閾值報警；當(dāng)三個條件中某兩個同時滿足，啟動二級水質(zhì)閾值報警；當(dāng)上述三個條件同時滿足時，啟動一級水質(zhì)閾值報警；此例中，pH(5.8)≤pH_min(6)、NH₃-N(3mg/L)≥NH₃-N_max(1.5mg/L)、DO(1.7mg/L)≤DO_min(3mg/L)，啟動一級水質(zhì)閾值報警；

(9)當(dāng)T≤T₀、RH≤RH_min中任一條件滿足時，啟動越冬報警，并存儲數(shù)據(jù)，進入下一數(shù)據(jù)采集分析周期；此例中，T(16℃)＞T₀(5℃)、RH(90％)＞RH_min(70％)，無越冬報警。

(10)無報警信號發(fā)出，則數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入存儲，進入下一數(shù)據(jù)采集分析周期。