关键词： 自主巡航车   视觉导航   图像增强   障碍物检测   视觉定位  

摘要： 随着水产养殖向密集化、高产率的模式发展,室内养殖凭借周期短、产量高等优势,逐渐成为水产品重要来源。室内高密度养殖方式加剧了水质污染,影响水产品存活率并危害食用者健康,因此对室内养殖池进行水质检测至关重要。相较于人工和无线传感网络,自主巡航车只需搭载一套设备就能自动检测所有养殖池,降低设备成本的同时提高了检测效率。导航作为自主巡航车的关键,是水质检测可靠进行的保证。考虑到视觉导航采集信息丰富、适用于各种复杂环境,本文利用机器视觉实现巡航车导航,并对其中关键的导航技术进行研究,主要内容如下:首先通过分析导航环境和需求,制定适合本课题的技术方案。根据具体需求和方案,设计巡航车硬件系统,并对其中重要的摄像头模块进行标定,确保能够采集到可靠的导航图像。然后水产养殖基地环境特殊,部分区域存在光线暗和光照不均匀现象,影响正常视觉导航。针对传统MSR算法计算量大、运行速度慢的问题,提出改进的快速图像增强算法。将图像快速变换到HSV空间,并对其中V通道进行Haar小波分解,最后使用均值滤波代替高斯滤波实现快速图像增强。通过实验证明,改进后算法相较于传统MSR和其他快速增强算法运行速度得到提高,并且能够在低光照环境下实现较好的增强效果。接着为了解决嵌入式设备上深度卷积网络难以快速准确检测障碍物的难题,对传统的SSD检测网络进行改进。利用轻量级网络Mobilenet V3替代原主干网络VGG16,删除部分非关键检测特征,并优化网络的损失函数。制作养殖基地的障碍物数据集,并利用数据集训练改进后的网络。最终得到的网络在英伟达开发板上运行速度达到15.6FPS,相较于Mobilenet V2-SSD快了44.4%,同时识别精度也略有提高。最后考虑到养殖池过道环境特征,利用养殖池壁和地面交界处灰度值分割出导航区域,并拟合区域中心线来提取导航方向角。通过识别养殖池标号数字完成巡航车全局定位,同时使用拟合后的单目视觉模型计算车辆和养殖池标号距离,实现导航局部定位。最终经过实验得出,导航方向角提取的误差在2°以内,视觉定位的精度为±8厘米,满足实际导航需求。

关键词： 水质检测   无人船   Pixhawk4   传感器   自主巡航   Qt  

摘要： 随着我国经济发展与工业建设进程的不断加快,地表水污染现象愈发严重,急需采取措施进行治理。水质检测是水污染治理的前提,针对河流、湖泊传统检测方法在灵活性、便捷性与实时性等方面存在的不足,本课题研制了一款水质检测无人船,选用Pixhawk4为核心控制板,搭载水质检测传感器对目标水域进行水质检测,将获取的水质数据发送至水质信息软件端并对数据进行显示、存储和统计,能够快速、准确地定位相关污染源。本文具体工作内容如下:(1)根据水质检测无人船的设计需求进行总体方案设计,将系统划分为无人船模块、通讯模块和水质信息模块。选用Pixhawk4作为无人船主控板,对船体、推进方式及相关元器件进行设计和选择,对现有的远程通讯手段进行了分析,搭建了基于4G的无线通讯网络,根据我国水质检测相关标准选择相应的水质传感器并阐述水质信息模块的结构。(2)设计并实现了无人船模块的控制、导航与避障功能。首先对无人船运动模型和控制方案进行分析与设计并在ArduPilot代码基础上进行开发,通过仿真计算确定了动力部件相关参数。其次选择组合导航的方式使用扩展卡尔曼滤波算法对GPS与IMU传感器数据进行了融合,提高了无人船的定位精度,使用L1制导控制算法完善了无人船的航向控制功能。最后设计了以超声波传感器为核心的避障策略,保障了无人船安全航行。(3)设计并实现了水质信息采集功能。首先设计了无人船水质检测的工作流程,其次以树莓派3B为控制板,基于Modbus协议编写了传感器数据采集程序,设计了基于V4L2的双目相机图像采集系统,最后使用C++基于Qt和MySQL编写了水质信息软件,搭建了水质信息数据库,实现了水质信息的实时接收、显示、分类存储和查阅。(4)安装并调试无人船系统,对其运动、导航、避障和水质检测等功能进行测试。实验结果表明,本课题设计的无人船能够满足设计需求,具有良好的性能。

关键词： 水质检测   三维荧光光谱   反激拓扑   系统设计  

摘要： 近年来，随着工业活动及城市化进程对水体生态系统的影响越来越显著，对水体污染的防治及水资源保护也变得越来越迫切。三维荧光光谱技术相比传统的荧光检测技术具有高灵敏度、高选择性、快速实时等优点，受到国内外企业和高校的广泛研究和关注，成为了当前水质检测领域的研究热点。而由于国内荧光光谱技术研究起步较晚，仪器性能与国外存在一定的差距，因此对三维荧光光谱检测系统进行研究是很有必要的。　　本文首先对三维荧光光谱检测技术的相关原理与技术进行了介绍与分析，对基于反激拓扑方法与RC隔离触发网络的短弧脉冲氙灯驱动电源进行了设计，并设计了基于Czerny-Turner结构的单色仪，最后搭建了三维荧光光谱采集系统。本文的主要工作与成果归纳如下：　　（1）基于反激拓扑方法与RC隔离触发网络的短弧脉冲氙灯驱动电源：针对现有的短弧脉冲氙灯电源存在明显的阻尼振荡等现象，提出了一种基于反激拓扑方法与RC隔离触发网络的短弧脉冲氙灯驱动电源设计，对驱动电源反激升压电路、二级级联脉冲触发电路、主电压放电回路、脉宽调制电路、反馈电路及RC隔离触发网络等模块进行了设计。　　（2）基于Czerny-Turner结构的单色仪：设计了基于闪耀光栅的对称式Czerny-Turner分光光学系统，使用ZEMAX光学仿真软件对光学系统的可行性进行了验证，并根据仿真结果利用Solidworks软件设计了单色仪的机械结构模型，最后对单色仪进行了实现。　　（3）三维荧光光谱采集系统的搭建、调试与分析：首先完成了短弧脉冲氙灯驱动电源的调试与实验分析，验证了所设计驱动电源的可行性，并有效抑制了放电产生的阻尼振荡，避免对储能电容造成二次充电，有效提高了储能电容及短弧脉冲氙灯的放电次数及寿命。其次通过线性拟合对单色仪输出波长进行了定标，最后搭建了三维荧光光谱采集系统，通过罗丹明B水溶液的三维荧光光谱采集实验验证了所搭建系统的可行性。

关键词： 紫外-可见吸收光谱   硝酸盐   COD   浊度   数据分析   水质检测  

摘要： 硝酸盐和化学需氧量(COD,chemical oxygen demand)是水质监测常见指标,传统检测方法多以“现场采样-实验室分析”为主,需要复杂前处理、过程耗时、成本较高,难以实现水质快速在线监测以及原位剖面调查应用。与之相比,紫外-可见吸收光谱法具有快速、成本低、无需样品预处理等特点,是实现水体硝酸盐和COD现场快速在线测量及原位剖面调查应用的重要手段。目前,基于紫外-可见吸收光谱法的水体硝酸盐和COD测量仍存在悬浮颗粒物散射以及有机物吸收光谱干扰导致的定量测量难题。基于此,论文开展水体硝酸盐及COD紫外-可见吸收光谱数据定量分析方法研究,实现水体硝酸盐及COD的快速同时分析,为发展现场快速在线测量及原位剖面调查应用仪器提供方法,具有重要的科学意义与应用价值。论文研究工作及取得主要成果如下:(1)针对水体有机物定量反演中悬浮颗粒物散射影响,研究了基于Mie散射理论的水体浊度干扰去除方法。基于Mie散射理论建立了 400-700nm波段颗粒物散射光谱解析模型,研究了不同归一化方法(最大最小归一化、最大值归一化以及总和归一化)对400-700nm颗粒物散射光谱拟合的影响,结果表明总和归一化获得的400-700nm拟合光谱与测量光谱具有较好一致性,其平均相对误差为0.48%,最大相对误差为6.65%,有效获取了 400-700nm颗粒物拟合光谱、粒子数及粒径信息;利用颗粒物的这些参数信息结合由朗伯-比尔定律和Kramers-Kroning关系确定的颗粒物复折射率对颗粒物拟合光谱进行二次反演,获取了220-400nm波段颗粒物散射光谱;将待测溶液220-700nm实测吸收光谱与颗粒物220-700nm散射光谱进行差分,实现了紫外-可见吸收光谱中颗粒物散射光谱的有效去除。在此基础上,利用浊度干扰去除后的220-400nm光谱,研究建立了基于PLS算法的COD分析模型。结果表明,与颗粒物散射光谱去除前相比,COD反演值与真实值之间的决定系数R2由0.1897提高至0.9506,反演值均方根误差由21.49 mg/L 降低至 3.04 mg/L。(2)针对有机悬浮颗粒物存在水体硝酸盐准确定量反演中浊度干扰难以去除问题,研究了基于二阶导数的硝酸盐吸收光谱建模方法,以220-260nm波段二阶导数光谱实现了硝酸盐浓度反演。结果表明,对于有机颗粒物存在水体,二阶导数光谱法较Mie散射校正法反演结果更好,与浊度干扰去除前以及基于Mie散射理论校正方法相比,硝酸盐反演值与真实值之间决定系数R2从0.6281、0.9081增加至0.9734,反演值均方根误差从7.35 mg/L、3.62 mg/L降低至1.21 mg/L。(3)针对水体有机物与硝酸盐吸收光谱交叉重叠影响硝酸盐定量分析问题,研究了基于COD归一化吸收光谱校正方法。根据浓度归一化后COD吸收光谱与浓度计算出COD在220-260nm吸收光谱,并在水体吸收光谱中扣除COD计算光谱,从而消除有机物吸收对硝酸盐定量分析影响。结果表明,与COD光谱去除前相比,硝酸盐反演值与真实值之间决定系数R2从0.3056增加至0.9937,均方根误差从17.51 mg/L降低为0.88 mg/L。(4)针对水体硝酸盐、COD和浊度同时反演,研究了紫外-可见吸收光谱分段解析方法。选取225-260nm、260-320nm和320-700nm分别作为硝酸盐、COD和浊度反演特征波段,分别对225-320nm和225-260nm光谱去除浊度及有机物干扰,基于PLS算法实现了水体硝酸盐、COD和浊度浓度的同时解析。对比研究了 COD反演中Mie散射理论、导数光谱以及多元散射校正浊度干扰去除方法。结果表明,浊度反演值与真实值之间决定系数R2为0.9981,反演值均方根误差为0.70NTU;基于多元散射校正后COD反演值与真实值之间决定系数R2为0.9824,反演值均方根误差为2.34 mg/L,优于导数光谱及Mie散射校正方法;有机物干扰去除后,硝酸盐反演决定系数R2由0.1986提高到0.9895,均方根误差由 21.61mg/L 降到了 1.29 mg/L。(5)将kmeans聚类与紫外-可见吸收光谱相结合,研究了实际地表水中硝酸盐、COD和浊度检测方法。通过kmeans聚类算法将具有相似紫外-可见吸收光谱特征水样聚为一类,采用不同方法(Mie散射、多元散射校正和导数光谱)进行浊度补偿,基于PLS算法分别对400-700nm测量光谱、220-260nm以及260-320nm浊度补偿后的光谱分析,建立浊度、硝酸盐及COD定量反演模型。结果表明,浊度反演值与实验室测量值之间决定系数R2为0.8079,反演值均方根误差为11.92 NTU;浊度补偿后硝酸盐反演值与实验室测量值之间决定系数R2为0.9073,反演值均

关键词： 智慧渔业   物联网   水产养殖   水质检测  

摘要： 水产养殖业作为浙江省渔业经济的支柱型产业,其发展不仅有利于扩大沿海城市的水产品市场,对于帮助构建现代化渔业体系也具有重要价值。2016年浙江省政府工作报告正式提出要加快渔业物联网的示范应用建设,在此背景下“物联网+”型产业已成为当前我国产业模式创新的基本导向。浙江省正处于全面推动渔业智慧化转型升级的重要时期,发展“物联网+水产养殖业”是实现渔业智慧化发展的关键。本文对国内外“物联网+水产养殖业”研究的具体情况进行整理归纳,阐述“物联网技术”、“智慧养殖渔业”等相关概念定义,根据浙江省当前的发展现状,分析物联网应用对智慧养殖渔业发展的必要性。通过智慧养殖渔业产业链的构建,列出物联网在智慧养殖渔业产业链中各个环节中的应用。再针对嵊泗贻贝养殖的发展现状选择合适的海水水体溶解氧、浊度、酸碱度、温度传感器,基于无线通信网络设计一套水产养殖用水质信息检测装置,以实现对贻贝养殖水域水质的检控方案,提高嵊泗贻贝养殖管理的效率。最后对浙江智慧养殖渔业物联网目前发展还存在的问题进行分析,相应提出浙江省渔业物联网应用未来的研究方向及发展对策。希望通过本研究,能为促进浙江省物联网应用与智慧养殖渔业发展更好地有机结合提供一些理论和应用上的启示。

关键词： 废水   水质检测   误差分析   原因   处理方法  

摘要： 随着绿色发展观念贯彻在我国建设、生产全过程,人们的生态环保意识也有所提升。环境污染的主要来源之一就是污水排放,因此废水检测工作越来越受到人们的重视。然而,在污水水质检测过程中,经常会出现检测出现误差的问题,而检测误差数据的处理是废水检测过程中必不可少的环节,也是提高污水水质检测准确度的一种手段。本文分析了污水水质检测工作的重要性及意义,并研究分析造成水质检测误差的因素,同时对数据处理方法进行探讨。

关键词： 工业锅炉   精确排污   自动除垢   电导率检测   远程通讯  

摘要： 工业锅炉目前在我国国民经济体系中,是国民生产生活中主要供能设备。锅炉作为高耗能、高污染、高风险的特种设备,在日常工作运行中存在排污不合理、工作效率低、安全性低、监管不统一规范等问题。首先是排污问题,水质检测是决定工业锅炉是否排污的重要途径,工业锅炉水质检测中对指标的检测大多数采用手动采样检测的方法,司炉工人凭借经验对检测指标判断从而采取相关措施对锅炉进行手动排污,这就会造成很多排污不合理的问题,此外手动检测也会造成检测结果误差较大。其次是锅炉结生水垢问题,水垢是影响锅炉运行效率和安全的主要因素,在目前工业锅炉运行现场锅炉结生水垢之后是司炉工人凭借经验除垢,人工操作也会出现判断不准确以及一些安全隐患。最后是上级部门对不同的锅炉缺乏统一规范的管理,工业锅炉在运行过程中出现问题得不到及时解决,也不能及时排查隐患,造成严重的问题。针对以上问题,广东省特种设备检测研究院承担了广东省NQI政府计划项目,委托哈尔滨理工大学研制一种工业锅炉水质检测和自动排污控制器。本文通过检测锅炉炉水中电离子浓度,设置精确排污阈值范围,实现工业锅炉自动精确排污。建立除垢模型确定结生水垢的金属壁和除垢后金属壁温差与水垢厚度的关系,实现工业锅炉自动加药除垢。远程通讯实现锅炉运行状态参数的上传和远程管理。在装置的硬件电路设计中主要有数字接口部分、电导率测量部分、温度测量部分、开关量和模拟量输出部分。本装置可实现两路电导率和七路温度测量,采用双路24bit ADC采集测量信号,两个通道可自动切换通过模拟开关组合实时检测电导率和温度,本装置还可输出4-20m A程控精密工作电流,可驱动工作现场外设端接设备工作。在软件设计中本装置可通过触摸屏完成人机交互,通过触摸屏设置相关参数和配置资源,用4G模块完成远程通讯功能。经过两轮调试改版完善,本装置具有可移植性高、体积小、可便携、操作简便、支持多种接口等优势。装置目前实现基本的软硬件功能,达到预期的设计目标。

关键词： 水质检测技术   国内外现状   发展  

摘要： 水质检测是水污染防治的重要环节,了解国内外水质参数检测技术发展现状,对我国的水质检测技术的发展具有重要意义。该文综述了国内外水质检测的发展历史、代表产品、技术发展情况。相比之下,国外水质检测技术已经比较成熟,而国内还存在水质检测技术还不够先进,水质检测产品功能还不够全面,水质检测人才还比较稀缺的问题。针对上述这些问题提出了相关建议并预测了我国水质检测技术未来发展趋势。

关键词： 水质检测   机器学习   荧光光谱   光谱降噪  

摘要： 水质安全关系到每位居民的身体健康,可靠便捷的水质检测技术能够为居民的饮用水安全提供保障。传统的水质检测技术操作复杂,效率低,机器学习在分类识别领域性能出色,因此,基于机器学习的水质光谱检测技术具有速度快、易操作和灵敏度高等特点。本文选取酚磺乙胺、盐酸异丙嗪和盐酸氯丙嗪3种药品和个人护理品(Pharmaceuticals and Personal Care Products,PPCPs)水质污染物作为检测对象,分别配置不同浓度的样品溶液进行荧光光谱采集。本文深入研究了基于机器学习的水质光谱图分类与识别,着重研究光谱预处理技术对于模型分类识别能力的提升,不同机器学习算法对光谱图分类性能的影响。为研究光谱预处理技术对算法分类性能的影响,本文选取Savitzky-Golay(SG)卷积平滑法和中值滤波法分别对采集的490个荧光光谱进行降噪预处理。对3种水质污染物,本文分别选取3种浓度的原始光谱、SG平滑后的光谱和中值滤波后的光谱进行初步分析,其中,中值滤波法的信噪比要优于SG卷积平滑法。为研究不同机器学习算法对光谱图分类性能的影响,本文选择支持向量机(Support Vector Machine,SVM)、随机森林(Random Forest,RF)和极限梯度提升(Extreme Gradient Boosting,XGBoost)算法进行研究,分别使用原始光谱、SG平滑后的光谱和中值滤波后的光谱进行训练和测试,并使用网格搜索算法对模型进行优化。通过实验结果表明,机器学习技术对于水质污染物光谱的分类识别具有较高的性能,而且降噪预处理能在一定程度上提升算法分类的准确性,中值滤波法的性能较好。其中,支持向量机的性能最高,准确率都能达到100%,实验速度也较快,能达到0.18s;随机森林的速度能比支持向量机快,但准确率不如支持向量机和XGBoost。基于实验结果,本文通过Python搭建水质污染物检测的应用软件。本论文构建基于机器学习算法的水质光谱识别模型,实现对水质污染物的快速检测,对于水质检测具有一定价值,对于保障水质安全有一定意义。

关键词： 激光诱导击穿光谱   水质检测   重金属   定性定量分析  

摘要： 作为自然界运转和人类社会发展的基础,水资源的质量决定着生命质量,健康的水资源和水环境是自然环境状态和人类生命安全的屏障。面对目前水体污染日益严重的现状,水质检测在水资源评估和水环境保护中扮演着至关重要的角色。激光诱导击穿光谱基于原子发射光谱的传统原理,在用于元素分析时与其他传统检测方法相比,具有短时间和多元素分析以及对样品无形态限制和附加污染等诸多优势。本文开展了该技术在水中金属元素定性分析和定量检测中的应用研究,主要内容有:首先,从激光诱导击穿光谱基本原理出发,设计并搭建激光诱导击穿光谱软硬件系统。利用脉冲激光器、透镜、光纤、光谱仪以及光电转换和延时模块组成系统的硬件部分,基于LabVIEW平台编写软件程序,包括系统的实时控制、光谱信息的读取、光谱数据的处理以及定性分析和定量计算。其次,选择焊锡、磷青铜片等典型的固体金属样品,对系统的光谱预处理、定性定量分析功能进行验证。检测结果表明,系统软硬件部分工作正常,可被用于后续实际水样的检测。最后,利用该系统开展实验室定标和实际水样的相关实验及分析。以石墨片为液体样品的富集基底,进行Cu、Ca、Mn、Al、Cr元素的外标实验和以Na为内标元素的内标实验并分别建立定标模型,各元素的实验结果线性关系表现良好。在此基础上采集不同实际水样,在属于淡水的自来水、河流入海口水样和三个地点的海水样品中,除了检测到常见的Na、Mg、Ca、Sr、Ba,还可能存在Cr、Fe、Mn、Al和Cu等金属污染。利用建立好的不同定标模型对各样品的部分元素成分进行定量计算,得到其含量预测值,其中远遥海域水样检出的金属污染元素种类最少且含量相对较低。本文的研究结果表明,激光诱导击穿光谱技术可作为一种半定量或定量辅助手段在实际水样的金属元素检测中进行应用。