技术领域
[0001] 本
发明涉及水质分析技术领域，尤其涉及一种新型的在线水质分析系统及其实现方法。
背景技术
[0002] 随着我国工业化
进程的不断加快，水环境问题也成了生态环境治理的重要课题。而处理水环境问题的重要一环就是进行水质监测。水质监测，是监视和测定
水体中污染物的种类、各类污染物的浓度及变化趋势，评价水质状况的过程。监测范围十分广泛，包括未被污染和已受污染的天然水(江、河、湖、海和
地下水)及各种各样的工业排水等。主要监测项目可分为两大类：一类是反映水质状况的综合指标，如
温度、
色度、
浊度、pH值等；另一类是一些有毒物质，如氰、砷、铅、铬、镉、汞和有机
农药等。当前我国水质监测技术主要以理化监测技术为主，包括化学法、电化学法等方法。
[0003] 最常见的对水质进行分析检测的方法是化学法，在实施使用化学法的过程中存在如下的问题：化学法需要操作的步骤较多，如果采用人工操作则往往需要耗费较多人
力；但是如果使用机器代替人力，常见的在线水质分析仪大多只能检测一种化学参数，而且无法更改分析仪的化学反应流程，那么在面对需要分析较多化学参数的复杂水样时，就需要配置多台在线水质分析系统。因此以往的系统和方法缺乏对复杂水文情况的适应性，也缺乏在实际应用中的便利性。
发明内容
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种新型的在线水质分析系统及其实现方法。
[0005] 一种新型的在线水质分析系统，包括有水样运输模
块和
工作台；所述工作台上侧设置有水样采集模块、摄像头、
机械臂及
舵机、水样分析模块、树莓派主控板和上位机；
[0006] 其中水样运输模块，用于将河流中的水运输至工作台，以及将
采样后的水运输至河流；
[0007] 其中工作台，用于对水质进行在线分析；
[0008] 其中水样采集模块，用于连接水样运输模块和工作台，还用于水样分析模块提取水样；
[0009] 其中水样分析模块，用于对提取的水样进行分析，并将分析的结果传入树莓派主控板；
[0010] 其中摄像头，用于拍摄水样分析模块的图片，将拍摄的图片传入树莓派主控板；
[0011] 其中机械臂及舵机，用于实现对水样分析模块的控制；
[0012] 其中树莓派主控板，用于进行
图像处理运算，以及实现与上位机通信，还用于获取运动轨迹参数，将舵机
角度转化为PWM数据
波形，以及对舵机进行驱动控制；
[0013] 所述上位机，用于设定机械臂需要完成的动作，以及控制机械臂的
位置，还用于按照规定的时间间隔生成舵机角度的参数序列，以及将参数序列保存在上位机的
存储器中。
[0014] 优选地，水样分析模块，包括有：第一试管架、第二试管架、滴管和比色计；
[0016] 其中第二试管架，用于进行化学反应；
[0017] 其中比色计，用于对化学检测反应的结果进行
光谱分析，以及将分析结果通过USB或第一串口回传至树莓派主控板中。
[0018] 其中滴管标有刻度，内置浮片，用于取用液体试剂，还用于释放液体试剂，将液体试剂移动到比色计。
[0019] 优选地，树莓派主控板包括有树莓派模块，第一USB
接口，第一串口，第二USB接口，第二串口，舵机电平转换及保护
电路，供电电源，显示屏；
[0020] 其中树莓派模块，用于进行图像处理运算，以及将舵机角度转化为PWM波形，还用于发起与上位机的通信，以及读取闪存参数，还用于将运动轨迹参数序列进行存储；
[0021] 其中第一USB接口和第一串口，用于连接上位机和树莓派模块，使树莓派模块和上位机通讯；
[0022] 其中第二USB接口和第二串口，用于连接比色计和树莓派模块，使树莓派模块和比色计通讯；所述舵机的电平转换及保护电路，用于将树莓派引脚上的
电压转化为舵机的工作电压，以及将PWM波形传送到下一级电路；
[0023] 其中供电电源用于给树莓派主控板和舵机供电；
[0024] 其中显示屏用于显示水质参数。
[0025] 优选地，机械臂及舵机在机械臂抓手端位置连接有夹持器，其中夹持器用于夹持滴管，通过夹持滴管
橡胶乳头控制滴管液体的释放量。
[0026] 本发明还提供一种新型的在线水质分析系统的实现方法，包括以下步骤：
[0027] 通过初始化设置，预设机械臂的操作；
[0028] 通过机械臂操作滴管提取水样，并根据水样得到待分析试剂；
[0029] 通过比色计对待分析试剂进行分析，获得水质参数；
[0030] 通过显示器显示水质参数，并保存结果。
[0031] 优选地，通过机械臂操作滴管提取水样，并根据水样得到待分析试剂这一步骤，包括以下步骤：
[0032] 通过摄像头拍摄滴管照片，传入树莓派芯片进行图像处理识别；
[0033] 通过树莓派判断滴液的液量；
[0034] 若是滴液的液量不足，则加大夹持器的夹持角度，增加滴液量；反之，则控制机械臂移动到下一
指定位置。
[0035] 优选地，通过初始化设置，预设机械臂的操作这一步骤，还包括以下步骤：设置工作台部件的初始坐标，坐标使用三维
坐标系配置，以工作台中心点为坐标原点。
[0036] 优选地，通过机械臂操作滴管提取水样，并根据水样得到待分析试剂这一步骤，包括以下步骤：
[0037] 将机械臂移动到预设的坐标点；
[0038] 对夹持器的夹持角度进行控制；
[0039] 将滴管放回至第一试管架中。
[0040] 优选地，通过树莓派判断滴液的液量这一步骤，还包括以下步骤：
[0041] 读取图像的RGB矩阵，根据所述RGB矩阵
定位出滴管中的刻度和浮片；
[0042] 以及根据定位结果，得到浮片所在位置的体积量。
[0043] 优选地，反之，则控制机械臂移动到下一指定位置这一步骤，还包括以下步骤：
[0044] 从上位机下载运动序列数据，得到机械臂抓手端坐标；
[0045] 通过坐标得到舵机角度序列；
[0046] 将舵机角度转化为PWM波形；
[0047] 使用波形控制机械臂运动。
[0048] 本发明的一个或多个技术方案具有以下有益效果：通过上述技术方案，本发明使用摄像头、机械臂及舵机、水样分析模块、树莓派主控板和上位机对水样分析流程以及化学反应进行控制，可以通过
修改参数以改变化学反应流程，因此本发明具有调整化学反应的步骤顺序的功能，便于根据实际情况变更操作，从而节省了人力资源，提升了系统对复杂水文情况的适应能力；同时，由于水样分析模块可以放置多个试管或烧杯用于化学反应，每个预设的化学反应可以分别对某个参数指标进行分析，因此本发明可以同时监测和分析多种水样中的参数指标，方便了实际中的应用。
附图说明
[0049] 图1是本发明
实施例的一种新型的在线水质分析系统的结构示意图；
[0050] 图2是本发明实施例的一种新型的在线水质分析系统的工作台的结构示意图；
[0051] 图3是本发明的电路连接示意图；
[0052] 图4是本发明的滴管的结构示意图；
[0053] 图5是本发明第一种新型的在线水质分析系统的实现方法的
流程图；
[0054] 图6是本发明第二种新型的在线水质分析系统的实现方法的流程图；
[0055] 图7是本发明第三种新型的在线水质分析系统的实现方法的流程图；
[0056] 图8是本发明树莓派模块包含的
基础动作函数库的示意图；
[0057] 图9是本发明实施例的一种新型的在线水质分析系统及其实现方法的流程图。
具体实施方式
[0058] 下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细描述。
[0059] 参照图1和图2，本发明实施例提供了一种新型的在线水质分析系统及其实现方法，包括有水样运输模块和工作台；所述工作台上侧设置有水样采集模块、摄像头、机械臂及舵机、水样分析模块、树莓派主控板和上位机；
[0060] 所述水样运输模块，用于将河流中的水运输至工作台，以及将采样后的水运输至河流；包括有进水管路、水
泵和出水管路，一般水样运输模块从河流取水点中取水；
[0061] 所述工作台，用于对水质进行在线分析，一般工作台设置在检测站设备房；
[0062] 所述水样采集模块，用于连接水样运输模块和工作台，还用于水样分析模块提取水样；水样采集模块包括有顺序连接的入水管、引
流管和
排水管，引流管上设置有开口的取样凹槽。
[0063] 所述水样分析模块，用于对提取的水样进行分析，并将分析的结果传入树莓派主控板；包括有：第一试管架、第二试管架、滴管和比色计；所述第一试管架，用于摆放试剂管；所述第二试管架，用于进行化学反应；所述比色计，用于对化学检测反应的结果进行光谱分析，以及将分析结果通过USB或第一串口回传至树莓派主控板中；所述滴管标有刻度，内置浮片，用于取用液体试剂，还用于释放液体试剂，将液体试剂移动到比色计。
[0064] 所述摄像头，用于拍摄水样分析模块的图片，将拍摄的图片传入树莓派主控板；
[0065] 所述机械臂及舵机，用于实现对水样分析模块的控制；
[0066] 所述树莓派主控板，用于进行图像处理运算，以及实现与上位机通信，还用于获取运动轨迹参数，将舵机角度转化为PWM数据波形，以及对舵机进行驱动控制；包括有树莓派模块，第一USB接口，第一串口，第二USB接口，第二串口，舵机电平转换及保护电路，供电电源，显示屏；
[0067] 所述上位机，用于设定机械臂需要完成的动作，以及控制机械臂的位置，还用于按照预设的时间间隔生成舵机角度的参数序列，以及存储该参数序列。
[0068] 其中树莓派模块，用于进行图像处理运算，以及将舵机角度转化为PWM波形，还用于发起与上位机的通信，以及读取闪存参数，还用于将运动轨迹参数序列进行存储；
[0069] 进一步作为优选的实施方式，如图3所示，树莓派模块分别与上位机、比色计、摄像头、显示屏和舵机电平转换及保护电路电连接，供电电源分别与树莓派模块、舵机电平转换及保护电路和夹持器电连接。供电电源为它连接的模块供电。其中第一USB接口和第一串口，用于连接上位机和树莓派模块，使树莓派模块和上位机通讯；其中第二USB接口和第二串口，用于连接比色计和树莓派模块，使树莓派模块和比色计通讯；舵机的电平转换及保护电路，用于将树莓派引脚上的电压转化为舵机的工作电压，以及将PWM波形传送到下一级电路；
[0070] 参考图4，滴管包括有浮片、刻度、玻璃管主体和橡胶乳头。刻度刻印在玻璃管主体25外侧，浮片设置在玻璃管主体内部，橡胶乳头设置在玻璃管主体一端。浮片在滴管装有液体的时候漂浮于液体表面，而且为了方便在摄像头拍摄时，可以清楚地区分浮片和背景，浮片的
颜色一般设置为黑色。
[0071] 基于图1所示的系统，本发明实施例还提供了一种新型的在线水质分析系统的实现方法，参考图5，包括以下步骤：
[0072] S101，通过初始化设置，预设机械臂的操作；
[0073] S102，通过机械臂操作滴管提取水样，并根据所述水样得到待分析试剂；
[0074] S103，通过比色计对待分析试剂进行分析，获得水质参数；
[0075] S104，通过显示器显示水质参数，并保存结果。
[0076] 所述水样得到待分析试剂的过程，一般是化学反应，化学反应的步骤在初始化设置中已经设置完成。同时，初始化设置还会设置工作台各部件的初始坐标，该初始坐标是三维坐标系的坐标，坐标原点为原工作台的中心点；预设机械臂的操作，如机械臂D-H参数，以及设置定时试验的时间周期，和选择下位机通信方式等等。
[0077] 参考图6，通过机械臂操作滴管提取水样，并根据所述水样得到待分析试剂这一步骤，包括以下步骤：
[0078] S201，将机械臂移动到预设的坐标点；
[0079] S202，对夹持器的夹持角度进行控制；
[0080] S203，摄像头拍摄滴管照片，传入树莓派模块进行图像处理识别；
[0081] S204，树莓派模块判断滴液的液体量；
[0082] 若是滴液的液量没有达到预设的液量，则执行步骤S206，反之，则执行步骤S206；
[0083] S205，加大夹持器的夹持角度，增加滴液量，然后执行步骤S204；
[0084] S206，控制机械臂移动到下一指定位置。
[0085] 其中，通过树莓派模块判断滴液的液量时，判断方法是：读取图像的RGB矩阵，根据所述RGB矩阵定位出滴管中的刻度和浮片，以绿色刻度线为例，其判断标准为图像的
像素满足G>200，R<50，B<50；以及根据定位结果，得到浮片所在位置的体积量，浮片所在位置体积量的计算方法为：记两端的刻度线在图像中的坐标为上端(X1，Y1)，下端(X2，Y2)，上端对应的滴管毫升量为L1，下端对应的滴管毫升量为L2，浮片对应坐标为(X3，Y3)。则浮片所在位置的体积量为
[0086] 参考图7，若是滴液的液量的液量没有达到预设的液量，则加大夹持器的夹持角度，增加滴液量；反之，则控制机械臂移动到下一指定位置这一步骤，还包括以下步骤：
[0087] S301，从上位机下载运动序列数据，得到机械臂抓手端坐标；
[0088] S302，通过机械臂抓手端坐标得到舵机角度序列；
[0089] S303，将舵机角度转化为PWM波形；
[0090] S304，使用波形控制机械臂运动。
[0091] 其中PWM波形
信号的产生原理如下：电平转换及保护电路将树莓派GPIO引脚上的PWM电压从3.3伏转化为舵机的5V，PWM信号通过光耦隔离传送到下一级电路。方波信号经过光耦传输后，前沿和后沿会发生畸变，因此
反相器采用CD40106施密特反相器对光耦传输过来的信号进行整形，产生标准的PWM方波信号。
[0092] 如图8所示，在控制机械臂移动时，树莓派模块包含有动作模块和基础动作函数库，函数库中包含以下基础实验动作：
[0093] (A)初始化；
[0094] (B)移动，机械手将移动到特定的坐标点。该动作需要配置的参数为，目标点的编号(对应的XYZ坐标从基本参数界面中读取)，手端相对XYZ轴的倾角，动作时间；
[0095] (C)夹持，控制夹持器的夹持角度，使夹持器夹住滴管的橡胶乳头。该动作需要配置的参数为夹持器的夹持角度，动作时间；
[0096] (D)取液，减小夹持器的夹持角度，模拟捏合橡胶乳头的动作，使滴管吸取一定量的试剂；该动作需要配置的参数为夹持器的夹持角度，动作时间；
[0097] (E)释液，控制夹持器的夹持角度，释放一定液体至反应烧杯容器中。该动作需要配置的参数为夹持器的夹持角度，动作时间；
[0098] (F)放管，将滴管放回至试管架中的初始位置。该动作需要配置的参数为目标位置的XYZ坐标，动作时间；
[0099] (G)比色，比色计通过试剂颜色的分析，得出水质参数结果。结果通过USB或者串口回传至树莓派主控板；
[0100] (H)自定义
[0101] 下面结合检测水样中
氨氮含量的实施例，详细描述本发明的水质分析系统及实现方法：
[0102] 如图9所示，检测水样中氨氮含量的实施例的实现流程为：
[0103] 初始化，取样(机械手夹持滴管吸取一部分水样至待进行化学反应的试管中)，移动(机械手移动至试剂1所在的试管位置)，夹持(夹取试管1的滴管)，取液(减小夹持器角度，吸取一部分试剂)，移动(移动到进行化学反应区试管的位置)，释液(改变夹持器角度，释放一部分试剂)，放管(将试管1的滴管放回原处)，移动(机械手移动至试剂2所在的试管位置)，夹持(夹取试管2的滴管)，取液(减小夹持器角度，吸取一部分试剂)，移动(机械手移动至化学反应的试管位置)，释液(改变夹持器角度，释放一部分试剂)，放管(将试管2的滴管放回原处)，移动(机械手移动至化学反应的试管位置)，夹持(夹持试管)，移动(移动至比色计的试管槽)，比色(控制比色计开始分析)，移动(机械手将化学反应的试管移动至原来位置)，放管(释放试管)，结束(机械手回到初始位置)。
[0104] 树莓派主控板与上位机通信，读取上位机
硬盘中存储的化学反应步骤序列数据，并保存在树莓派主控板上的FLASH中；
[0105] 每次进行化学反应试验时，树莓派主控板读取FLASH中的序列参数数据，获取每个时间步的舵机角度数据，并转化为PWM波形。
[0106] 机械手夹持滴管进行取液操作。根据滴管所在的试管架的坐标，机械手运动到滴管位置并夹持滴管的橡胶乳头，树莓派主控板输出一个预设角度量给夹持器舵机，使夹持器捏合橡胶乳头，滴管吸取试剂，机械手臂向上运动，并移动到化学反应的烧杯处。
[0107] 接下来的操作步骤与S201～S206操作步骤及判断方法一致。
[0108] 待烧杯中的化学反应进行完成，则用滴管取用试剂，移液至比色计的比色皿中，比色计对反应后的试剂进行分析，获得水质参数。
[0109] 树莓派主控板通过USB或者串口与比色计进行通信，获取水质参数，并显示在树莓派主控板的显示屏上，同时保存在FLASH中。
[0110] 综上所述，相较于
现有技术，本发明一种新型的在线水质分析系统及其实现方法具有以下优点：
[0111] (1)本发明使用了摄像头、机械臂及舵机、树莓派主控板和上位机等部件，控制舵机及机械臂的运转，使系统执行不同的化学反应步骤，具有调整化学反应的步骤顺序的功能，便于根据实际情况变更操作，节省了人力资源。
[0112] (2)本发明由于具有试管架可以存放多个实验用的试管或烧杯，还可以对多个参数指标进行分析，同时检测和分析多种水样中的参数指标，方便了史籍中的应用。
[0113] (3)本发明在树莓派模块中包含了动作模块和基础动作函数库，函数库中包含了：初始化、移动、夹持等基础实验动作，方便了实际中的应用。
[0114] (4)本发明使用了树莓派模块中的FLASH对实验结果数据和化学反应操作步骤进行保存，同时使用显示器即时显示水质分析的结果，具有实际使用中的便利性。
[0115] 对于上述方法实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
[0116] 以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同
变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本
申请权利要求所限定的范围内。
