基于传感视觉智能化的工业污水监测系统设计

摘 要： 工业污水的现场监测环境复杂，常规方法不能对污水情况进行及时、自主监测，因此构建了基于传感视觉智能化的工业污水监测系统，对提高污水处理质量具有重要作用。该系统包括现场智能化视觉监控模块、管理服务器以及数据库服务器。智能化视觉监控模块通过图像采集模块、目标检测模块、视频录像模块和污水跟踪模块对工业污水进行实时监测。结合视觉污水泄漏点检测算法，控制智能视觉监控模块，实现对工业污水泄露情况的监测。实验结果表明，采用所设计的系统监测工业污水，能够清晰地反应污水泄漏图像，提高污水监测精度，具有较好的实用性。

关键词： 传感视觉； 智能化； 工业污水； 监测精度

中图分类号： TN98⁃34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2016）14⁃0143⁃04

Design of industrial wastewater monitoring system based on sensing vision intelligence

YAN Meng

（Changchun Guanghua University， Changchun 130031， China）

Abstract： The field monitoring environment of industrial wastewater is complex， and the conventional methods can’t monitor the wastewater timely and automatically， so the industrial wastewater monitoring system based on sensing vision intelligence was constructed to play an important role in improvement of wastewater treatment quality. The system includes the field intelligent vision monitoring module， management server and database server. The intelligent vision monitoring module can monitor the industrial wastewater in real time through the image acquisition module， target detection module， video module and wastewater tracking module. In combination with the visual wastewater leak point detection algorithm， the intelligent vision monitoring module is controlled to monitor the industrial wastewater leak condition. The experimental results show that the designed system can acquire the clear wastewater leak image， improve the wastewater monitoring precision， and has good practicability.

Keywords： sensing vision； intelligence； industrial wastewater； monitoring accuracy

工业生产会形成污水，污水中富含各种氢氧化物和重金属离子，污染环境，随着能源不断消耗，污染程度逐渐加剧[1⁃2]。因此，设计一种有效的工业污水视觉监测系统，实现污水的及时有效监测，对于治理污水具有重要作用。采用当前的机械化控制方法在污水检测设备发生故障时，泄漏污水的信息经过较长时间才能被检测到；此外由于泄露信息中存在大规模的数据量，通过长距离无线传播，容易产生查收数据传递滞后问题[3]。而智能化视觉传感网络，可通过智能化视觉传感节点对污水进行全方位监控，能够及时采集污水信息，并实现污水信息的快速传播[4⁃5]。针对日益加剧的污染问题焦尚彬采用先进图像传感器[6]，将其设置在能够移动的设备上，采用图像处理技术分析污水泄漏情况，但信号操作实时性低； 李源提出了融合多传感器的污水检测方法[7]，可采集更全面的污水信息，但此方法检测效率低下；周伟融合将阶矩滤波器和小波变换方法相融合完成污水检测[8]，此方法耗能大。陈晓艳通过神经网络检测污水泄漏点[9]方法简单，但检测精度降低，容易产生污水误检现象。

为了解决上述问题，构建基于传感视觉智能化的工业污水监测系统，该系统包括现场智能化视觉监控模块、管理服务器以及数据库服务器。结合视觉污水泄漏点检测算法，控制智能视觉监控模块，实现对工业污水泄露情况的监测。

1 系统硬件设计

1.1 系统的网络体系结构

工业污水监控系统中融入智能无线通信技术，可有效改善现场数据采集点环境复杂、监测点分散等问题。该系统的网络体系结构如图1所示，该系统由现场智能化视觉监控模块、监测站构成（管理服务器以及数据库服务器构成），采用模块化设计，实现无线视觉传感网络、数据库以及监测站间的数据通信，增强工业污水监测质量。

如图1所示，在工业污水监测系统中，采用不同的传感器节点组成的基于智能视觉的无线传感器网络，完成对污水状态的监控。现场智能化视觉监控模块中的传感节点随机部署在污水处理池的感应范围内，来监控各处理池中的污水操作状态，通过无线自组多跳路的方式获取的污水处理现场图像数据传递到协调器节点，协调器节点将信息传输到不同传感节点。协调器通过串口将数据反馈到管理服务器。监测站中的管理服务器对数据进行分析和运算后，采用以太网传输到数据库服务器上，将数据存储到数据库中。当监测站同Web服务器相连时，管理人员能够通过客户浏览器对工业污水处理情况进行实时监测。

1.2 智能化视觉监控模块结构及原理

设计的智能化视觉监控模块如图2所示。智能在视觉监控模块由图像采集模块、目标检测模块、视频录像模块和污水跟踪模块等组成，不同模块的功能如下：

图像采集模块通过采样摄像头采集视频以及图像，并将图像传递到计算机；目标检测模块对工业污水泄漏图像进行检测和采集；视频录像模块将窗口中的污水运动状态存储下来，并生成图像序列；污水跟踪模块通过有效的运动估计，对在窗口中工业污水进行跟踪。

通过这四大模块使系统内全部摄像头处于监测状态，摄像头对视频场景中的污水进行监测，针对当前场景采集图像和视频，并压缩数据，当污水超过设定的阈值或出现泄漏时，基于摄像头采集的图像跟踪监控区域的污水，并进行报警。

1.3 数据处理模块中的单片机硬件设计

通过第1.2节对监控区域的污水进行跟踪监控后获得的数据，采用以太网传输到数据库服务器上。采用单片机处理和转发数据，并管理报警模块和转换模块等。图3为数据处理模块中单片机硬件的结构图。单片机确保上位机和下位机间通信，还可显示获取的有关工业污水水位、水温以及泄露点的信息，并记录各路的数据。单片机由放大器、滤波器、采样稳定器、变换器和显示器等组成，放大器对传感器传递出的模拟信号进行放大操作，提高后续模拟信号数字化以及数字信号处理精度。然后通过低通滤波器过滤放大器形成的噪音干扰，利用采样稳定器追查模拟信号。显示器在自检功能模块内，污水检测正常时呈现数字“8”。

2 系统软件设计

2.1 系统软件的功能及模块结构

在上述硬件系统总体结构的基础上，描述系统软件功能，主要包括如下内容：

（1） 污水数据采集传感器模块采集污水中的金属离子和其他污染物相关数据，并对其进行分析，基于污水中的金属离子属性，将数据变换成电流信号。

（2） 智能化视觉模块通过图像采集模块、目标检测模块、视频录像模块和污水跟踪模块，对污水进行视觉监控。

（3） 数据处理模块对传感器供电电路以及放大电路进行处理，完成污水中污染离子信号的变换和调控。

（4） 实时数据模块动态显示各监测点的运行参数，主要包括温度、pH值、余氯、溶氧量等污水参数，用户通过管理站界面查看不同污水监测点的状态，同时通过曲线方式呈现。

（5） 管理模块实现污水视觉检测系统的人机交互，管理人员采用触屏传递出控制信号，完成相关监测。

（6） 故障报警模块对污水泄漏点和其他问题进行报警。

2.2 视觉污水检测流程设计

结合视觉污水泄漏点检测算法，控制智能视觉监控模块，对工业污水进行监测。工业污水泄漏点检测算法的过程如图4所示，采用摄像头模块获取污水的实时图像，对图像进行倾斜校正、采集感兴趣区、过滤噪声干扰等处理，优化工业污水泄漏点的图像质量。图像分割通过自适应的二值化阈值操作方法，从背景中获取污水图像，对污水图像进行形态学处理，得到更为清晰的图像来判断是否有污水泄漏点；通过链码法获取污水泄露点轮廓图像，实现了工业污水泄漏点检测。

2.3 工业污水监控流程的代码设计

系统通过污水监控功能，对系统不同监测点的运行状态进行监控，获取工业污水处理现场的工业流程参数等。实现流程监控的核心代码为：

3 实验结果与分析

3.1 系统设计对水位和水温的检测

为证明系统设计的准确性，实验以水位和水温为工业污水监测的参数，对监测结果进行精度比对，结果如表1和表2所示。

由表1、表2可知，本文设计的工业污水监控系统对于污水温度和水位的监测误差较低，说明该系统较稳定。

3.2 视觉污水监测系统对工业污水泄漏的检测情况

实验通过本文设计的传感视觉污水监测系统，对工业污水泄漏情况进行监测，选择的污水泄漏图像如图5所示。采用本文方法和神经网络方法进行污水泄漏点监测的结果的比对，结果分别如图6、图7所示。而两种方法的监测耗时情况，如图8所示。

由图6、图7可看出本文方法获取的工业污水泄漏图像更加清晰，可实时反馈泄漏信息，增强污水监测精度，由图8可知，本文方法监测耗时远低于神经网络方法，说明采用本文方法效率更高。

4 结 论

本文构建基于传感视觉智能化的工业污水监测系统，对提高污水处理质量具有重要作用。该系统包括现场智能化视觉监控模块、管理服务器以及数据库服务器。智能化视觉监控模块通过图像采集模块、目标检测模块、视频录像模块、数据压缩模块和污水跟踪模块对污水进行实时监测。结合视觉污水泄漏点检测算法，控制智能视觉监控模块，实现对工业污水泄露情况的监测。实验结果表明，基于传感视觉智能化的工业污水监测系统能够清晰的反应污水泄漏图像，提高污水监测精度，具有较好的实用性。

参考文献

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