用于水質(zhì)監(jiān)測的剖面測量浮標設計

李 超

（中國船舶重工集團第七一五研究所，浙江 杭州 310023）

0 引言

水是生命之源，是人們可以直接使用的自然資源。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活質(zhì)量的提升，我國對水資源的需求量不斷上升，因此地表水水質(zhì)監(jiān)測工作逐漸受到關(guān)注［1］。由于水質(zhì)分層現(xiàn)象客觀存在［2］，因此在關(guān)注表層水質(zhì)監(jiān)測的同時需要重視剖面水質(zhì)的監(jiān)測工作。傳統(tǒng)的水質(zhì)剖面分析方法有人工采水和安裝傳感器鏈兩種方式。人工采水是指在采樣水域手動將采水設備放置到不同深度進行采水作業(yè)，然后將樣品帶回實驗室進行分析，費時費力且操作麻煩。安裝傳感器鏈是指在平臺下方懸掛多臺間隔一定距離的自容式監(jiān)測設備，成本較高，且數(shù)據(jù)不能實時傳輸。因此，設計了一種用于水質(zhì)監(jiān)測的剖面測量浮標，能夠?qū)崿F(xiàn)實時、自動及長期的水質(zhì)監(jiān)測，并通過絞車收放水質(zhì)傳感器以測量不同深度的水質(zhì)參數(shù)信息，為了解布放水域的剖面水質(zhì)信息提供了參考。

1 系統(tǒng)整體設計

1.1 系統(tǒng)設計要求

根據(jù)實際使用場景，確定布放水深大于80 m，數(shù)據(jù)接收率大于90%。在剖面測量方式方面，水深0.5～10 m時，每隔0.5 m 設定1 個測量層（如0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m……）；水深超過10 m時，每隔2 m 設定1 個測量層（如12 m、14 m、16 m、18 m、20 m……）。

1.2 剖面測量浮標系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

剖面測量浮標由浮體、錨系、安全防護系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、浮標控制系統(tǒng)、絞車系統(tǒng)以及岸站接收顯示系統(tǒng)等組成。剖面測量浮標系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

浮標體為圓環(huán)形，選用吸水率超低且耐腐蝕的彈性泡沫材料制成。浮體內(nèi)部設有不銹鋼骨架，外表面噴涂聚脲彈性材料，使得浮體具有良好的抗擠壓和撞擊能力。

錨系采用雙錨設計，能有效防止水下傳感器電纜與錨鏈發(fā)生纏繞現(xiàn)象。

浮標標架上裝有避雷針、雷達反射器及警示燈等安全防護設施，可避免被過往船只碰撞，提高了浮標的安全性。

絞車系統(tǒng)包括絞車、承力電纜、限位開關(guān)以及傳感器組件（水質(zhì)傳感器和壓力傳感器）等。絞車布置在浮標中心的圍井旁。承力電纜通過固定在標架頂端的定滑輪后連接到傳感器組件。絞車結(jié)構(gòu)如圖2 所示。通過絞車正反轉(zhuǎn)運動，垂直收放傳感器組件，實現(xiàn)水質(zhì)的垂直剖面測量。承力電纜選用凱夫拉材質(zhì)的通信電纜，長度60 m 左右，可實現(xiàn)50 m 水深的剖面測量。承力電纜一頭采用拖頭連接傳感器，另一頭采用滑環(huán)方式連接浮標控制系統(tǒng)。水質(zhì)傳感器和壓力傳感器安裝在傳感器吊籃里，吊籃為兩端錐形的圓筒，筒體開有多只利于水交換的孔洞，能夠有效保護儀器不被外力損壞。

1.3 浮標控制系統(tǒng)設計

浮標控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、無線傳輸模塊、絞車控制模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊、充電控制模塊以及電源管理模塊等組成。浮標控制系統(tǒng)設計如圖3 所示。

為實現(xiàn)長期在位實時監(jiān)測，浮標采用蓄電池（標稱電壓12 V）和太陽能充電板的組合方式供電，并由充電控制模塊控制蓄電池的充放電。當電池電壓過低或輸出電流過大時，切斷電源輸出，提高系統(tǒng)安全性。

電源模塊為數(shù)據(jù)采集模塊、無線傳輸模塊、傳感器系統(tǒng)以及絞車控制系統(tǒng)供電。為降低系統(tǒng)功耗，電源模塊的每路輸出電壓都可以通過數(shù)據(jù)采集模塊的IO 接口控制加電和斷電。

絞車控制模塊用于控制絞車的上升、下降及停止。絞車電機采用的是24 V 供電的直流電機。絞車控制模塊主要由升壓模塊和繼電器模塊組成。升壓模塊用于將電源管理模塊輸出的標稱12 V 的電壓轉(zhuǎn)化為24 V。繼電器模塊用于切換24 V 輸出電壓正負極來控制絞車正反轉(zhuǎn)。

狀態(tài)監(jiān)測模塊用于監(jiān)測浮標的運行狀態(tài)，主要包括電子倉漏水監(jiān)測、絞車吊籃限位監(jiān)測、浮標姿態(tài)監(jiān)測以及供電電壓監(jiān)測等。浮標出現(xiàn)故障時，可以根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測模塊快速判斷故障原因并及時解決問題，使浮標盡快恢復運行。

數(shù)據(jù)采集模塊是浮標控制系統(tǒng)的核心，根據(jù)設置的工作模式和傳感器的采樣周期采集傳感器的數(shù)據(jù)，并控制絞車系統(tǒng)做剖面測量。完成測量后，將測量數(shù)據(jù)打包并加密，通過無線傳輸模塊傳至岸站接收顯示系統(tǒng)，同時根據(jù)傳感器的采樣周期和工作時間控制設備斷電和加電。數(shù)據(jù)采集模塊在通過無線傳輸模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，將原始數(shù)據(jù)存貯在自帶存貯器內(nèi)，能夠在接收到岸站接收顯示系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)重發(fā)指令時，從存貯器中選擇相應的數(shù)據(jù)重新發(fā)送，提高了數(shù)據(jù)接收率。

1.4 控制系統(tǒng)程序設計

剖面測量浮標有表層測量、定點測量及剖面測量3 種工作方式。表層測量是傳感器處在初始位置（水下0.5 m 水深）定時測量數(shù)據(jù)；定點測量是通過接收岸站平臺發(fā)送的指令下潛到固定深度進行定時測量；剖面測量是在初始位置到水下一定深度范圍內(nèi)每隔一定距離（0.5～10 m 按0.5 m 間隔設定測量層，超過10 m 按2 m 間隔設定測量層）進行定期測量，通過岸站接收平臺可設置工作深度范圍和工作周期?？刂葡到y(tǒng)程序設計流程如圖4 所示。

控制系統(tǒng)加電后進行初始化配置，采集GPS 傳感器的時間數(shù)據(jù)校準系統(tǒng)時間。如果GPS 時間無效或采集失敗，則使用系統(tǒng)自帶的時鐘芯片的時間。之后讀取壓力傳感器的數(shù)值，判斷傳感器吊籃所處的水深，通過控制絞車調(diào)整傳感器吊籃使之處于初始位置。隨后進入主循環(huán)，查詢當前設置的工作模式和周期，在到達采樣時間時，根據(jù)已設置的工作模式進行測量。完成數(shù)據(jù)采集后，通過絞車控制傳感器吊籃回到初始位置。完成一個周期的測量后，控制系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)處理打包后傳到岸站接收顯示系統(tǒng)。

1.5 岸站接收顯示系統(tǒng)設計

岸站接收顯示系統(tǒng)設計以“一體化數(shù)據(jù)管理應用開發(fā)與集成框架”為核心，實現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測、傳輸、接收、管理、查詢、分析、預警、發(fā)布及存檔的全過程管理［3］，主要包括以下4 個模塊。

（1）浮標分布圖，顯示所有浮標的地理位置信息，便于全局了解布放信息。

（2）數(shù)據(jù)表格，顯示各個傳感器采集的數(shù)據(jù)和浮標狀態(tài)信息。

（3）數(shù)據(jù)曲線，用曲線圖顯示實時數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)等信息。

（4）浮標管理，用于管理浮標狀態(tài)，如更改采集周期和設置工作模式等。

2 浮標運行情況

剖面測量浮標在千島湖進行了布放實驗，布放水域水深100 m 左右，設置浮標做0.5～50 m 深度范圍的剖面測量。岸站接收顯示系統(tǒng)顯示的部分接收數(shù)據(jù)，如圖5 所示。經(jīng)過實驗驗證，剖面浮標實現(xiàn)了測量水質(zhì)剖面數(shù)據(jù)參數(shù)的功能，在布放的3 個月內(nèi)運行良好，無故障發(fā)生。經(jīng)計算，3 個月的數(shù)據(jù)接收率為95.78%，滿足“數(shù)據(jù)接收率大于90%”的設計要求。

3 結(jié)語

用于水質(zhì)監(jiān)測的剖面測量浮標以浮體為平臺，通過絞車控制系統(tǒng)實現(xiàn)水質(zhì)傳感器自動升降，采集布放水域剖面方向上多個水層的溫度、鹽度、電導率、pH 值、DO 值、溶解氧飽和度、濁度以及葉綠素等參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過無線傳輸模塊發(fā)送到岸站接收顯示系統(tǒng)，使工作人員能夠及時了解布放水域的水質(zhì)剖面情況，為布放水域生態(tài)系統(tǒng)治理、開發(fā)及保護工作提供了數(shù)據(jù)支撐。同時，設備集成了安全防護系統(tǒng)和浮標運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，有效保障了浮標在連續(xù)、實時及長期無人值守狀態(tài)下的穩(wěn)定運行。