河道水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李春生

摘 要：河道水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)、自動(dòng)對(duì)河道水環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析顯示的系統(tǒng)，為了解、掌握和應(yīng)對(duì)河道水環(huán)境變化提供了有效數(shù)據(jù)支撐。文章介紹了一種用于河道水環(huán)境監(jiān)測(cè)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過實(shí)際使用，驗(yàn)證了其功能能夠滿足被測(cè)水域水環(huán)境監(jiān)測(cè)和信息處理的需求。

關(guān)鍵詞：水環(huán)境;浮標(biāo);在線監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：X824 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）04-070-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.04.035

城市內(nèi)的河道水環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)于城市自然環(huán)境的信息掌握、污染治理和水質(zhì)改善至關(guān)重要，水環(huán)境監(jiān)測(cè)手段和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的顯示處理方式對(duì)于掌握監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息、及時(shí)響應(yīng)和應(yīng)對(duì)水環(huán)境變化至關(guān)重要。為更加高效、方便、全面地對(duì)河道水環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，文章設(shè)計(jì)了河道水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并將其應(yīng)用在城市河道中。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

河道水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮了被監(jiān)測(cè)區(qū)域的自然水域環(huán)境狀況和監(jiān)測(cè)設(shè)備建設(shè)的環(huán)境條件，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境制定監(jiān)測(cè)方案。河道水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由浮體系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和岸站數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)組成[1]。浮體系統(tǒng)為監(jiān)測(cè)設(shè)備提供工作平臺(tái)，供電系統(tǒng)為監(jiān)測(cè)設(shè)備供電，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制傳感器系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸至岸站數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)進(jìn)行接收和顯示。河道水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 浮體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

浮體采用圓餅型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括浮體外殼、泡沫注心、底框、上支架、傳感器護(hù)籃、電子艙等。浮體采用底框、浮體外殼、上支架疊層的布置方式集成。

結(jié)合浮標(biāo)需要搭載的傳感器種類和數(shù)量，設(shè)計(jì)浮體直徑為1.5m，型深0.75m（浮體外殼底面為基線）;底框高0.4m;上支架高0.62m。浮標(biāo)總重約560kg，儲(chǔ)備浮力約600kg，設(shè)計(jì)吃水0.36m（浮體外殼底面為基線）。浮標(biāo)組成如圖2所示。

浮體外殼、傳感器護(hù)籃、電子艙筒材料均為高強(qiáng)度玻璃纖維增強(qiáng)塑料，具備機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐沖擊性好、容易加工、使用壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，浮體外殼材料主要物理性能如表1所示。

浮體電子艙內(nèi)集成電池組、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和充電控制器等。

浮標(biāo)底框由碳鋼材料的型材和板材焊接而成，成型后經(jīng)熱浸鋅處理，浮標(biāo)上支架材料為304不銹鋼，均具備良好的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性。上支架集成有警示燈和天線等。底框中心位置設(shè)有系留環(huán)，用于連接錨系，上支架頂部設(shè)有起吊環(huán)，用于浮標(biāo)裝卸吊放。

浮標(biāo)錨系的設(shè)計(jì)由布放水域的水深、水流等情況決定，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮水流阻力和風(fēng)阻力對(duì)浮標(biāo)的影響。河道底質(zhì)環(huán)境多為淤泥底質(zhì)，一般采用抓力錨對(duì)浮標(biāo)進(jìn)行錨定，抓力錨提供的抓力必須大于錨所受的合外力，并留出余量。作用在浮標(biāo)上的風(fēng)阻力根據(jù)下式近似計(jì)算：

Ff = pgA

式中，p為風(fēng)壓，g為重力加速度，A為浮標(biāo)垂直于風(fēng)速方向投影面積，風(fēng)壓p根據(jù)伯努利方程：p =? ρV2計(jì)算，ρ為空氣密度，V為風(fēng)速，風(fēng)載荷計(jì)算公式可以寫成：

Ff =? ρgV2A

作用在浮標(biāo)上的水流阻力根據(jù)下式近似計(jì)算：

R =? ρCDSV2

式中：ρ為水的密度，CD為阻力系數(shù)，S為浮標(biāo)垂直于流速方向投影面積，V為流速。

圖2 浮標(biāo)組成

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的管理中心和控制中心[2]。通過模擬或數(shù)字接口采集各類傳感器的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)處理打包后通過傳輸系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過供電模塊對(duì)傳感器進(jìn)行電源管理，降低系統(tǒng)功耗。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)串口數(shù)量能夠滿足浮標(biāo)的使用要求。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心控制芯片為STM32F429芯片。主要性能：1.71V～3.6V寬電壓供電;主頻高達(dá)180MHz。時(shí)鐘芯片為DS3234芯片。集成了256字節(jié)SRAM，通過外部紐扣電池供電實(shí)現(xiàn)掉電存儲(chǔ)，為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供精準(zhǔn)時(shí)鐘。串口擴(kuò)展電路采用的是一轉(zhuǎn)多路模擬開關(guān)的模式，通過單片機(jī)的IO端口控制不同的通道打開，達(dá)到串口擴(kuò)展的目的。模擬開關(guān)選用CD4051芯片。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件程序主要包括初始化程序、時(shí)間校準(zhǔn)程序、傳感器采集處理程序和打包上傳程序。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、質(zhì)量控制、狀態(tài)監(jiān)控、傳輸、電源控制、故障判斷、遙控功能;數(shù)據(jù)文件內(nèi)容包括觀測(cè)時(shí)間、站位信息、觀測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和浮標(biāo)狀態(tài)數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集間隔可選擇15min、0.5h、1h、2h、4h工作模式也可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行定制。

4 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)選用利用NB-loT網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)無線數(shù)傳終端[3]。終端采用高性能的工業(yè)級(jí)32位通信處理器和工業(yè)級(jí)無線模塊，以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺(tái)，同時(shí)提供RS232和RS485接口，可直接連接串口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能;提供5路I/O;可實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸入輸出、脈沖輸出、模擬量輸入、脈沖計(jì)數(shù)等功能。

終端采用低功耗設(shè)計(jì)，支持多級(jí)休眠和喚醒模式降低功耗;內(nèi)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）;電源輸入：DC 5V～36V，電源接口內(nèi)置反相保護(hù)和過壓保護(hù);支持串口數(shù)據(jù)觸發(fā)上下線模式;支持根據(jù)域名和IP地址訪問中心;支持透明數(shù)據(jù)傳輸;支持串口軟件升級(jí)和遠(yuǎn)程維護(hù)。

5 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

供電系統(tǒng)采用太陽能電池板和鋰電池組合供電的方式為浮標(biāo)供電。太陽能電池板為18V/50W多晶太陽能板，太陽能電池板配置12V/10A充電控制模塊;鋰電池采用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池為電芯經(jīng)串并聯(lián)（4串4并）組成的12.8V/420Ah電池組，鋰電池電芯技術(shù)參數(shù)如表2所示。

浮標(biāo)系統(tǒng)功耗測(cè)試核算：

按照默認(rèn)的數(shù)據(jù)采集傳輸周期對(duì)浮標(biāo)進(jìn)行聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，根據(jù)浮標(biāo)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，浮標(biāo)平均功耗電流為335mA，供電電壓為鋰電池輸出電壓。按照其標(biāo)稱電壓計(jì)算，浮標(biāo)系統(tǒng)平均功耗為4.288W。

浮標(biāo)系統(tǒng)供電能力計(jì)算：

電池組總的電量為5 376Wh，按照80%放電量計(jì)算，電池組可為浮標(biāo)系統(tǒng)持續(xù)供電時(shí)間為5 376×80%/4.288=1 003h，約等于42天。在連續(xù)陰雨天氣等太陽能板無法正常充電的情況下，浮標(biāo)系統(tǒng)理論自持力為42天。

太陽能板充電時(shí)，充電功率約為標(biāo)稱功率的50%，杭州地區(qū)年平均日照時(shí)間為3.42h，所以太陽能板日充電量為50×4×50%×3.42=342Wh，浮標(biāo)系統(tǒng)日消耗電量為4.288×24=102.9Wh<342Wh，所以太陽能板充電能力能夠滿足浮標(biāo)系統(tǒng)的用電需求。

6 傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)被測(cè)地點(diǎn)水環(huán)境監(jiān)測(cè)需求，傳感器系統(tǒng)包括pH傳感器、ORP傳感器、溶解氧傳感器、透明度傳感器、營(yíng)養(yǎng)鹽傳感器（氨氮和總磷），根據(jù)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合相關(guān)規(guī)范對(duì)水環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)。傳感器技術(shù)參數(shù)如表3、表4、表5所示。

7 岸站數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

岸站數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)由服務(wù)器和數(shù)據(jù)處理軟件組成，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確、可靠地接收和處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理軟件支持手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備展示和操作，可將手機(jī)等通訊器材作為顯示終端。數(shù)據(jù)處理軟件采用標(biāo)準(zhǔn)的語言編程，運(yùn)行環(huán)境適用Windows系統(tǒng)。軟件界面友好，操作簡(jiǎn)便，具有良好的可維護(hù)性和可擴(kuò)充性。

數(shù)據(jù)處理軟件能為被測(cè)水域提供水質(zhì)評(píng)價(jià)預(yù)警功能，其他功能包括：賬號(hào)密碼登錄，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢，歷史數(shù)據(jù)查詢，位置信息查詢，數(shù)據(jù)導(dǎo)出生成報(bào)表，數(shù)據(jù)異常報(bào)警，數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，設(shè)備管理，維護(hù)管理，數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)日志記錄等，數(shù)據(jù)處理軟件主頁(yè)如圖3所示。

8 應(yīng)用和結(jié)論

文章所述的河道水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在多個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)得到應(yīng)用，業(yè)務(wù)化運(yùn)行時(shí)間超過一年，系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，能夠滿足水環(huán)境監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)信息處理要求。某監(jiān)測(cè)點(diǎn)位浮標(biāo)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

河道水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)、自動(dòng)進(jìn)行水體環(huán)境參數(shù)的采集、傳輸、接收、處理、顯示和分析。浮標(biāo)是水環(huán)境監(jiān)測(cè)穩(wěn)定可靠的一種方式，通過錨定的方式實(shí)現(xiàn)固定水域監(jiān)測(cè)，也可根據(jù)需要調(diào)整監(jiān)測(cè)位置，具有一定的監(jiān)測(cè)靈活性。通過水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)能夠滿足不同區(qū)域?qū)嵉厮h(huán)境監(jiān)測(cè)的需求，對(duì)城市河道治水有十分重要的意義。

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