漂流式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王柏林 楊加春 李佳 徐潔

（1 中國華云氣象科技集團(tuán)公司，北京 100081；2 天津華云天儀特種氣象探測(cè)技術(shù)有限公司，天津 300384）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和進(jìn)步，我國面臨的水資源短缺、水體污染嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境急劇惡化等問題日益突出。近年來，諸如2005年松花江硝基苯污染、2007年巢湖、滇池藍(lán)藻暴發(fā)，這類水污染事件給人們的生產(chǎn)生活帶來了嚴(yán)重的影響。據(jù)相關(guān)報(bào)告顯示，水污染的成因主要是工業(yè)廢水、城市污水和農(nóng)業(yè)污水，根本原因是水環(huán)境沒有得到很好的監(jiān)測(cè)和管理，因此政府相繼出臺(tái)了一系列相關(guān)水環(huán)境法律法規(guī)，水質(zhì)檢測(cè)和治理已迫在眉睫。此外，洪水災(zāi)害是我國重點(diǎn)防控的自然災(zāi)害之一，在預(yù)防洪水災(zāi)害時(shí)，不僅需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位、流速等主要水文要素，還需要了解水質(zhì)情況。

傳統(tǒng)的水質(zhì)檢測(cè)手段主要有：人工監(jiān)測(cè)、浮標(biāo)水質(zhì)監(jiān)測(cè)、固定水質(zhì)監(jiān)測(cè)和無人船水質(zhì)監(jiān)測(cè)，存在著價(jià)格昂貴、監(jiān)測(cè)范圍較窄、監(jiān)測(cè)不便捷、應(yīng)急情況安全系數(shù)低等問題。國外報(bào)道澳大利亞昆士蘭大學(xué)研發(fā)的“Drifter”[1-2]，是一種可用于洪水易發(fā)的地區(qū)的漂流式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過藍(lán)牙、集成GPS/GPRS模塊來實(shí)現(xiàn)定位和無線傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)pH值、濁度、鹽度、溶解氧、溫度，揭示沉積物和污染物的位置、流量流速等高分辨率數(shù)據(jù)。目前，新西蘭、美國、德國等國也開始研究和使用移動(dòng)式水質(zhì)漂流設(shè)備[3-7]。國內(nèi)還沒有類似的成熟產(chǎn)品出現(xiàn)，中國海洋大學(xué)[8]利用國外進(jìn)口設(shè)備開展近海GPS/GPRS漂流軌跡觀測(cè)系統(tǒng)及應(yīng)用，長(zhǎng)江南京航道管理處[9]利用國產(chǎn)水面跟蹤測(cè)量?jī)x對(duì)航道水面流速、流速進(jìn)行測(cè)量。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)研發(fā)的漂流式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要針對(duì)河道水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，借鑒“Drifter”設(shè)計(jì)思路，采用積木式模塊化設(shè)計(jì)，可以通過無人機(jī)、無人船等小型移動(dòng)平臺(tái)在河道或復(fù)雜水域拋投使用，通過物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊及北斗定位模塊將傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和位置信息傳至上位機(jī)，能夠極大提升河道水質(zhì)監(jiān)測(cè)的時(shí)效性和監(jiān)測(cè)范圍，提高水質(zhì)監(jiān)測(cè)的可靠性。

1 漂流式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

漂流式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成：水質(zhì)監(jiān)測(cè)漂流器（以下簡(jiǎn)稱：漂流器）和監(jiān)控上位機(jī)，兩者之間采用無線通信傳輸數(shù)據(jù)。漂流器搭載32位ARM微控制芯片、高精度水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器、北斗/GPS雙定位模塊、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊，對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、漂流器位置信息進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)距離連續(xù)監(jiān)測(cè)。本項(xiàng)目選用的STM32F103系列ARM微控制芯片時(shí)鐘頻率達(dá)到72 MHz，不僅可滿足本設(shè)計(jì)需要的數(shù)模轉(zhuǎn)換、RS485串口通信、UART異步串口通信等功能，還具備低功耗功能，將大大增加漂流式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的續(xù)航時(shí)間。采用QT開發(fā)平臺(tái)編寫漂流式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控上位機(jī)軟件界面，具有數(shù)據(jù)可視化和遠(yuǎn)程訪問的功能，可同時(shí)接收、處理多臺(tái)設(shè)備觀測(cè)數(shù)據(jù)。漂流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 漂流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 Structure block diagram of drifter system

2 水質(zhì)數(shù)據(jù)分析模型

利用證據(jù)理論，對(duì)水質(zhì)傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，可以提高水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。由于漂流器的移動(dòng)性，在同一范圍內(nèi)可有N個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)都可獨(dú)立傳回酸堿度、氨氮、溶解氧等數(shù)據(jù)，采用證據(jù)理論對(duì)N個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同種信息融合，以酸堿度為例，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，選擇pH數(shù)據(jù)值，把N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后處理，將檢測(cè)到的pH數(shù)據(jù)記為：。假設(shè)表示無限個(gè)數(shù)據(jù)集，以此構(gòu)建一個(gè)基于的數(shù)據(jù)信息框架，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可融合性分析，數(shù)據(jù)分析公式如下所示：

利用，式（1）作歸一化處理，式中i表示水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器，j表示該傳感器采集到的第j個(gè)數(shù)據(jù)，歸一化得：

利用式（2）剔除極端值和傳感器導(dǎo)致的異常值。

其 次 建 立 單 次 采 集 架 構(gòu)ξ，，表示單次同時(shí)采集到的不同傳感器數(shù)據(jù)的集合，則經(jīng)歸一化處理后系數(shù)為：

最后根據(jù)P的取值范圍判定水質(zhì)污染等級(jí)。

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

漂流式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由外罩、天線、控制器倉、電池倉、傳感器、防污罩等組成（圖2），是對(duì)江、河、湖泊的移動(dòng)水質(zhì)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析、預(yù)警系統(tǒng)。漂流器采用聚氯乙烯（PVC）材料，由5個(gè)不同直徑的主要隔層組成。外殼上部裝有聚苯乙烯泡沫塑料環(huán)，以保持漂流器在水中的正浮力和直立位置。配重層放在漂流器的底部，確保漂流器保持直立姿態(tài)。漂流器的設(shè)計(jì)總重量小于3 kg。

圖2 設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of internal structure of equipment

3.1 漂流器地理信息數(shù)據(jù)采集

漂流器使用NEO-6M北斗/GPS定位模塊采集地理信息數(shù)據(jù)，具有高靈敏度、低功耗、小型化、高追蹤靈敏度等特點(diǎn)。GPS定位模塊接收到單片機(jī)的申請(qǐng)指令，通過串口控制向控制器模塊提供實(shí)時(shí)定位信息，再通過單片機(jī)經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸模塊反饋給上位機(jī)，反饋的定位信息包含漂流器的實(shí)時(shí)經(jīng)緯度、地面高程、移動(dòng)速度和定位時(shí)間，定位信息反饋給MCU后經(jīng)M5310數(shù)傳模塊發(fā)送至上位機(jī)端。

3.2 漂流器水質(zhì)數(shù)據(jù)采集

漂流器使用pH值、氨氮、溶解氧、濁度傳感器等傳感器采集水質(zhì)信息，這些信息經(jīng)過中央控制器綜合處理，通過數(shù)據(jù)通信模塊回傳給上位機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)水質(zhì)信息的采集處理。主控制器控制各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集和處理，由于使用的溶解氧傳感器、氨氮傳感器、濁度傳感器和鹽度傳感器均使用RS485協(xié)議通信，構(gòu)成一個(gè)RS485通信協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò)，水質(zhì)傳感器工作流程圖如圖3所示。

圖3 水質(zhì)傳感器工作流程圖Fig. 3 Working flow chart of water quality sensor

（1）水中溶解氧含量檢測(cè)

水中溶解氧含量是影響水質(zhì)的一個(gè)重要因素，因此溶解氧含量的測(cè)量是水質(zhì)監(jiān)測(cè)中必不可少的參數(shù)，影響水中溶解氧含量的因素有很多，比如水中動(dòng)物和植物的分布情況、大氣壓強(qiáng)、水體溫度、天氣狀況等。溶解氧傳感器有極譜型、原電池型、熒光法型三種。這三種傳感器在測(cè)量方法上有本質(zhì)的區(qū)別，根據(jù)漂流器應(yīng)用場(chǎng)景、使用壽命以及產(chǎn)品成本等因素，本產(chǎn)品選用原電池型溶解氧傳感器。

原電池型溶解氧傳感器采用惰性金屬（如金、銀等）作為陰極、鉛或錫等金屬作為陽極，兩個(gè)電極同時(shí)浸入氯化鉀電解質(zhì)中，當(dāng)水中的氧氣透過薄膜浸入電極內(nèi)時(shí)，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，電極間會(huì)產(chǎn)生微弱的電流，轉(zhuǎn)化的電壓值與水中溶解氧含量呈線性相關(guān)關(guān)系，可通過測(cè)量電壓模擬量得出溶解氧的濃度，溶解氧傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 溶解氧傳感器參數(shù)Table 1 Parameters of dissolved oxygen sensor

（2）氨氮含量檢測(cè)

水體中氨氮含量過高會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的致癌物質(zhì)，同時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響水產(chǎn)品的生長(zhǎng)和質(zhì)量。氨氮傳感器可以快速檢測(cè)水中銨離子的濃度，通過測(cè)量銨離子的含量來確定水中氨氮的含量。氨氮傳感器按照使用場(chǎng)景不同可分為流通式和投注式，由于傳感器安裝在漂流器上，隨水流漂動(dòng)，本產(chǎn)品選用投注式氨氮傳感器。

氨氮傳感器將水中銨離子的濃度轉(zhuǎn)化成電壓模擬量，電壓模擬量與銨離子含量呈線性相關(guān)關(guān)系，可通過采集電壓模擬量得出氨氮的濃度，氨氮傳感器參數(shù)如表2所示。

表2 氨氮傳感器參數(shù)Table 2 Parameters of Ammonia/Nitrogen sensor

（3）鹽度傳感器

鹽溶解于水中時(shí)是以離子的形態(tài)存在的，測(cè)量水中鹽的含量是通過測(cè)量水體電導(dǎo)率來實(shí)現(xiàn)的，在水中鹽度飽和之前，水的電導(dǎo)率會(huì)隨著鹽度的增加增大，因此測(cè)量水中電導(dǎo)率的大小就可以測(cè)量出鹽度。電導(dǎo)率傳感器根據(jù)測(cè)量原理可分為電極型、電感型和超聲波型三種類型。根據(jù)漂流器應(yīng)用場(chǎng)景，本產(chǎn)品選用電極型電導(dǎo)率傳感器。

電極型電導(dǎo)率傳感器的測(cè)量過程中是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，簡(jiǎn)單來說是將兩個(gè)電極兩側(cè)施加恒定的電壓，水中鹽度的變化會(huì)導(dǎo)致電阻的變化，從而使流過電極的電流發(fā)生變化，在符合歐姆定律的情況下，用電導(dǎo)率代替電阻率，用電導(dǎo)代替金屬中的電阻，即用電導(dǎo)率和電導(dǎo)來表示液體的導(dǎo)電能力，從而實(shí)現(xiàn)液體電導(dǎo)率的測(cè)量，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為鹽度，鹽度傳感器的參數(shù)如表3所示。

表3 鹽度傳感器參數(shù)Table 3 Parameters of salinity sensor

（4）溫度傳感器

常用溫度傳感器有PT100、PT1000等，不同鉑電阻溫度傳感器之間的主要差別在于測(cè)量范圍、精度、輸出信號(hào)類型等，本產(chǎn)品使用的是PT100溫度傳感器。

PT100溫度傳感器是電阻式溫度檢測(cè)器，它的電阻值會(huì)隨著溫度的上升而增大，屬于正電阻系數(shù)，溫度傳感器的參數(shù)如表4所示。

表4 溫度傳感器參數(shù)Table 4 Temperature sensor parameters

（5）pH值傳感器

pH值傳感器用于測(cè)量水中的堿度和酸度，根據(jù)原理可以分為組合傳感器，差分傳感器，實(shí)驗(yàn)室傳感器和過程傳感器。由于漂流器需要滿足長(zhǎng)期檢測(cè)的要求，因此pH值傳感器選用差分pH值傳感器。

pH值傳感器采用原電池原理，用氫離子玻璃電極與比較電極組成原電池，在玻璃膜與被測(cè)水中氫離子進(jìn)行交換過程中，通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)電極之間電位差來檢測(cè)水中氫離子濃度，從而獲得水的pH值，pH值傳感器的參數(shù)如表5所示。

表5 pH傳感器參數(shù)Table 5 Parameters of pH sensor

pH值傳感器輸出的信號(hào)為微量電壓值，需要將傳感器輸出的電壓值通過電壓放大電路放大，然后用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將輸出的電壓模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，最后通過標(biāo)定得到檢測(cè)的pH值。

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

漂流式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)顯示系統(tǒng)利用QT開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析等軟件功能。

（1）系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理主要為用戶提供用戶管理、日志管理等內(nèi)容。添加權(quán)限管理以及日志審核功能確保系統(tǒng)的安全性以及可靠性。用戶需要進(jìn)行注冊(cè)才可登錄，登錄后可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)操作，軟件界面如圖4所示。

圖4 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件界面Fig. 4 Software interface of water quality monitoring system

（2）數(shù)據(jù)管理

管理員可通過數(shù)據(jù)管理模塊將水質(zhì)數(shù)據(jù)上傳共享，根據(jù)權(quán)限等級(jí)普通用戶可查看相應(yīng)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，也可進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳操作，經(jīng)管理員審核后實(shí)現(xiàn)共享。

（3）數(shù)據(jù)查詢

以圖表的方式展示數(shù)據(jù)查詢結(jié)果，既可查詢同一地點(diǎn)按時(shí)間分布的歷史數(shù)據(jù)，水質(zhì)要素呈現(xiàn)折線圖變化，也可按照污染等級(jí)在地圖上標(biāo)示水質(zhì)要素，同時(shí)，地圖上會(huì)實(shí)時(shí)顯示漂流器的位置，點(diǎn)擊漂流器可見該點(diǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)，水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢界面如圖5所示。

圖5 水質(zhì)數(shù)據(jù)查詢Fig. 5 Water quality data query

5 系統(tǒng)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證漂流式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能，項(xiàng)目組于2019年11月，開展了水質(zhì)傳感器與專業(yè)儀器數(shù)據(jù)對(duì)比分析、采集和通信系統(tǒng)測(cè)試。在測(cè)試開始前，首先完成了電路功能驗(yàn)證、結(jié)構(gòu)密封防水測(cè)試，確保水質(zhì)監(jiān)測(cè)漂流器在水中正常工作。

5.1 傳感器數(shù)據(jù)對(duì)比分析

為驗(yàn)證漂流使水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能，項(xiàng)目組于2019年9月，在長(zhǎng)江流域南京地區(qū)及滁河流域開展了水質(zhì)傳感器與專業(yè)儀器數(shù)據(jù)對(duì)比分析、采集和通信系統(tǒng)測(cè)試，采集的數(shù)據(jù)信息包括溫度、氨氮濃度、溶解氧濃度、鹽度以及pH值。項(xiàng)目組以每?jī)商鞛殚g隔采集數(shù)據(jù)，共采集24組數(shù)據(jù)，以兩組數(shù)據(jù)平均值作為一組數(shù)據(jù)記錄，前半月在長(zhǎng)江流域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，后半月在長(zhǎng)江流域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，詳細(xì)記錄如表6所示，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)得到的數(shù)據(jù)變化如圖6所示。

表6 詳細(xì)數(shù)據(jù)信息記錄表Table 6 Record of detailed data information

通過多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本項(xiàng)目產(chǎn)品漂流器與專業(yè)傳感器在溫度、氨氮濃度、溶解氧濃度等方面的測(cè)試中，由圖6可見，漂流器與專業(yè)儀器數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)基本一致。

圖6 漂流器與專業(yè)儀器數(shù)據(jù)對(duì)比Fig. 6 Comparison of data between drifter and professional instrument

5.2 采集和通信系統(tǒng)測(cè)試

將水質(zhì)監(jiān)測(cè)漂流器放在河道中（系留狀態(tài)）連續(xù)測(cè)試5 h，檢測(cè)各傳感器數(shù)據(jù)采集結(jié)果是否正常，是否出現(xiàn)數(shù)據(jù)漂移、失真等現(xiàn)象，檢查無線通信系統(tǒng)是否有丟包、亂碼等現(xiàn)象。

經(jīng)過5 h連續(xù)測(cè)試，數(shù)據(jù)傳輸中斷1次，但2 s內(nèi)恢復(fù)正常連接，丟包率為0，無亂碼現(xiàn)象，數(shù)據(jù)無失真，數(shù)據(jù)接收串口如圖7所示。

圖7 無線傳輸串口接收測(cè)試Fig. 7 Receiving test of wireless transmission serial port

6 總結(jié)與展望

漂流式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以漂流器為下位機(jī)，結(jié)合了嵌入式技術(shù)、無線通信技術(shù)以及GPS定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)水域的pH值、溶解氧、鹽度、溫度等要素移動(dòng)、連續(xù)測(cè)量。通過可視化顯示界面訪問上位機(jī)軟件，以便于用戶及時(shí)、全面地掌握河道水質(zhì)變化情況。

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試及數(shù)據(jù)對(duì)比分析，漂流式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有測(cè)量準(zhǔn)確性高、通信傳輸穩(wěn)定可靠、監(jiān)測(cè)范圍廣等特點(diǎn)，對(duì)于我國河道水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。在未來，還將充分利用STM32高效、低功耗的特點(diǎn)，采用證據(jù)理論，優(yōu)化水質(zhì)信息的評(píng)價(jià)模型，進(jìn)一步提升漂流式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、多樣化。