基于浮标式水质自动监测系统的应用
李少华
摘要：本文介绍了一种长期无人值守的浮标式水质自动监测系统，以浮标为载体，集成适用于长期运行的免试剂水质监测传感器，用于湖泊、水库、河流等水体大面积、多参数的原位自动监测，通过GPRS实现数据传输和远程控制。通过近两个月的连续试运行，浮标姿态平稳，位置稳定，设备运行平稳，监控平台与浮标系统联机顺利，远程通信正常；利用标准方法在实验室对pH、溶解氧、叶绿素三个参数进行测定，并与浮标系统测值进行比较，三个参数的测定值与实验室测定值的误差分别为：DO：＜±0.3mg/L，pH：＜±0.1，叶绿素＜±0.3μg/L。结果表明，DO、pH和叶绿素三个参数的测定值与实验室方法的测定结果有较好的一致性。
关键词：水质监测；浮标；多参数；数据传输；
Usage of An Automatic Water Quality Monitoring Based on Buoy
Shaohua Li
( Henan Polytechnic University Institute of Resources ＆ Environment, Jiaozuo 454000）
Abstract: An automatic water quality monitoring buoy is introduced in this paper, which enables long-term unattended operation. The buoy is a custom-designed sensor platform for automatic monitoring in lakes, reservoirs, rivers, etc. Wireless Data transmission and remote control depend on GPRS communications technology. Through the continuous test run for nearly two months, buoy attitude and position is stable with normal equipment operation and smooth on-line monitoring platform on buoy system. The concentrations of pH, dissolved oxygen (DO), chlorophyll are measured using the standard method in the laboratory. Compare with the data coming from buoy system, the error of three parameters are: DO<±0.3 mg/L, pH<±0.1, the chlorophyll<±0.3 mu g/L. The results show that three parameters of DO, pH and chlorophyll have good consistency.
Keyword: water quality monitoring; buoy; multi-parameters; Data transmission
长期以来，我国的水质监测多采用人工采样到实验室进行分析的办法，监测周期长，监测结果存在滞后性，无法及时、准确地反映水质污染变化，难以适应现代地表水水质保护的要求。近几年水质自动在线监测系统的研制取得了很大发展，在地表水监测中得到了广泛应用，我国的水质自动监测站的建设也取得了一定的进展，已建成了上百个水质自动监测站。但是，目前已建成的水站水质监测系统均使用大型分析仪器，体积庞大，造价高，安装方式为岸边式或固定式，监测地点受到限制，无法实现长距离大面积水体的自动监测[1]。
以浮标为载体的水质监测系统是化学分析仪器和各种水质传感器的集成，并结合了现代化的数据采集处理技术、数据通信及定位技术、浮标设计及制造技术，是实现环境水质监测自动化、网络化、在线原位监测的有效技术手段[2]。目前浮标水质监测系统在海洋污染监测和海洋水产养殖等领域已得到了广泛应用[3]。但是，该平台在湖泊、河流、水库等水体的监测预警领域应用还是很少见，在国内，适用于我国地表水水体的浮标式水质监测系统的研究还处于空白阶段。
本文介绍了一种无人值守的浮标式水质自动监测系统，以浮标为载体，集成适用于长期水质监测的传感器，用于湖泊、水库、河流等水体的大面积、多参数原位自动监测，利用现代无线通信技术将数据传输到后方监控平台，及时掌握主要流域、重点断面水体的水质状况，实现对水体水质的
李少华，男，博士后，从事环境监测工作，lishaohua@iccas.ac.cn
原位在线监测预警。
1. 系统组成
浮标式水质自动监测系统组成如图1所示，系统主要由条件保证单元（浮标浮体、锚泊系统、太阳能供电系统）、防护单元、远程数据采集及传输单元、水质监测传感器、中心监控平台等部分组成。
卫 星锚泊系统浮标平台及浮体GPRS天线数据采集传输系统天 线太阳能控制器太阳能电池板电能存储系统太阳能供电系统监测传感器中心站监控平台水温浊度电导率……叶绿素 图1 浮标式水质自动监测系统组成示意图
1.1 条件保证单元
条件保证单元由浮标平台及浮体、太阳能供电系统和锚泊系统组成，为监测仪器提供安装载体及能源动力，为水质监测提供稳定、可靠的运行平台。
浮标平台及浮体是水质监测系统的安装载体，采用浮动码头用的塑料浮筒搭建浮标平台，平台大小可扩展。浮标浮体采用聚乙烯或钢质外壳、，具有抗抗腐蚀、抵抗生物沾附等特点，且具有良好的防撞击性，能够耐受恶劣气候环境。浮体采用侧开口式结构，方便对腔内部件进行维护。浮体内腔中心位置装有蓄电池及用于数据采集的电子系统，全密封设计，水不会浸入其内部，防护等级达IP68。浮动平台上设有仪器安装孔，传感器通过仪器安装孔悬挂于水中。
太阳能供电系统包括太阳能电池板、铅蓄电池组及太阳能控制器。4块20W的太阳能电池板安装于浮体外侧，位于四个方向上，全方位吸收太阳能，电池板能承受严酷的使用环境；电池板将太阳能转换为电能，送往铅蓄电池中存储起来，铅蓄电池采用全封闭设计，免维护，无充电的状态下满足仪器十四天使用需要；太阳能控制器采用坚固耐用的MOS管，用来控制供电系统的工作，对电能储存蓄电池起到过充电保护、过放电保护作用，有效延长蓄电池的使用寿命。
锚泊系统由浮子、水平缆绳、垂直锚链和锚组成。浮体漂浮于水面上，浮子通过水平缆绳与浮体连接，通过垂直锚链与锚相连，将浮标固定于水底，保证浮标在风浪下的姿态，浮子又可作为多次投放的位置标志。 1.2 防护单元
防护单元采用GPS卫星定位系统实现对浮标的定位管理，GPS接收模块提供监测位置的地理、海拔信息，可以实时监控污染的范围变化和浮标地理位置。采用GPS定位系统，设备投资少，使用维护方便，定位精度高。
浮标浮体顶部设有警示灯标，自由设置闪烁周期，能见度为5公里。 1.3 远程数据采集及传输单元
数据采集模块采用MODBUS协议与下位水质监测传感器和GPS接收模块通信，按照协议读取水质参数数据和浮标定位信息，把数据按应用层协议打包，通过串口传给远程传输模块。控制器支持RS-232、RS-485、GPRS/GSM、Ethernet、DI、DO、AI等多种通信接口，兼容性高，支持扩展测量参数。数据采集模块具有大容量快闪数据存储单元，且存储可扩展，若数据在传输过程中出错，
可以重新读取采集仪中的数据，确保数据不丢失。
GPRS通信技术具有网络覆盖面广、实时性高、传输数据量大、运行费用低、安全可靠等优点，用户可随意分布和移动网点，不受地理环境、气候等因素限制[4]，非常适合于环保部门获取水质监测环境复杂水域的水质信息。在本系统中即采用GPRS无线通信方式，远程传输模块按照约定的协议通过GPRS将实时监测数据和浮标定位信息发送到中心站，同时中心站通过GPRS向浮标监测系统发送命令，实现对系统的控制。GPRS采用间隙收发、永久在线的工作方式，根据数据传输量进行计费。
1.4 监测传感器
水质监测传感器是浮标监测系统的核心，采用适用于长期水质监测的投入式、免试剂传感器。传感器均采用防水设计，自动清洗单元定期清洗传感器表面，运行周期长，维护量低，不消耗任何化学试剂，无二次污染，可以直接投入水体中实施原位测量。能够连续自动监测水温、DO、电导率、pH、浊度、UV-COD、氨氮、硝酸盐氮、水中油、叶绿素a等水质参数，同时还可以选测气相参数如风速、风向、气压、气温、湿度，以及水文动力学参数如流速、流向等。所有参数传感器均采用模块化设计，根据监测的需求，系统可灵活搭载监测传感器。 1.5 中心监控平台
中心监控平台软件集监控、预警于一体，具有远程控制、数据采集、数据分析、数据管理、水质预警等功能。通过监控平台可对多个监测点的浮标系统进行控制，设置浮标系统运行模式和监控参数，监控浮标系统运行情况。监控平台自动采集监测数据，记录采集日志，对采集的原始数据进行统计分析，将数据按日、周、月、季、年进行整理，还能得到同一时间段的不同监测点数据、同一监测点在不同时间段的数据对比表格和曲线。按需要进行不同方式的数据查询，并进行打印。
监控平台综合分析收到的水质参数数据，并与定制的水质判定标准进行对比判断。当监测参数在正常范围内变化时，系统软件实时记录并保存该参数数据；当某一参数测定值超过正常范围时，监控平台及时作出判断，并发出水质污染报警，提供声音、警灯、手机短信等报警模式，给出超标数值、时间、位置等详细超标信息。监控平台还具有先进的地理信息管理和方便的视频监控功能，采用GIS技术，将接收的浮标系统地理信息及视屏显示在中心站平台软件上，实时监控浮标经度、纬度，并与设定的浮标测试区域比较，一旦浮标超出预定的区域范围，平台自动发出报警，以便及时采取措施，确保浮标系统的安全。
2. 主要技术指标
储备浮力：1000kg以上； 监测水深：不大于50m；
监测周期：每隔30分钟或60分钟测量1次，也可根据需要自由设定； 锚泊形式：全锚链式锚泊系统；
水上和水下传感器的维护周期：3个月； 全年数据平均有效接收率：≥96％。
3. 运行试验
2010年8月23号至2010年10月29号，在石家庄岗南水库进行了浮标式水质监测系统运行试验。近两个月的连续试运行期间，有两次连续阴雨天超过5天，1天风速超过4级。运行期间，浮标姿态平稳，位置稳定，设备运行平稳，监控平台与浮标系统联机顺利，远程通信正常。运行期间对浮体及监测仪器做过一次检查维护。
于2010年9月7日至15日，连续9天，每天定点在浮标布放点采集水样一次，利用标准方法在实验室对pH[5]、溶解氧[6]、叶绿素[7]三个参数进行测定，并与浮标系统测值进行比较，如表1所示。连续九天内，三个参数的测定值与实验室测定值的误差分别为：DO：＜±0.3mg/L，pH：＜±0.1，叶绿素＜±0.3μg/L。结果表明，DO、pH和叶绿素三个参数的测定值与实验室方法的测定结果有较好的一致性。
表1 测试数据对比结果
DO/(mg/L) 日期 浮标 8.55 8.66 8.21 8.07 8.17 8.33 8.26 8.36 8.47
实验室 8.42 8.44 8.26 8.01 8.07 8.23 8.13 8.37 8.26
误差 0.13 0.22 -0.05 0.06 0.10 0.10 0.13 -0.01 0.21
浮标 7.35 7.26 7.60 7.74 7.65 7.53 7.70 7.56 7.35
pH 实验室 7.28 7.36 7.54 7.67 7.56 7.60 7.56 7.49 7.41
误差 0.07 -0.10 0.06 0.07 0.09 -0.07 0.14 0.07 -0.06
浮标 1.6 2.4 1.3 1.6 1.4 2.1 1.4 2.6 1.3
叶绿素/(μg/L) 实验室 1.5 2.2 1.4 1.5 1.1 2.2 1.1 2.4 1.5
误差 0.1 0.2 -0.1 0.1 0.3 -0.1 0.3 0.2 -0.2
10.09.07 10.09.08 10.09.09 10.09.10 10.09.11 10.09.12 10.09.13 10.09.14 10.09.15
4. 展望
本文介绍了一种野外无人值守的浮标式水质自动监测系统。浮标自身提供安装载体及能源动力，采用适用于长期水质监测的投入式、免试剂水质传感器，可监测常规的水质参数以及气象、水文参数，通过GPRS实现浮标系统与中心监控平台之间的数据传输和远程控制。中心监控平台采集、分析、诊断监测数据，在发生水质污染事故时能及时发出报警。该浮标监测系统能够耐受恶劣气候环境，连续2个月的试运行期间，仪器工作状态良好，通信正常，浮标系统的测试数据与人工采样进行实验室测定的结果有较好的一致性。该浮标水质系统真正实现了湖泊、水库、河流等水体水质的原位测量及水质的实时连续监测和远程监控，在未来的水质安全领域必将发挥重要的作用。
参考文献
[1] 王丽伟, 樊引琴, 渠康等. 水质自动监测站建设与应用调研[J]. 水利水文自动化, 2008(4): 42-44. [2] 水质监测浮标[J]. 海洋技术, 2001(2): 23. [3] 孙朝辉，刘增宏，朱伯康，许建平. 全球海洋中Argo剖面浮标运行状况分析[J]. 海洋技术, 2006, 25(3): 127-134.
[4] 陈军, 盛占石, 陈照章等. 基于GPRS的水质自动监测系统的设计[J]. 传感器与微系统, 2009, 28(7): 77-79.
[5] GB 6920-86, 水质 pH值的测定 玻璃电极法[S]. 国家环境保护局, 1986. [6] HJ 506-2009, 水质溶解氧的测定电化学探头法[S]. 环境保护板, 2009.
[7] 水和废水监测分析方法编委会, 国家环境保护总局.《水和废水监测分析方法》(第四版)[M]．北京：中国环境科学出版社, 2002, 670-671.
浮标式水质自动监测系统的研究 - 图文
