河道水環境監測系統的設計與應用

李春生

摘 要：河道水環境監測系統是一種能夠實時、連續、自動對河道水環境參數進行監測和對數據進行分析顯示的系統，為了解、掌握和應對河道水環境變化提供了有效數據支撐。文章介紹了一種用于河道水環境監測的自動監測系統，通過實際使用，驗證了其功能能夠滿足被測水域水環境監測和信息處理的需求。

關鍵詞：水環境;浮標;在線監測

中圖分類號：X824 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）04-070-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.04.035

城市內的河道水環境監測對于城市自然環境的信息掌握、污染治理和水質改善至關重要，水環境監測手段和監測數據的顯示處理方式對于掌握監測數據信息、及時響應和應對水環境變化至關重要。為更加高效、方便、全面地對河道水環境進行監測和分析，文章設計了河道水環境監測系統并將其應用在城市河道中。

1 系統總體設計

河道水環境監測系統的設計充分考慮了被監測區域的自然水域環境狀況和監測設備建設的環境條件，根據現場環境制定監測方案。河道水環境監測系統主要由浮體系統、數據采集系統、數據傳輸系統、供電系統、傳感器系統和岸站數據接收系統組成[1]。浮體系統為監測設備提供工作平臺，供電系統為監測設備供電，數據采集系統控制傳感器系統進行監測數據的采集，并將數據通過數據傳輸系統傳輸至岸站數據接收系統進行接收和顯示。河道水環境監測系統組成框圖如圖1所示。

2 浮體系統設計

浮體采用圓餅型結構設計，主要包括浮體外殼、泡沫注心、底框、上支架、傳感器護籃、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。

結合浮標需要搭載的傳感器種類和數量，設計浮體直徑為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。浮標總重約560kg，儲備浮力約600kg，設計吃水0.36m（浮體外殼底面為基線）。浮標組成如圖2所示。

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

浮體電子艙內集成電池組、數據采集系統、數據傳輸系統和充電控制器等。

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

浮標錨系的設計由布放水域的水深、水流等情況決定，設計時主要考慮水流阻力和風阻力對浮標的影響。河道底質環境多為淤泥底質，一般采用抓力錨對浮標進行錨定，抓力錨提供的抓力必須大于錨所受的合外力，并留出余量。作用在浮標上的風阻力根據下式近似計算：

Ff = pgA

式中，p為風壓，g為重力加速度，A為浮標垂直于風速方向投影面積，風壓p根據伯努利方程：p =? ρV2計算，ρ為空氣密度，V為風速，風載荷計算公式可以寫成：

Ff =? ρgV2A

作用在浮標上的水流阻力根據下式近似計算：

R =? ρCDSV2

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

圖2 浮標組成

3 數據采集系統設計

數據采集系統是水環境監測系統的管理中心和控制中心[2]。通過模擬或數字接口采集各類傳感器的數據，數據經處理打包后通過傳輸系統進行傳輸。數據采集系統通過供電模塊對傳感器進行電源管理，降低系統功耗。數據采集系統串口數量能夠滿足浮標的使用要求。

數據采集系統的核心控制芯片為STM32F429芯片。主要性能：1.71V～3.6V寬電壓供電;主頻高達180MHz。時鐘芯片為DS3234芯片。集成了256字節SRAM，通過外部紐扣電池供電實現掉電存儲，為數據采集系統提供精準時鐘。串口擴展電路采用的是一轉多路模擬開關的模式，通過單片機的IO端口控制不同的通道打開，達到串口擴展的目的。模擬開關選用CD4051芯片。數據采集系統軟件程序主要包括初始化程序、時間校準程序、傳感器采集處理程序和打包上傳程序。

數據采集系統具備數據采集、處理、存儲、質量控制、狀態監控、傳輸、電源控制、故障判斷、遙控功能;數據文件內容包括觀測時間、站位信息、觀測數據、設備狀態數據和浮標狀態數據;數據采集系統采集間隔可選擇15min、0.5h、1h、2h、4h工作模式也可以根據實際需求進行定制。

4 數據傳輸系統設計

數據傳輸系統選用利用NB-loT網絡進行無線數據傳輸的物聯網無線數傳終端[3]。終端采用高性能的工業級32位通信處理器和工業級無線模塊，以嵌入式實時操作系統為軟件支撐平臺，同時提供RS232和RS485接口，可直接連接串口設備，實現數據透明傳輸功能;提供5路I/O;可實現數字量輸入輸出、脈沖輸出、模擬量輸入、脈沖計數等功能。

終端采用低功耗設計，支持多級休眠和喚醒模式降低功耗;內置實時時鐘（RTC）;電源輸入：DC 5V～36V，電源接口內置反相保護和過壓保護;支持串口數據觸發上下線模式;支持根據域名和IP地址訪問中心;支持透明數據傳輸;支持串口軟件升級和遠程維護。

5 供電系統設計

供電系統采用太陽能電池板和鋰電池組合供電的方式為浮標供電。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力電池為電芯經串并聯（4串4并）組成的12.8V/420Ah電池組，鋰電池電芯技術參數如表2所示。

浮標系統功耗測試核算：

按照默認的數據采集傳輸周期對浮標進行聯調試驗，根據浮標系統聯調試驗的測試結果，浮標平均功耗電流為335mA，供電電壓為鋰電池輸出電壓。按照其標稱電壓計算，浮標系統平均功耗為4.288W。

浮標系統供電能力計算：

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

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

6 傳感器系統設計

根據被測地點水環境監測需求，傳感器系統包括pH傳感器、ORP傳感器、溶解氧傳感器、透明度傳感器、營養鹽傳感器（氨氮和總磷），根據傳感器的監測數據結合相關規范對水環境進行評價。傳感器技術參數如表3、表4、表5所示。

7 岸站數據接收系統設計

岸站數據接收系統由服務器和數據處理軟件組成，能夠實時、準確、可靠地接收和處理數據。數據處理軟件支持手機等移動設備展示和操作，可將手機等通訊器材作為顯示終端。數據處理軟件采用標準的語言編程，運行環境適用Windows系統。軟件界面友好，操作簡便，具有良好的可維護性和可擴充性。

數據處理軟件能為被測水域提供水質評價預警功能，其他功能包括：賬號密碼登錄，實時數據查詢，歷史數據查詢，位置信息查詢，數據導出生成報表，數據異常報警，數據評價，數據統計分析，設備管理，維護管理，數據采集遠程控制，系統日志記錄等，數據處理軟件主頁如圖3所示。

8 應用和結論

文章所述的河道水環境監測系統已在多個監測站點得到應用，業務化運行時間超過一年，系統運行狀況良好，能夠滿足水環境監測和數據信息處理要求。某監測點位浮標監測現場如圖4所示。

河道水環境監測系統能夠實時、連續、自動進行水體環境參數的采集、傳輸、接收、處理、顯示和分析。浮標是水環境監測穩定可靠的一種方式，通過錨定的方式實現固定水域監測，也可根據需要調整監測位置，具有一定的監測靈活性。通過水環境監測系統的建設能夠滿足不同區域實地水環境監測的需求，對城市河道治水有十分重要的意義。

參考文獻

[1] 姚躍，虞麗娟，曹守啟，等.基于北斗通信的河道水質監測系統設計[J].計量學報，2020，41（10）：32-34.

[2] 李超.近岸海域實時在線監測浮標采集系統的設計[J].電子技術與軟件工程，2016（17）：56-58.

[3] 賀強，楊璐，蔚晨月，等.基于物聯網技術的水質監測系統[J].電子技術與軟件工程，2018（15）：18-21.