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摘 要：河道水环境监测系统是一种能够实时、连续、自动对河道水环境参数进行监测和对数据进行分析显示的系统，为了解、掌握和应对河道水环境变化提供了有效数据支撑。文章介绍了一种用于河道水环境监测的自动监测系统，通过实际使用，验证了其功能能够满足被测水域水环境监测和信息处理的需求。
关键词：水环境;浮标;在线监测
中图分类号：X824 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）04-070-03
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.04.035
城市内的河道水环境监测对于城市自然环境的信息掌握、污染治理和水质改善至关重要，水环境监测手段和监测数据的显示处理方式对于掌握监测数据信息、及时响应和应对水环境变化至关重要。为更加高效、方便、全面地对河道水环境进行监测和分析，文章设计了河道水环境监测系统并将其应用在城市河道中。
1 系统总体设计
河道水环境监测系统的设计充分考虑了被监测区域的自然水域环境状况和监测设备建设的环境条件，根据现场环境制定监测方案。河道水环境监测系统主要由浮体系统、数据采集系统、数据传输系统、供电系統、传感器系统和岸站数据接收系统组成[1]。浮体系统为监测设备提供工作平台，供电系统为监测设备供电，数据采集系统控制传感器系统进行监测数据的采集，并将数据通过数据传输系统传输至岸站数据接收系统进行接收和显示。河道水环境监测系统组成框图如图1所示。
2 浮体系统设计
浮体采用圆饼型结构设计，主要包括浮体外壳、泡沫注心、底框、上支架、传感器护篮、电子舱等。浮体采用底框、浮体外壳、上支架叠层的布置方式集成。
结合浮标需要搭载的传感器种类和数量，设计浮体直径为1.5m，型深0.75m（浮体外壳底面为基线）;底框高0.4m;上支架高0.62m。浮标总重约560kg，储备浮力约600kg，设计吃水0.36m（浮体外壳底面为基线）。浮标组成如图2所示。
浮体外壳、传感器护篮、电子舱筒材料均为高强度玻璃纤维增强塑料，具备机械强度高、耐腐蚀性好、耐冲击性好、容易加工、使用寿命长、绿色环保等特点，浮体外壳材料主要物理性能如表1所示。
浮体电子舱内集成电池组、数据采集系统、数据传输系统和充电控制器等。
浮标底框由碳钢材料的型材和板材焊接而成，成型后经热浸锌处理，浮标上支架材料为304不锈钢，均具备良好的机械强度和耐腐蚀性。上支架集成有警示灯和天线等。底框中心位置设有系留环，用于连接锚系，上支架顶部设有起吊环，用于浮标装卸吊放。
浮标锚系的设计由布放水域的水深、水流等情况决定，设计时主要考虑水流阻力和风阻力对浮标的影响。河道底质环境多为淤泥底质，一般采用抓力锚对浮标进行锚定，抓力锚提供的抓力必须大于锚所受的合外力，并留出余量。作用在浮标上的风阻力根据下式近似计算：
Ff = pgA
式中，p为风压，g为重力加速度，A为浮标垂直于风速方向投影面积，风压p根据伯努利方程：p = ρV2计算，ρ为空气密度，V为风速，风载荷计算公式可以写成：
Ff = ρgV2A
作用在浮标上的水流阻力根据下式近似计算：
R = ρCDSV2
式中：ρ为水的密度，CD为阻力系数，S为浮标垂直于流速方向投影面积，V为流速。
图2 浮标组成
3 数据采集系统设计
数据采集系统是水环境监测系统的管理中心和控制中心[2]。通过模拟或数字接口采集各类传感器的数据，数据经处理打包后通过传输系统进行传输。数据采集系统通过供电模块对传感器进行电源管理，降低系统功耗。数据采集系统串口数量能够满足浮标的使用要求。
数据采集系统的核心控制芯片为STM32F429芯片。主要性能：1.71V～3.6V宽电压供电;主频高达180MHz。时钟芯片为DS3234芯片。集成了256字节SRAM，通过外部纽扣电池供电实现掉电存储，为数据采集系统提供精准时钟。串口扩展电路采用的是一转多路模拟开关的模式，通过单片机的IO端口控制不同的通道打开，达到串口扩展的目的。模拟开关选用CD4051芯片。数据采集系统软件程序主要包括初始化程序、时间校准程序、传感器采集处理程序和打包上传程序。
数据采集系统具备数据采集、处理、存储、质量控制、状态监控、传输、电源控制、故障判断、遥控功能;数据文件内容包括观测时间、站位信息、观测数据、设备状态数据和浮标状态数据;数据采集系统采集间隔可选择15min、0.5h、1h、2h、4h工作模式也可以根据实际需求进行定制。
4 数据传输系统设计
数据传输系统选用利用NB-loT网络进行无线数据传输的物联网无线数传终端[3]。终端采用高性能的工业级32位通信处理器和工业级无线模块，以嵌入式实时操作系统为软件支撑平台，同时提供RS232和RS485接口，可直接连接串口设备，实现数据透明传输功能;提供5路I/O;可实现数字量输入输出、脉冲输出、模拟量输入、脉冲计数等功能。
终端采用低功耗设计，支持多级休眠和唤醒模式降低功耗;内置实时时钟（RTC）;电源输入：DC 5V～36V，电源接口内置反相保护和过压保护;支持串口数据触发上下线模式;支持根据域名和IP地址访问中心;支持透明数据传输;支持串口软件升级和远程维护。
5 供电系统设计
供电系统采用太阳能电池板和锂电池组合供电的方式为浮标供电。太阳能电池板为18V/50W多晶太阳能板，太阳能电池板配置12V/10A充电控制模块;锂电池采用磷酸铁锂动力电池为电芯经串并联（4串4并）组成的12.8V/420Ah电池组，锂电池电芯技术参数如表2所示。 浮标系统功耗测试核算：
按照默认的数据采集传输周期对浮标进行联调试验，根据浮标系统联调试验的测试结果，浮标平均功耗电流为335mA，供电电压为锂电池输出电压。按照其标称电压计算，浮标系统平均功耗为4.288W。
浮标系统供电能力计算：
电池组总的电量为5 376Wh，按照80%放电量计算，电池组可为浮标系统持续供电时间为5 376×80%/4.288=1 003h，约等于42天。在连续阴雨天气等太阳能板无法正常充电的情况下，浮标系统理论自持力为42天。
太阳能板充电时，充电功率约为标称功率的50%，杭州地区年平均日照时间为3.42h，所以太阳能板日充电量为50×4×50%×3.42=342Wh，浮标系统日消耗电量为4.288×24=102.9Wh<342Wh，所以太阳能板充电能力能够满足浮标系统的用电需求。
6 传感器系统设计
根据被测地点水环境监测需求，传感器系统包括pH传感器、ORP传感器、溶解氧传感器、透明度传感器、营养盐传感器（氨氮和总磷），根据传感器的监测数据结合相关规范对水环境进行评价。传感器技术参数如表3、表4、表5所示。
7 岸站数据接收系统设计
岸站数据接收系统由服务器和数据处理软件组成，能够实时、准确、可靠地接收和处理数据。数据处理软件支持手机等移动设备展示和操作，可将手机等通讯器材作为显示终端。数据处理软件采用标准的语言编程，运行环境适用Windows系统。软件界面友好，操作简便，具有良好的可维护性和可扩充性。
数据处理软件能为被测水域提供水质评价预警功能，其他功能包括：账号密码登录，实时数据查询，历史数据查询，位置信息查询，数据导出生成报表，数据异常报警，数据评价，数据统计分析，设备管理，维护管理，数据采集远程控制，系统日志记录等，数据处理软件主页如图3所示。
8 应用和结论
文章所述的河道水环境监测系统已在多个监测站点得到应用，业务化运行时间超过一年，系统运行状况良好，能够满足水环境监测和数据信息处理要求。某监测点位浮标监测现场如图4所示。
河道水环境监测系统能够实时、连续、自动进行水体环境参数的采集、传输、接收、处理、显示和分析。浮标是水环境监测稳定可靠的一种方式，通过锚定的方式实现固定水域监测，也可根据需要调整监测位置，具有一定的监测灵活性。通过水环境監测系统的建设能够满足不同区域实地水环境监测的需求，对城市河道治水有十分重要的意义。
参考文献
[1] 姚跃，虞丽娟，曹守启，等.基于北斗通信的河道水质监测系统设计[J].计量学报，2020，41（10）：32-34.
[2] 李超.近岸海域实时在线监测浮标采集系统的设计[J].电子技术与软件工程，2016（17）：56-58.
[3] 贺强，杨璐，蔚晨月，等.基于物联网技术的水质监测系统[J].电子技术与软件工程，2018（15）：18-21.
关键词：水环境;浮标;在线监测
中图分类号：X824 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）04-070-03
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.04.035
城市内的河道水环境监测对于城市自然环境的信息掌握、污染治理和水质改善至关重要，水环境监测手段和监测数据的显示处理方式对于掌握监测数据信息、及时响应和应对水环境变化至关重要。为更加高效、方便、全面地对河道水环境进行监测和分析，文章设计了河道水环境监测系统并将其应用在城市河道中。
1 系统总体设计
河道水环境监测系统的设计充分考虑了被监测区域的自然水域环境状况和监测设备建设的环境条件，根据现场环境制定监测方案。河道水环境监测系统主要由浮体系统、数据采集系统、数据传输系统、供电系統、传感器系统和岸站数据接收系统组成[1]。浮体系统为监测设备提供工作平台，供电系统为监测设备供电，数据采集系统控制传感器系统进行监测数据的采集，并将数据通过数据传输系统传输至岸站数据接收系统进行接收和显示。河道水环境监测系统组成框图如图1所示。
2 浮体系统设计
浮体采用圆饼型结构设计，主要包括浮体外壳、泡沫注心、底框、上支架、传感器护篮、电子舱等。浮体采用底框、浮体外壳、上支架叠层的布置方式集成。
结合浮标需要搭载的传感器种类和数量，设计浮体直径为1.5m，型深0.75m（浮体外壳底面为基线）;底框高0.4m;上支架高0.62m。浮标总重约560kg，储备浮力约600kg，设计吃水0.36m（浮体外壳底面为基线）。浮标组成如图2所示。
浮体外壳、传感器护篮、电子舱筒材料均为高强度玻璃纤维增强塑料，具备机械强度高、耐腐蚀性好、耐冲击性好、容易加工、使用寿命长、绿色环保等特点，浮体外壳材料主要物理性能如表1所示。
浮体电子舱内集成电池组、数据采集系统、数据传输系统和充电控制器等。
浮标底框由碳钢材料的型材和板材焊接而成，成型后经热浸锌处理，浮标上支架材料为304不锈钢，均具备良好的机械强度和耐腐蚀性。上支架集成有警示灯和天线等。底框中心位置设有系留环，用于连接锚系，上支架顶部设有起吊环，用于浮标装卸吊放。
浮标锚系的设计由布放水域的水深、水流等情况决定，设计时主要考虑水流阻力和风阻力对浮标的影响。河道底质环境多为淤泥底质，一般采用抓力锚对浮标进行锚定，抓力锚提供的抓力必须大于锚所受的合外力，并留出余量。作用在浮标上的风阻力根据下式近似计算：
Ff = pgA
式中，p为风压，g为重力加速度，A为浮标垂直于风速方向投影面积，风压p根据伯努利方程：p = ρV2计算，ρ为空气密度，V为风速，风载荷计算公式可以写成：
Ff = ρgV2A
作用在浮标上的水流阻力根据下式近似计算：
R = ρCDSV2
式中：ρ为水的密度，CD为阻力系数，S为浮标垂直于流速方向投影面积，V为流速。
图2 浮标组成
3 数据采集系统设计
数据采集系统是水环境监测系统的管理中心和控制中心[2]。通过模拟或数字接口采集各类传感器的数据，数据经处理打包后通过传输系统进行传输。数据采集系统通过供电模块对传感器进行电源管理，降低系统功耗。数据采集系统串口数量能够满足浮标的使用要求。
数据采集系统的核心控制芯片为STM32F429芯片。主要性能：1.71V～3.6V宽电压供电;主频高达180MHz。时钟芯片为DS3234芯片。集成了256字节SRAM，通过外部纽扣电池供电实现掉电存储，为数据采集系统提供精准时钟。串口扩展电路采用的是一转多路模拟开关的模式，通过单片机的IO端口控制不同的通道打开，达到串口扩展的目的。模拟开关选用CD4051芯片。数据采集系统软件程序主要包括初始化程序、时间校准程序、传感器采集处理程序和打包上传程序。
数据采集系统具备数据采集、处理、存储、质量控制、状态监控、传输、电源控制、故障判断、遥控功能;数据文件内容包括观测时间、站位信息、观测数据、设备状态数据和浮标状态数据;数据采集系统采集间隔可选择15min、0.5h、1h、2h、4h工作模式也可以根据实际需求进行定制。
4 数据传输系统设计
数据传输系统选用利用NB-loT网络进行无线数据传输的物联网无线数传终端[3]。终端采用高性能的工业级32位通信处理器和工业级无线模块，以嵌入式实时操作系统为软件支撑平台，同时提供RS232和RS485接口，可直接连接串口设备，实现数据透明传输功能;提供5路I/O;可实现数字量输入输出、脉冲输出、模拟量输入、脉冲计数等功能。
终端采用低功耗设计，支持多级休眠和唤醒模式降低功耗;内置实时时钟（RTC）;电源输入：DC 5V～36V，电源接口内置反相保护和过压保护;支持串口数据触发上下线模式;支持根据域名和IP地址访问中心;支持透明数据传输;支持串口软件升级和远程维护。
5 供电系统设计
供电系统采用太阳能电池板和锂电池组合供电的方式为浮标供电。太阳能电池板为18V/50W多晶太阳能板，太阳能电池板配置12V/10A充电控制模块;锂电池采用磷酸铁锂动力电池为电芯经串并联（4串4并）组成的12.8V/420Ah电池组，锂电池电芯技术参数如表2所示。 浮标系统功耗测试核算：
按照默认的数据采集传输周期对浮标进行联调试验，根据浮标系统联调试验的测试结果，浮标平均功耗电流为335mA，供电电压为锂电池输出电压。按照其标称电压计算，浮标系统平均功耗为4.288W。
浮标系统供电能力计算：
电池组总的电量为5 376Wh，按照80%放电量计算，电池组可为浮标系统持续供电时间为5 376×80%/4.288=1 003h，约等于42天。在连续阴雨天气等太阳能板无法正常充电的情况下，浮标系统理论自持力为42天。
太阳能板充电时，充电功率约为标称功率的50%，杭州地区年平均日照时间为3.42h，所以太阳能板日充电量为50×4×50%×3.42=342Wh，浮标系统日消耗电量为4.288×24=102.9Wh<342Wh，所以太阳能板充电能力能够满足浮标系统的用电需求。
6 传感器系统设计
根据被测地点水环境监测需求，传感器系统包括pH传感器、ORP传感器、溶解氧传感器、透明度传感器、营养盐传感器（氨氮和总磷），根据传感器的监测数据结合相关规范对水环境进行评价。传感器技术参数如表3、表4、表5所示。
7 岸站数据接收系统设计
岸站数据接收系统由服务器和数据处理软件组成，能够实时、准确、可靠地接收和处理数据。数据处理软件支持手机等移动设备展示和操作，可将手机等通讯器材作为显示终端。数据处理软件采用标准的语言编程，运行环境适用Windows系统。软件界面友好，操作简便，具有良好的可维护性和可扩充性。
数据处理软件能为被测水域提供水质评价预警功能，其他功能包括：账号密码登录，实时数据查询，历史数据查询，位置信息查询，数据导出生成报表，数据异常报警，数据评价，数据统计分析，设备管理，维护管理，数据采集远程控制，系统日志记录等，数据处理软件主页如图3所示。
8 应用和结论
文章所述的河道水环境监测系统已在多个监测站点得到应用，业务化运行时间超过一年，系统运行状况良好，能够满足水环境监测和数据信息处理要求。某监测点位浮标监测现场如图4所示。
河道水环境监测系统能够实时、连续、自动进行水体环境参数的采集、传输、接收、处理、显示和分析。浮标是水环境监测稳定可靠的一种方式，通过锚定的方式实现固定水域监测，也可根据需要调整监测位置，具有一定的监测灵活性。通过水环境監测系统的建设能够满足不同区域实地水环境监测的需求，对城市河道治水有十分重要的意义。
参考文献
[1] 姚跃，虞丽娟，曹守启，等.基于北斗通信的河道水质监测系统设计[J].计量学报，2020，41（10）：32-34.
[2] 李超.近岸海域实时在线监测浮标采集系统的设计[J].电子技术与软件工程，2016（17）：56-58.
[3] 贺强，杨璐，蔚晨月，等.基于物联网技术的水质监测系统[J].电子技术与软件工程，2018（15）：18-21.