浮标式流域监测仪的研究

摘要： 通过研究浮标式流域监测仪的监测技术，设计了能漂浮在水面上的在线监测仪，仪器包括采样单元、检测单元、显示单元和GPRS单元，实现了高可靠性、高防水性和无线传输的流域浮标式实时在线监测。

Abstract： By research on monitoring technologies of buoy watershed monitor， designed the online monitor floating in the water， and instruments include the sampling unit， detection unit， display unit and GPRS unit， which achieves basin buoy real-time online monitoring of high reliability， high waterproof and wireless transmission.

关键词： 浮标式；在线监测；无线传输

Key words： buoy；online monitoring；wireless transmission

中图分类号：TV212.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）02-0284-02

0 引言

我国水环境面临着水体污染、水资源短缺和洪涝灾害等多方面压力。水体污染加剧了水资源短缺，水生态环境破坏促使洪涝灾害频发。据1999年《中国环境状况公报》显示，目前我国七大水系、主要湖泊、近岸海域及部分地区的地下水受到不同程度的污染。河流以有机污染为主，主要污染物是氨氮、生化需氧量、高锰酸盐指数和挥发酚等；湖泊以富营养化为特征，主要污染指标为总磷、总氮、化学需氧量和高猛酸盐指数等；近岸海域主要污染指标为无机氮、活性磷酸盐和重金属。这些因素构成了水环境问题影响范围广，危害严重，治理难度大等特征。

浮标式水质检测仪主要应用于流域水监测，特别是发生突发事故时应用更为广泛，该技术目前尚无国内外开发厂家，如果该技术得到应用，可以大大提高了水质监测的效率，避免了人工操作过程中的误差，可以监测出江河水污染物的分布情况，对确保湘湖应急备用水源的水质安全有十分重要的意义。

1 浮标式流域监测仪器工作原理

监测仪采用太阳能供电，内部安装有高精度的水质传感器和GPS卫星定位系统，水样通过采水泵被采集到水样盒中，然后再通过各个检测通道进行比色检测，计算出各待测物的浓度，并通过无线网络向数据中心实时传输电导率、pH值、溶解氧浓度、叶绿素浓度、氨氮浓度等近10项常规水质检测数据。

2 浮标式流域监测仪设计

2.1 仪器结构框图 仪器结构框图如图1所示：

图1所示，监测仪器由四个单元组成，包括采样单元、检测单元、显示单元和GPRS单元，采样单元主要完成水样的采集和过滤。检测单元由电极检测模块和比色检测模块组成，主要完成电极信号和吸收光信号的处理。显示单元由AD采集、阀体控制、光源控制和中央控制器组成，主要完成对检测到信号进行处理、采水泵等阀体的控制、检测光源的控制、数据运算、数据存储等功能，最后将浓度结果通过RS485或RS232输出。GPRS单元主要完成数据无线传输到中央控制平台。

2.2 采样单元设计 采样单元由水样盒、过滤器和采样泵组成，其工作流程为：水样在采样泵的负压作用下进入过滤器，然后进入水样盒，为各参数检测提供水样。为了保证采样单元与别的单元的独立性，必须做到密封、防水，不能让水样渗透到其他单元中去。

2.3 检测单元设计

2.3.1 电极检测模块 电极检测包括pH电极、溶解氧电极、浊度电极、叶绿素电极、氯离子电极和重金属电极，通过检测电极的信号与水样中待测物值的变化关系，得到待测物的结果，电极的外观结构如图2所示。

2.3.2 比色检测模块 比色检测模块包括光源、光电检测和信号处理部分。

监测仪采用LED灯作为光源，LED（LightingEmitting

Diode）是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫等各种波长的光。它具有体积小、能耗低、使用寿命长、高亮度、低能量和环保等优点。

光电检测采用光电池作为检测器件，光电池是一种特殊的半导体二极管，能将可见光转化为直流电。有的光电池还可以将红外光和紫外光转化为直流电。光电池具有P-N节，通过这种结构方式，P-N节暴露于可见光，红外光或紫外线下，当射线照射到P-N节的时候，在P-N节的两侧产生电压，这样连接到P型材料和N型材料上的电极之间就会有电流通过，通过检测电流的大小得到光的信号强度。

信号处理主要是通过运算放大器将光电池的信号进行放大，由电流信号转换成电压信号。

2.4 显示单元

2.4.1 中央控制器结构 显示单元以8051F120型号的CPU为核心，设计了128M的外部存储器，采用了3.5英寸的液晶显示屏，中央控制器的系统结构图见图3。

2.4.2 AD采集 AD采集处理部分主要是完成光电探测器后端的信号进行采集并处理，使其采集到的信号更加有代表性。数据处理采用算术平均滤波法，提高其有用信号的比重，消除变化信号中的尖脉冲干扰值。

2.4.3 阀体控制 阀体控制由光电耦合电路、PWM发生器组成，主要是完成采样泵取样、蠕动泵定量进样等的控制。

2.4.4 光源控制 光源控制由恒流源电路和通道切换电路组成，恒流源电路主要是完成LED光源的20mA恒流控制，保证LED稳定的发光强度，通道切换电路主要完成各路LED光源的切换控制。

2.5 GPSR单元 GPRS经常被描述成“2.5G”，也就是说这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。GPRS采用分组交换的通信方式，在这种传送方式中，数据的发送和接收方同信道之间没有固定的占用关系，信道资源可以看作是由所有的用户共享使用。由于数据业务在绝大多数情况下都表现出一种突发性的业务特点，对信道带宽的需求变化较大，因此采用分组方式进行数据传送将能够更好地利用信道资源。

通过GPRS技术可以将监测数据无线传输到监控平台，让用户透过监控平台能实时掌握流域的监测数据。

3 结论

通过设计采样单元、检测单元、显示单元和GPRS单元，成功研制了浮标式流域在线监测仪器，能应用于流域中pH值、氨氮、浊度等参数的在线实时监测，具有实时、快速、安全和可靠等特点，可以为环保部门迅速、有效地了解流域污染物的分布情况，具备了良好的市场推广前景。

参考文献：

[1]王国际.深海浮标式水下监听装置的监听电路设计[J].武汉理工大学学报，2011.

[2]孙瑛琦，王彦波，秦华.一次性浮标式海表温度采集系统的设计[J].舰船电子工程，2008.

[3]俞沅.浮标式水面溢油监视报警系统[J].海洋技术，1997.