李 超

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七一五研究所，浙江 杭州 310023）

0 引言

水是生命之源，是人們可以直接使用的自然資源。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活質(zhì)量的提升，我國(guó)對(duì)水資源的需求量不斷上升，因此地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作逐漸受到關(guān)注［1］。由于水質(zhì)分層現(xiàn)象客觀存在［2］，因此在關(guān)注表層水質(zhì)監(jiān)測(cè)的同時(shí)需要重視剖面水質(zhì)的監(jiān)測(cè)工作。傳統(tǒng)的水質(zhì)剖面分析方法有人工采水和安裝傳感器鏈兩種方式。人工采水是指在采樣水域手動(dòng)將采水設(shè)備放置到不同深度進(jìn)行采水作業(yè)，然后將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且操作麻煩。安裝傳感器鏈?zhǔn)侵冈谄脚_(tái)下方懸掛多臺(tái)間隔一定距離的自容式監(jiān)測(cè)設(shè)備，成本較高，且數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)傳輸。因此，設(shè)計(jì)了一種用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)的剖面測(cè)量浮標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、自動(dòng)及長(zhǎng)期的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)絞車(chē)收放水質(zhì)傳感器以測(cè)量不同深度的水質(zhì)參數(shù)信息，為了解布放水域的剖面水質(zhì)信息提供了參考。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

根據(jù)實(shí)際使用場(chǎng)景，確定布放水深大于80 m，數(shù)據(jù)接收率大于90%。在剖面測(cè)量方式方面，水深0.5～10 m時(shí)，每隔0.5 m 設(shè)定1 個(gè)測(cè)量層（如0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m……）；水深超過(guò)10 m時(shí)，每隔2 m 設(shè)定1 個(gè)測(cè)量層（如12 m、14 m、16 m、18 m、20 m……）。

1.2 剖面測(cè)量浮標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

剖面測(cè)量浮標(biāo)由浮體、錨系、安全防護(hù)系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、浮標(biāo)控制系統(tǒng)、絞車(chē)系統(tǒng)以及岸站接收顯示系統(tǒng)等組成。剖面測(cè)量浮標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

浮標(biāo)體為圓環(huán)形，選用吸水率超低且耐腐蝕的彈性泡沫材料制成。浮體內(nèi)部設(shè)有不銹鋼骨架，外表面噴涂聚脲彈性材料，使得浮體具有良好的抗擠壓和撞擊能力。

錨系采用雙錨設(shè)計(jì)，能有效防止水下傳感器電纜與錨鏈發(fā)生纏繞現(xiàn)象。

浮標(biāo)標(biāo)架上裝有避雷針、雷達(dá)反射器及警示燈等安全防護(hù)設(shè)施，可避免被過(guò)往船只碰撞，提高了浮標(biāo)的安全性。

絞車(chē)系統(tǒng)包括絞車(chē)、承力電纜、限位開(kāi)關(guān)以及傳感器組件（水質(zhì)傳感器和壓力傳感器）等。絞車(chē)布置在浮標(biāo)中心的圍井旁。承力電纜通過(guò)固定在標(biāo)架頂端的定滑輪后連接到傳感器組件。絞車(chē)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。通過(guò)絞車(chē)正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，垂直收放傳感器組件，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的垂直剖面測(cè)量。承力電纜選用凱夫拉材質(zhì)的通信電纜，長(zhǎng)度60 m 左右，可實(shí)現(xiàn)50 m 水深的剖面測(cè)量。承力電纜一頭采用拖頭連接傳感器，另一頭采用滑環(huán)方式連接浮標(biāo)控制系統(tǒng)。水質(zhì)傳感器和壓力傳感器安裝在傳感器吊籃里，吊籃為兩端錐形的圓筒，筒體開(kāi)有多只利于水交換的孔洞，能夠有效保護(hù)儀器不被外力損壞。

1.3 浮標(biāo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

浮標(biāo)控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線傳輸模塊、絞車(chē)控制模塊、狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、充電控制模塊以及電源管理模塊等組成。浮標(biāo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3 所示。

為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期在位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，浮標(biāo)采用蓄電池（標(biāo)稱電壓12 V）和太陽(yáng)能充電板的組合方式供電，并由充電控制模塊控制蓄電池的充放電。當(dāng)電池電壓過(guò)低或輸出電流過(guò)大時(shí)，切斷電源輸出，提高系統(tǒng)安全性。

電源模塊為數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線傳輸模塊、傳感器系統(tǒng)以及絞車(chē)控制系統(tǒng)供電。為降低系統(tǒng)功耗，電源模塊的每路輸出電壓都可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊的IO 接口控制加電和斷電。

絞車(chē)控制模塊用于控制絞車(chē)的上升、下降及停止。絞車(chē)電機(jī)采用的是24 V 供電的直流電機(jī)。絞車(chē)控制模塊主要由升壓模塊和繼電器模塊組成。升壓模塊用于將電源管理模塊輸出的標(biāo)稱12 V 的電壓轉(zhuǎn)化為24 V。繼電器模塊用于切換24 V 輸出電壓正負(fù)極來(lái)控制絞車(chē)正反轉(zhuǎn)。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊用于監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的運(yùn)行狀態(tài)，主要包括電子倉(cāng)漏水監(jiān)測(cè)、絞車(chē)吊籃限位監(jiān)測(cè)、浮標(biāo)姿態(tài)監(jiān)測(cè)以及供電電壓監(jiān)測(cè)等。浮標(biāo)出現(xiàn)故障時(shí)，可以根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊快速判斷故障原因并及時(shí)解決問(wèn)題，使浮標(biāo)盡快恢復(fù)運(yùn)行。

數(shù)據(jù)采集模塊是浮標(biāo)控制系統(tǒng)的核心，根據(jù)設(shè)置的工作模式和傳感器的采樣周期采集傳感器的數(shù)據(jù)，并控制絞車(chē)系統(tǒng)做剖面測(cè)量。完成測(cè)量后，將測(cè)量數(shù)據(jù)打包并加密，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊傳至岸站接收顯示系統(tǒng)，同時(shí)根據(jù)傳感器的采樣周期和工作時(shí)間控制設(shè)備斷電和加電。數(shù)據(jù)采集模塊在通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，將原始數(shù)據(jù)存貯在自帶存貯器內(nèi)，能夠在接收到岸站接收顯示系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)重發(fā)指令時(shí)，從存貯器中選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)重新發(fā)送，提高了數(shù)據(jù)接收率。

1.4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

剖面測(cè)量浮標(biāo)有表層測(cè)量、定點(diǎn)測(cè)量及剖面測(cè)量3 種工作方式。表層測(cè)量是傳感器處在初始位置（水下0.5 m 水深）定時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)；定點(diǎn)測(cè)量是通過(guò)接收岸站平臺(tái)發(fā)送的指令下潛到固定深度進(jìn)行定時(shí)測(cè)量；剖面測(cè)量是在初始位置到水下一定深度范圍內(nèi)每隔一定距離（0.5～10 m 按0.5 m 間隔設(shè)定測(cè)量層，超過(guò)10 m 按2 m 間隔設(shè)定測(cè)量層）進(jìn)行定期測(cè)量，通過(guò)岸站接收平臺(tái)可設(shè)置工作深度范圍和工作周期?？刂葡到y(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程如圖4 所示。

控制系統(tǒng)加電后進(jìn)行初始化配置，采集GPS 傳感器的時(shí)間數(shù)據(jù)校準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)間。如果GPS 時(shí)間無(wú)效或采集失敗，則使用系統(tǒng)自帶的時(shí)鐘芯片的時(shí)間。之后讀取壓力傳感器的數(shù)值，判斷傳感器吊籃所處的水深，通過(guò)控制絞車(chē)調(diào)整傳感器吊籃使之處于初始位置。隨后進(jìn)入主循環(huán)，查詢當(dāng)前設(shè)置的工作模式和周期，在到達(dá)采樣時(shí)間時(shí)，根據(jù)已設(shè)置的工作模式進(jìn)行測(cè)量。完成數(shù)據(jù)采集后，通過(guò)絞車(chē)控制傳感器吊籃回到初始位置。完成一個(gè)周期的測(cè)量后，控制系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)處理打包后傳到岸站接收顯示系統(tǒng)。

1.5 岸站接收顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

岸站接收顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)以“一體化數(shù)據(jù)管理應(yīng)用開(kāi)發(fā)與集成框架”為核心，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、傳輸、接收、管理、查詢、分析、預(yù)警、發(fā)布及存檔的全過(guò)程管理［3］，主要包括以下4 個(gè)模塊。

（1）浮標(biāo)分布圖，顯示所有浮標(biāo)的地理位置信息，便于全局了解布放信息。

（2）數(shù)據(jù)表格，顯示各個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)和浮標(biāo)狀態(tài)信息。

（3）數(shù)據(jù)曲線，用曲線圖顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)等信息。

（4）浮標(biāo)管理，用于管理浮標(biāo)狀態(tài)，如更改采集周期和設(shè)置工作模式等。

2 浮標(biāo)運(yùn)行情況

剖面測(cè)量浮標(biāo)在千島湖進(jìn)行了布放實(shí)驗(yàn)，布放水域水深100 m 左右，設(shè)置浮標(biāo)做0.5～50 m 深度范圍的剖面測(cè)量。岸站接收顯示系統(tǒng)顯示的部分接收數(shù)據(jù)，如圖5 所示。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，剖面浮標(biāo)實(shí)現(xiàn)了測(cè)量水質(zhì)剖面數(shù)據(jù)參數(shù)的功能，在布放的3 個(gè)月內(nèi)運(yùn)行良好，無(wú)故障發(fā)生。經(jīng)計(jì)算，3 個(gè)月的數(shù)據(jù)接收率為95.78%，滿足“數(shù)據(jù)接收率大于90%”的設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)的剖面測(cè)量浮標(biāo)以浮體為平臺(tái)，通過(guò)絞車(chē)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)傳感器自動(dòng)升降，采集布放水域剖面方向上多個(gè)水層的溫度、鹽度、電導(dǎo)率、pH 值、DO 值、溶解氧飽和度、濁度以及葉綠素等參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送到岸站接收顯示系統(tǒng)，使工作人員能夠及時(shí)了解布放水域的水質(zhì)剖面情況，為布放水域生態(tài)系統(tǒng)治理、開(kāi)發(fā)及保護(hù)工作提供了數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，設(shè)備集成了安全防護(hù)系統(tǒng)和浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效保障了浮標(biāo)在連續(xù)、實(shí)時(shí)及長(zhǎng)期無(wú)人值守狀態(tài)下的穩(wěn)定運(yùn)行。