CN101236159A - 用于蓝藻监测及蓝藻水华预警的浮标 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于蓝藻监测及蓝藻水华预警的浮标，由浮标载体、仪器舱、监测传感器集合体、通讯天线和太阳能电池板构成，浮标载体承托整个浮标漂浮于水面，仪器舱安装固定在浮标载体之上，监测传感器集合体悬挂在浮标载体的正下方，仪器舱的顶部安装通讯天线，仪器舱的外表面安装太阳能电池板，仪器舱内部安装有电源、控制模块、信号接受/发送模块、数据记录器、马达和传感器位置调节器。本发明可以放置在湖泊、水库或者水源地，对水体中不同位置、不同深度的有效辐射光强、温度、溶解氧、蓝藻生物量和总藻类生物量进行监测，并实现数据的实时传输。

Description

用于蓝藻监测及蓝藻水华预警的浮标

技术领域

本发明涉及一种用于蓝藻监测及蓝藻水华预警的浮标，能够对湖泊、水库等水体中的光照、温度、溶解氧等物理参数指标、蓝藻生物量和总藻类生物量等参数指标进行监测，属水环境保护技术领域。

背景技术

富营养化的主要表现是水华的爆发。在中国的湖泊、水库等内陆水域中，蓝藻水华犹为常见。蓝藻水华造成水体生态破坏，影响景观；同时蓝藻水华通常由一些能够分泌藻毒素的有毒蓝藻的爆发引起，而藻毒素处理技术要求高，因此还会给富营养化水源地的给水处理造成极大的麻烦，影响供水安全，威胁居民的健康。但是蓝藻水华是可以预防的，在水华爆发前，采取一定的工程措施可以避免蓝藻水华的发生或者减轻其危害；或者通过预警向居民发出警告，从而减少不必要的危害。因而，蓝藻水华的预警是非常有意义的。

世界卫生组织(WHO)1999年发布的《水中的有毒蓝藻：公共卫生重要性及其监测和管理指南》中提出了蓝藻预警的框架，设置了3个警告水平，依据是水体中蓝藻的生物量，或者藻毒素的含量。在澳大利亚、韩国等国家和地区也提出了类似的标准。因此蓝藻生物量的监测对蓝藻水华的预警具有很重要的意义。

传统的浮游植物监测技术是通过采样——运输——实验室分析的流程得以完成，这种技术耗时、对分析员技术经验要求高、工作量大，而且不能实时地反映浮游植物的变化，加大水华预警的难度。授权公告号为CN 1139784C的发明专利提出了一种海洋赤潮及湖泊蓝绿藻遥测系统，主要由监测子站和遥测控制中心站构成，子站和中心站利用CDMA或者GSM手机通过公共无线通信网络进行信息交换和控制，从而对藻类进行直视性遥测，不受各种自然条件的影响和限制，实现高可靠性、高精度的直接遥测。该系统中监测子站由一台大于200万象素的CCD数字相机、一台CDMA或GSM手机、子站控制部分及水样自动采集清洗部分组成，通过数码照相的方式监测藻类。

根据WHO的预警框架，预警主要依据蓝藻的生物量，而通过数码照相的方式测定藻类的生物量存在一定的技术难度。荧光测定技术在区分蓝藻和其他藻类，以及蓝藻生物量测定方面有着较成熟的技术实践经验，而且荧光测定技术设备简单、操作简便、易于实现自动控制、精度高、成本低，有着较好的应用前景。

造成蓝藻水华的原因是很复杂的，蓝藻生物量的增加是重要表现；同时在蓝藻水华形成的过程中，整个藻类群落结构的演替和变化也是重要的特征因素，是重要的预警参数。水体的温度、光照条件、溶解氧等物理条件是重要的诱发因素。对以上这些因素进行监测，同时考虑藻类群落的变化以及水体物理条件的变化，将有助于提高蓝藻水华预警的准确度和精度。目前尚无一种简便成熟的装置可以直接进行蓝藻监测及蓝藻水华预警。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于蓝藻监测及蓝藻水华预警的浮标，可放置在湖泊、水库或者水源地，实时监测水体不同深度的蓝藻生物量及与蓝藻水华发生的相关数据，并可实时传输到监测系统中心，为蓝藻水华预警提供基本监测数据。

为实现上述目的，本发明设计的用于蓝藻监测及蓝藻水华预警的浮标由浮标载体、仪器舱、监测传感器集合体、通讯天线和太阳能电池板构成，浮标载体承托整个浮标漂浮于水面，仪器舱安装固定在浮标载体之上，仪器舱与浮标载体的连接处密封以防水防腐蚀，浮标载体的中心穿孔，监测传感器集合体的位置调节线穿过浮标载体的中心孔，将监测传感器集合体悬挂在浮标载体的正下方，监测传感器集合体的信号线经由浮标载体的中心孔与仪器舱连接，仪器舱的顶部安装通讯天线，仪器舱的外表面安装太阳能电池板。

所述仪器舱内部安装有电源、控制模块、信号接受/发送模块、数据记录器、马达和传感器位置调节器，电源的电源输入端与太阳能电池板相连接，电源的电源输出端与控制模块的电源输入端相连，控制模块的电源输出端分别与信号接受/发送模块、数据记录器、通讯天线和马达的电源端连接，控制模块的控制端通过信号线分别与数据记录器、信号接受/发送模块和电源的控制端连接，数据记录器的控制端与信号接受/发送模块的控制端通过信号线连接。马达直接与传感器位置调节器耦合，驱动其运转。监测传感器集合体的所有信号线经由浮标载体的中心孔与仪器舱中数据记录器的控制端连接。

监测传感器集合体由蓝藻荧光监测传感器、总藻类荧光监测传感器、温度传感器、溶解氧传感器和光合有效辐射照度传感器集合而成，位于水下，一方面通过穿过浮标载体中心的位置调节线与仪器舱内的传感器位置调节器相连，悬挂于浮标体中心正下方，另一方面通过监测传感器集合体信号线与仪器舱内的数据记录器控制端连接以传输监测数据。

浮标载体可以由实心或中空的塑料、橡胶、金属等材料等构成，为本发明浮标提供浮力，使得仪器舱浮在水面之上。浮标载体的中心位置穿孔，可以让传感器调节线和信号线通过。

仪器舱是本发明的核心部件之一，固定在浮标载体之上，一般利用螺母固定，螺母外涂防锈油漆。仪器舱内的仪器有电源、控制模块、信号接受/发送模块、数据记录器、马达和传感器位置调节器。电源可以储存太阳能电池板产生的电能，为整个浮标的仪器和设备供电。控制模块控制整个浮标的供电、采样分析和数据传输，其程序可以预先设定，也可以通过信号接受/发送模块进行远程控制，重新设定。信号接受/发送模块负责通过天线或者有线连接与外界(主要是监测系统中心)进行数据交换。数据记录器用于记录传感器的监测数据，并由控制模块控制，通过信号接受/发送模块将数据传到监测系统中心，数据传送成功之后将由控制模块控制删除。传感器位置调节器用于调节传感器在水体中的深度，由马达驱动。马达的运行由控制模块控制。在仪器舱的外表面覆盖有太阳能电池板，太阳能电池板能够产生电能，并将产生的电能储存在电源中供系统使用。在仪器舱的顶部有通讯天线，可通过公共无线网络与监测系统中心进行信息交换。

监测传感器集合体是本发明的另一个核心部件，集成了蓝藻荧光监测传感器、总藻类荧光监测传感器、温度传感器、溶解氧传感器和光合有效辐射照度传感器。传感器位置调节器通过位置调节线调节传感器在水体中的位置，传感器通过信号线与数据记录器连接，其监测的数据记录在数据记录器中。蓝藻荧光监测传感器利用620nm的单色光照射藻类，检测645nm波长的激发荧光以检测藻蓝蛋白的数量，以此反映蓝藻的生物量；总藻类荧光监测传感器利用465nm的单色光照射藻类，检测670nm波长的激发荧光以检测叶绿素a的数量，以此代表藻类总生物量。

在实际应用时，可以将一定数量的浮标布置在湖泊、水库或者水源地中的特定位置，对水体中不同深度的蓝藻生物量、藻类总生物量、温度、光照、溶解氧进行监测，并将数据实时传输到监测系统中心，监测系统中心通过数据分析对这些水体的蓝藻水华进行实时有效的预警。

本发明的优点在于：可以对水体中不同位置、不同深度的多个重要蓝藻水华预警指标进行连续监测，并实现数据的实时传输；整个监测过程自动执行，一般不需要人工干预；可远程控制，根据需要调整监测的范围和频率；可以大范围布置浮标，对整个水体进行全面的监测；采用太阳能供电，节约能源和资源。

附图说明

图1为本发明结构的外观图。

图1中，1为通讯天线，2为仪器舱，3为浮标载体，4为监测传感器集合体7的信号线，5为太阳能电池板，6为监测传感器集合体7的位置调节线，7为监测传感器集合体。

图2为浮标内部结构示意图。

图2中，2为仪器舱，3为浮标载体，8为控制模块，9为马达，10为位置调节器，11为电源，12为数据记录及转换器，13为信号接受/发送模块。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行描述。

本发明结构如图1所示，由浮标载体3、仪器舱2、监测传感器集合体7、通讯天线1和太阳能电池板5构成。用于蓝藻监测及蓝藻水华预警的浮标由浮标载体3承托漂浮于水面上，仪器舱2安装固定在浮标载体3之上。仪器舱2与浮标载体3的连接处密封以防水防腐蚀。浮标载体3的中心穿孔，监测传感器集合体7的位置调节线6穿过浮标载体3的中心孔，将监测传感器集合体7悬挂在浮标载体3的正下方，监测传感器集合体7的信号线4也经由浮标载体3的中心孔与仪器舱2连接。仪器舱2的顶部安装通讯天线1，仪器舱2的外表面安装太阳能电池板5。

本发明内部结构如图2所示，仪器舱2内部安装有电源11、控制模块8、信号接受/发送模块13、数据记录器12、马达9和传感器位置调节器10，均固定在仪器舱2的底部。图2中的点划线为电源线，细实线为信号线。电源11的电源输入端通过电源线与太阳能电池板5相连接，电源11的电源输出端通过电源线与控制模块8的电源输入端相连，控制模块8的电源输出端通过电源线分别与信号接受/发送模块13、数据记录器12、通讯天线1和马达9的电源端连接。控制模块8的控制端通过信号线分别与数据记录器12、信号接受/发送模块13和电源11的控制端连接。数据记录器12的控制端与信号接受/发送模块13的控制端通过信号线连接。传感器位置调节器10安装于仪器舱2底部正中央，处于整个浮标体的重心线上，马达9直接与传感器位置调节器10耦合，驱动其运转。监测传感器集合体7的所有信号线经由浮标载体3中心的孔与仪器舱2中数据记录器12的控制端连接。

仪器舱内的设备放置要能够保证浮标位置的平衡，即整个浮标体重心线与中心线重合，必要时可以填充复合材料以保证平衡，以确保整个浮标放置在水中后不倾斜，保证监测传感器集合体7的位置调节正确。

所述监测传感器集合体7由蓝藻荧光监测传感器、总藻类荧光监测传感器、温度传感器、溶解氧传感器和光合有效辐射照度传感器集合而成，其在水体中所处的深度由所述传感器位置调节器10进行调节。

浮标安装完成后，放置在水面上的特定位置。首次使用时，先为电源11充满电。太阳能电池板5产生的电能不断储存在电源11中。若连续遇到阴雨天气，电源11电量小于执行一次监测任务的所需电量时，将自动通过信号线触发控制模块8，打开通讯天线1和信号接受/发送模块13，向监测系统中心发送信号报告电量不足，由监测系统中心采取进一步措施。

按照预设程序，在某一监测时间，控制模块8首先自动与电源接通，开启。控制模块8接通马达9电源，开动马达9，马达9驱动位置调节器13转动，通过对位置调节线6的伸缩，将监测传感器集合体7调整到设定的监测位置，而后控制模块8关闭马达9；控制模块8接通数据记录器12电源并通过信号线向数据记录器12发出指令，数据记录器12再通过监测传感器集合体7的信号线4开启监测传感器集合体7的监测功能，对水体中某一地点预设深度的蓝藻生物量、总藻类生物量、温度、溶解氧和光合有效辐射照度进行检测，相关监测数据再通过信号线4传回到数据记录器12中；控制模块8接通信号接受/发送模块13和通讯天线1的电源，由信号接受/发送模块13将数据记录器12中的监测数据通过通讯天线1发出；信号接受/发送模块13收到由监测系统中心返回的传送成功的反馈信号后，再传给控制模块8，而后由控制模块8控制，将数据记录器12中的监测数据删除，同时关闭数据记录器12，监测传感器集合体7的监测功能随之关闭。

根据监测需要，要对预设程序进行修改时，监测系统中心在向浮标返回数据传送成功的反馈信号之前，向浮标体发送修改程序的指令，信号接受/发送模块13经由通讯天线1接收到修改信号，发送给控制模块8，由控制模块8完成自修改，而后再关闭各个仪器和控制模块8本身。

Claims (3)

1、一种用于蓝藻监测及蓝藻水华预警的浮标，其特征在于由浮标载体(3)、仪器舱(2)、监测传感器集合体(7)、通讯天线(1)和太阳能电池板(5)构成，浮标载体(3)承托整个浮标漂浮于水面，仪器舱(2)安装固定在浮标载体(3)之上，仪器舱(2)与浮标载体(3)的连接处密封，浮标载体(3)的中心穿孔，监测传感器集合体(7)的位置调节线(6)穿过浮标载体(3)的中心孔，将监测传感器集合体(7)悬挂在浮标载体(3)的正下方，监测传感器集合体(7)的信号线(4)经由浮标载体(3)的中心孔与仪器舱(2)连接，仪器舱(2)的顶部安装通讯天线(1)，仪器舱(2)的外表面安装太阳能电池板(5)；所述仪器舱(2)内部安装有电源(11)、控制模块(8)、信号接受/发送模块(13)、数据记录器(12)、马达(9)和传感器位置调节器(10)，电源(11)的电源输入端与太阳能电池板(5)相连接，电源(11)的电源输出端与控制模块(8)的电源输入端相连，控制模块(8)的电源输出端分别与信号接受/发送模块(13)、数据记录器(12)、通讯天线(1)和马达(9)的电源端连接，控制模块(8)的控制端通过信号线分别与数据记录器(12)、信号接受/发送模块(13)和电源(11)的控制端连接，数据记录器(12)的控制端与信号接受/发送模块(13)的控制端通过信号线连接；马达(9)与传感器位置调节器(10)耦合；监测传感器集合体(7)的所有信号线经由浮标载体(3)的中心孔与仪器舱(2)中数据记录器(12)的控制端连接。

2、根据权利要求1的用于蓝藻监测及蓝藻水华预警的浮标，其特征在于所述浮标载体(3)由实心或中空的塑料、橡胶或金属材料构成。

3、根据权利要求1的用于蓝藻监测及蓝藻水华预警的浮标，其特征在于所述监测传感器集合体(7)由蓝藻荧光监测传感器、总藻类荧光监测传感器、温度传感器、溶解氧传感器和光合有效辐射照度传感器集合而成，其在水体中所处的深度由所述传感器位置调节器(10)进行调节。

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