CN102053139A - 一种实时的多参数远程水质监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实时的多参数远程水质监测系统和方法。该系统包含环境监测控制中心和分布式地放置于水源地的若干现场水质监测装置，其中现场水质监测装置，用于将实时的水质数据发往环境监测控制中心，包括：若干传感器单元，用于实时的采集现场水质的参数；信号调理放大和AD转换单元，将实时采集的现场水质的参数进行调理放大和AD转换后变成数字信号并传送到中央控制单元；数据存储单元；液晶显示单元；键盘输入单元；中央控制单元，用于协调和控制现场监测装置的其它各单元的工作；无线通信单元；及电源模块单元。环境监测控制中心接收实时的水质监测数据将其进行存储、处理，也可以随时对现场水质监测装置进行主动的远程控制。

Description

一种实时的多参数远程水质监测系统和方法

技术领域

本发明涉及一种水质监测系统和方法，具体的说，本发明涉及一种实时的多参数远程水质监测系统和方法，属于水环境保护技术领域。

背景技术

随着我国社会工业化的发展，向水体排入大量含氮、磷的工业废水和生活污水，从而加速了湖泊的富营养化，导致了水生生物，特别是藻类的大量繁殖，破坏了水体的生态平衡，导致蓝藻水华。蓝藻水华的微囊藻毒素是一种肝毒素，这种毒素是肝癌的强烈促癌剂，毒性最强、危害最大的一种淡水蓝藻毒素。

藻毒素具有水溶性和耐热性。其易溶于水，在水中的溶解性大于1g/L，化学性质相当稳定，而自然降解过程是十分缓慢的。自来水处理工艺的混凝沉淀、过滤、加氯也不能将其去除。目前，世界卫生组织(WHO)制定的饮水中微囊藻毒素，最高允许含量为1ug/l。因此，监测水体中蓝藻的生物量对蓝藻水华发生进行预警，并采取措施避免蓝藻水华的发生和减少其危害具有重要的意义。

目前，对水质的检测主要基于传统的实验室分析方式。需要利用大型的专用检测设备，比如液相色谱法、分光光度法、电化学法等。这些检测手段通过人为的现场采样、运输、实验室分析的流程来完成。其对采样、制样的技术经验要求高、耗时较长、成本高、工作量大，而且不能实时的反映浮游植物的情况。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种实时的多参数远程水质监测系统和方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种实时的多参数远程水质监测系统，其特征在于，该系统包含环境监测控制中心和分布式地放置于水源地的若干现场水质监测装置，所述的现场水质监测装置，用于将实时的水质数据发往环境监测控制中心；所述的现场水质监测装置包括：

若干传感器单元，用于实时的采集现场水质的参数；

信号调理放大和AD转换单元，将实时采集的现场水质的参数进行调理放大后，经过AD转换电路后变成数字信号并传送到中央控制单元；

数据存储单元，由中央控制单元控制，用于存储上述的数字信号及其水质监测发生的时间；

液晶显示单元，用于显示监测装置的工作状态信息，并能实时地显示监测到的参数数据；

键盘输入单元，键盘输入单元能设定监测装置的工作参数；

中央控制单元，用于协调和控制现场监测装置的其它各单元的工作；

无线通信单元，用于现场水质监测装置与环境监测控制中心之间进行通信，包括：通信天线和通信模块；

电源模块单元，用于为现场监测装置提供稳定的3.3V工作电压。

在实际应用中，可以将现场水质监测装置放置于水面浮标，或其他水面平台上。同时，将一定数量的水质监测装置分布式地布置在湖泊、水库等水源地的特定位置，可以对水体不同深度的蓝藻生物量、溶解氧含量、浊度、PH值、温度、电导率等参数进行监测，并将数据实时的传输到环境监测控制中心。

所述的若干传感器单元，包括：蓝藻荧光传感器、溶解氧传感器、浊度传感器、PH值传感器、温度传感器、电导率传感器或水深传感器，被集成密封在一个套筒中，其传感部位裸露在外，同时预留扩展口并配有相应的清洁装置，用于增加传感器。当进行水质检测时，多参数传感器单元伸入水中，各个传感器的传感窗口垂直向下，检测不同深度的水质参数。传感器单元通过防水电缆与信号调理放大和AD转换单元相连。

所述的信号调理放大和AD转换单元采用了低噪声、高精度的电路设计，能有效采集各传感器的微小信号，并能将其转换成相应的数字信号。该单元包括：开关选择电路15、程控前置放大电路16、锁相放大电路17、低通滤波电路18和AD转换电路19，开关选择电路用来选择所要采集的水质参数信息，也就是选择采集哪个传感器的信号。将采集到的传感器微弱信号传输到程控前置放大电路进行前置放大，该前置放大电路采用低噪声设计，在增加信号驱动的同时防止信号变差。前置放大后的信号进入锁相放大电路，对传感信号进行主放大，同时能大大抑制其他频率的噪声信号。放大后的信号经过低通滤波电路传输到AD转换电路，将采集到的信号变成相应的数字信号，AD转换主要通过高精度的AD芯片来实现。转换后的数字信号传送到中央控制单元。该系统还包括有RS-232串口通信单元，所述的RS-232串口通信单元是监测装置的一个预留通信口，无线网络因故无法通信的情况下，通过该串口通信单元能将监测到的参数数据传送到PC机中。

所述的电源模块单元包含：

锂电池组，供电电压为15V，容量为6600mah；

稳压电路，用于为锂电池组进行直流-直流(DC-DC)电压转换和低压差线性稳压(LDO)的两级电压转换，从而为电路提供稳定的3.3伏工作电压。

所述的电源模块单元的充放电电路在没有市电的情况下，利用大容量的电池组来给监测装置供电；在有市电的情况下，直接利用市电为整个装置供电，并且能为电池组进行充电；也可外加太阳能电板对电池组进行充电。

为实现上述发明目的，本发明还提供了一种实时的多参数远程水质监测方法，该方法通过现场水质监测装置实时监测现场水质数据并发往环境监测控制中心；具体步骤包括：

1)现场水质监测装置上电工作，其中央控制单元检测各单元的状态情况；如果有故障发生，则返回相应的故障代码；如果正常，转入下一步2)；

2)中央控制单元启动无线通讯单元与环境监测控制中心建立无线连接，连接成功后，现场水质监测装置进行数据的无线传输；

3)中央控制单元控制传感器工作，采集水质的各项参数数据信号，信号经过信号调理放大和AD转换单元后转换为相应的数字信号，并传送到中央控制单元；

4)中央控制单元将监测发生的时间和得到的参数数据一并存入数据存储单元，同时将这些数据通过无线通讯单元发送到环境监测控制中心。

所述的步骤2)建立无线连接的时刻，如果是监测装置设定的监测时间，，则中央控制单元唤醒各单元，使其进入正常工作状态，否则，中央控制单元控制各单元进入休眠状态。

该系统包括环境监测控制中心，现场水质监测装置，所述的现场水质监测装置，分布式地放置于水源地，对水源地的水质进行实时的监测。并将实时的水质数据发往环境监测控制中心；其中现场水质监测装置包括：若干传感器单元，用于实时的采集现场水质的参数；信号调理放大和AD转换单元，将实时采集的现场水质的参数进行调理放大后，经过AD转换电路后变成数字信号并传送到中央控制单元；数据存储单元，由中央控制单元控制，用于存储上述的数字信号及其水质监测发生的时间；液晶显示单元，用于显示监测装置的工作状态信息，并能实时地显示监测到的参数数据，这样方便对仪器装置的定期检查和调试。而当监测装置放置于野外现场时，为节省电池组电源，液晶显示单元在中央控制单元的控制下进入休眠状态；键盘输入单元，键盘输入单元能设定监测装置的工作参数；中央控制单元，用于协调和控制现场监测装置的其它各单元的工作；无线通信单元，用于现场水质监测装置与环境监测控制中心之间进行通信，包括：通信天线和通信模块。该通信模块的通信方式可以是利用无线数传电台、现有公网的无线通信如GSM、GPRS或3G、卫星通信等。中央控制单元正是通过该无线通信单元将水质监测发生的时间和各传感器的监测数据实时地远程传送到环境监测控制中心。同时，环境监测控制中心也可以通过无线方式远程控制现场水质监测装置，对其装置的一些相关工作参数进行重新设定。电源模块单元，用于为现场监测装置提供稳定的3.3V工作电压。该装置安放在江河、湖泊及水库等水源地，实时监测水质的多项技术参数。

本发明还提出了一种实时的多参数远程水质监测方法，该方法通过现场水质监测装置实时监测现场水质数据并发往环境监测控制中心；具体步骤包括：首先对现场水质监测装置上电工作，其中央控制单元检测各单元的状态情况；如果有故障发生，则返回相应的故障代码；如果正常，中央控制单元启动无线通讯单元与环境监测控制中心建立无线连接，假如此时不是监测装置设定的监测时间，中央控制单元控制各单元进入休眠状态；否则中央控制单元唤醒各单元，使其进入正常工作状态，进行数据的无线传输；然后中央控制单元控制传感器工作，采集水质的各项参数数据信号，信号经过信号调理放大和AD转换单元后转换为相应的数字信号，并传送到中央控制单元；最后中央控制单元将监测发生的时间和得到的参数数据一并存入数据存储单元，同时将这些数据通过无线通讯单元发送到环境监测控制中心。

所述的环境监测控制中心由防火墙、网络服务器、数据库和人工终端电脑等设备组成。网络服务器可以与现场水质监测装置进行实时的远程无线网络通讯。当服务器接收到监测数据后，其控制显示程序对水质监测数据进行分析、处理和报警，并将监测数据存入水质监测数据库中。同时，服务器中设有分布式现场水质监测装置的地图信息，能图形化的显示每个监测地点的实时监测情况。人工终端电脑可以显示当前的监测信息，也可以人为地远程唤醒、控制现场水质监测装置。

本发明的优点在于：现场水质监测装置采用低电压、低功耗设计，监测过程由仪器装置自动完成，无需人工值守。通过分布式的放置现场水质监测装置，能实时连续地监测特定位置水源地水体中不同深度的蓝藻生物量、溶解氧含量、浊度、PH值、温度、电导率等参数指标，并能实时地将参数数据通过无线网络传送到环境监测控制中心。环境监测控制中心能实时的分析和处理水质监测数据，同时也可以对现场水质监测装置进行远程控制。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是实时的多参数远程水质监测系统的结构示意图。

图2是现场水质监测装置的结构示意图。

图3是电源模块单元的结构示意图。

图4是信号调理放大和AD转换单元结构示意图。

图5是现场水质监测装置的控制程序流程图。

图6是环境监测控制中心的控制程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明，但不应该以此限制本发明的保护范围。

本发明的结构如图1所示，系统由现场的水质监测装置和环境监测控制中心所组成。现场水质监测装置的结构如图2所示，它分布式地放置在水源地，对特定位置的水质进行实时的监测，并将实时数据通过无线网络传送到环境监测控制中心。环境监测控制中心的服务器接收来自现场监测装置的实时数据，并进行相应的分析、处理和报警，同时可以对现场监测装置进行远程控制。

在本实施例中，现场水质监测装置采用了低电压、低功耗设计，其电路工作电压为3.3V。电源由电源模块单元3提供，如图3所示，电源模块单元3包含大容量的锂电池组12、稳压电路13和充放电电路14。其中，锂电池组12供电电压为15V，容量为6600mah。该锂电池组12要通过稳压电路13的两级稳压，分别为直流-直流(DC-DC)电压转换和低压差线性稳压(LDO)的电压转换，为装置电路提供稳定的3.3V的工作电压。而在有市电供电的情况下，充放电电路14可以直接利用市电给装置供电，并可以为锂电池组12充电。为增加电池的工作时间，该模块也可以外加太阳能电板充电。

中央控制单元7是整个现场水质监测装置的核心单元，它控制着整个装置的工作，这里采用低功耗的单片机89LV51控制芯片。在装置上电时，中央控制单元7首先检测其他各个单元的状态。在没有故障的情况下，中央控制单元7通过启动无线通信单元8，与环境检测控制中心进行无线网络连接。无线通信单元8采用西门子的GPRS模块MC55，该模块利用移动公网的GPRS网络通信，将监测装置的传输数据通过基站发送到移动的内部GPRS网络中，再通过Internet网关节点(GGSN)发送到互联网上。环境监测控制中心通过有固定IP地址的互联网服务器接收来自现场监测装置的连接请求，并将握手信号发送给现场水质监测装置。装置接收到握手信号后，表示与环境监测控制中心已经建立了网络连接，并可以进行数据的传输。

多参数传感器单元10是由多个传感器集合而成，包括蓝藻荧光传感器、溶解氧传感器、浊度传感器、PH值传感器、温度传感器、电导率传感器及水深传感器等，，同时预留有扩展口，方便增加其他类型的传感器。多参数传感器单元10通过防水电缆与信号调理放大和AD转换单元9相连，并受中央控制单元7的控制。当现场水质监测装置达到设定的监测时间时，单片机控制单元7唤醒各单元，使其进入正常工作状态。在进行水质监测时，多参数传感器单元伸入水中，各个传感器的传感窗口垂直向下，中央控制单元7根据程序控制各传感器开始工作，检测不同深度的各水质参数。并控制信号调理放大和AD转换单元9采集各传感器的模拟信号，将这些信号转变为相应的数字信号，然后将监测发生的时间数据和监测数据存储到数据存储单元2中。于此同时，中央控制单元7通过无线通信单元8将这些监测到的参数数据实时地传输到环境监测控制中心。而在没有进行水质监测时，中央控制单元7控制各单元进入休眠状态，节省电能的消耗。

信号调理放大和AD转换单元9采用了低噪声、高精度的电路设计，主要由开关选择电路15、程控前置放大电路16、锁相放大电路17、低通滤波电路18和AD转换电路19组成。该单元能有效采集各传感器的微小信号，其中开关选择电路15用来选择所要采集的水质参数信息，也就是选择采集哪个传感器的信号。并将采集到的传感器微弱信号传输到程控前置放大电路16进行前置放大，该前置放大电路采用低噪声设计。前置放大后的信号进入锁相放大电路17，对传感信号进行主放大，同时能大大抑制其他频率的噪声信号。放大后的信号经过低通滤波电路18传输到AD转换电路19，将采集到的信号变成相应的数字信号，AD转换主要通过高精度的AD芯片AD7934来实现。数据存储单元2主要由存储芯片AT29LV256构成，用来存储监测发生的时间数据和相关的监测数据。

液晶显示单元4和键盘输入单元5主要用于对装置的检查和调试。当监测装置放置于野外工作时，为节省电源，液晶显示单元4和键盘输入单元5都被中央控制单元7置于休眠状态。

RS-232串口通信单元6是现场水质监测装置的预留通信口，主要由串口通信芯片MAX3221EEAE构成，在没有串口连接时，该单元能自动进入休眠模式，有效降低对电源的消耗。如果无线网络因故无法通信时，通过该串口通信单元能将现场水质监测的参数数据传送到PC机中。

所述的环境监测控制中心由防火墙、网络服务器、数据库和人工终端电脑等设备组成，其显示控制程序采用Labview编写，在网络服务器接收到来自各现场水质监测装置的数据后，Labview将监测数据存入数据库，并对数据进行分析、处理和报警，图形化的显示各监测地点的实时监测情况。同时，环境监测控制中心也可以人为地远程唤醒、控制现场水质监测装置。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种实时的多参数远程水质监测系统，其特征在于，该系统包含环境监测控制中心和分布式地放置于水源地的若干现场水质监测装置，所述的现场水质监测装置，用于将实时的水质数据发往环境监测控制中心；所述的现场水质监测装置包括：

若干传感器单元，用于实时的采集现场水质的参数；

信号调理放大和AD转换单元，将实时采集的现场水质的参数进行调理放大后，经过AD转换电路后变成数字信号并传送到中央控制单元；

数据存储单元，由中央控制单元控制，用于存储上述的数字信号及其水质监测发生的时间；

液晶显示单元，用于显示监测装置的工作状态信息，并能实时地显示监测到的参数数据；

键盘输入单元，键盘输入单元能设定监测装置的工作参数；

中央控制单元，用于协调和控制现场监测装置的其它各单元的工作；

无线通信单元，用于现场水质监测装置与环境监测控制中心之间进行通信，包括：通信天线和通信模块；

及电源模块单元，用于为现场监测装置提供稳定的3.3V工作电压。

2.根据权利要求1所述的实时的多参数远程水质监测系统，其特征在于，所述的若干传感器单元，包括：蓝藻荧光传感器、溶解氧传感器、浊度传感器、PH值传感器、温度传感器、电导率传感器或水深传感器，被集成密封在一个套筒中，其传感部位裸露在外，同时预留扩展口并配有相应的清洁装置。

3.根据权利要求1所述的实时的多参数远程水质监测系统，其特征在于，所述的信号调理放大和AD转换单元包括：开关选择电路15、程控前置放大电路16、锁相放大电路17、低通滤波电路18和AD转换电路19。

4.根据权利要求1所述的实时的多参数远程水质监测系统，其特征在于，该系统还包括有RS-232串口通信单元，所述的RS-232串口通信单元是监测装置的一个预留通信口，在无线网络因故无法通信的情况下，通过该串口通信单元能将监测到的参数数据传送到PC机中。

5.根据权利要求1所述的实时的多参数远程水质监测系统，其特征在于，所述的电源模块单元包含：

锂电池组，供电电压为15V，容量为6600mah；

稳压电路，用于为锂电池组进行直流-直流(DC-DC)电压转换和低压差线性稳压(LDO)的两级电压转换，从而为电路提供稳定的3.3伏工作电压。

6.根据权利要求5所述的实时的多参数远程水质监测系统，其特征在于，所述的电源模块单元的充放电电路在没有市电的情况下，利用大容量的电池组来给监测装置供电；在有市电的情况下，直接利用市电为整个装置供电，并且能为电池组进行充电；也可外加太阳能电板对电池组进行充电。

7.一种实时的多参数远程水质监测方法，该方法通过现场水质监测装置实时监测现场水质数据并发往环境监测控制中心；具体步骤包括：

1)现场水质监测装置上电工作，其中央控制单元检测各单元的状态情况；如果有故障发生，则返回相应的故障代码；如果正常，转入下一步2)；

2)中央控制单元启动无线通讯单元与环境监测控制中心建立无线连接，连接成功后，现场水质监测装置进行数据的无线传输；

3)中央控制单元控制传感器工作，采集水质的各项参数数据信号，信号经过信号调理放大和AD转换单元后转换为相应的数字信号，并传送到中央控制单元；

4)中央控制单元将监测发生的时间和得到的参数数据一并存入数据存储单元，同时将这些数据通过无线通讯单元发送到环境监测控制中心。

8.根据权利要求7所述的实时的多参数远程水质监测方法，其特征在于，所述的步骤2)建立无线连接的时刻，如果是监测装置设定的监测时间，则中央控制单元唤醒各单元，使其进入正常工作状态，否则，中央控制单元控制各单元进入休眠状态。

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