CN105137021B - 一种水库多参数水质垂向动态数据采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水库多参数水质垂向动态数据采集方法，属于水质监测领域。利用计算机终端的控制程序优化延时与监测深度的关系减小水质监测探头带来的延时影响。在步进电机下放水质采集系统的过程中，计算机终端实时接收并分析测量点处垂直剖面上的多参数的变化速率，根据该水库水质参数的变化速率的大小调节采样频率并通过单片机控制步进电机来控制多参数数据采集模块的上拉动作以及其下放速度，以捕捉垂直剖面水质各项参数的变化趋势。本发明所提出的水库多参数水质垂向动态数据采集方法，采集的水质数据可靠、高效，能够监测水库等大深水体水质分层现象。

Description

一种水库多参数水质垂向动态数据采集方法

技术领域

本发明属于水质监测领域，涉及到一种水库多参数水质垂向动态数据采集方法。

背景技术

水源水库作为蓄水和供水的工程设施，水质保护与管理是实现安全供水的关键结点。在水库的运行过程中，水质污染问题越来越突出。水库建成后，由降雨径流驱动、人类活动影响、大气沉降和水库内的生物代谢沉积等形成的污染物，大部分积蓄在水库中，影响水体水质。尤其在我国东北地区，水源水库规模大，深度大，运行时间长，水库下层水质恶化严重。观察发现，运行20年以上的水库普遍存在内源污染问题。因此，如何深入研究水源水库，全面调查和监控水源水库水质的实际状况，评价水库垂向分布水质状况，成为研究适应性地水质管理对策的关键。

水质监测是保证水源水库环境安全的重要手段，水源水库水质监测的常规数据主要包括深度、温度、PH值、溶解氧、电导率、氧化还原电位等。在进行水质采集时，需要尽可能确保采集的是指定采样点实际状态下垂直剖面的水质数据，才能够对垂直剖面的水质状况作出正确评价。同时为了更好地研究水污染问题，总是希望观察水下的情况获得更多的水体信息，例如水下絮凝物的分布。传统的水质监测采用人工采样、实验室分析的方法进行，科研人员乘调查船到达采样点后，使用带有刻度绳的采水器获取指定深度的水样，然后将水样带回实验室进一步分析以获得水质数据。这种方法浪费人力物力，效率低下，数据的准确度比较依赖于采集的水样，而且不能很好地反映水质的连续动态变化。随着电子信息、微处理器及计算机技术的发展，传感器已在环境保护领域日益得到广泛应用，使得科研人员可以直接在现场测量常规水质参数。一方面，科研人员根据采样点处深度等间距的采集若干水样，使用单参数水质检测仪在现场直接检测水样，在显示屏上读取水质数据后人工记录存储，在一定的程度上提高了数据的准确度。但要想较好捕捉各水质参数垂向分布的变化趋势了解水质状况，就要增加采样点处的测量数目，费时费力，而且也不能保证加密的测量点就是水质状况发生较大变化的区域。另一方面，科研人员可以在现场配合绞车使用CTD多参数水质检测仪，以一定速度匀速下放自动获得垂直剖面的水质分布数据。例如，德国Sea&Sun公司CTD90m检测仪可以选择深度间隔模式或者连续模式等测定垂直剖面的深度、温度、PH值、溶解氧、电导率、氧化还原电位、浊度等水质数据，通过连接笔记本电脑就可以在现场观察水质参数变化趋势。但其功能较单一，所使用的水质监测方法并不具备获取仪器所处水下状况的能力，可能会有导致损坏仪器，采集效率不高等问题，且主要面向海洋环境，价格也高达40～50万RMB。

显然，现有的水源水库水质监测方法并不能为科研人员提供真实反映水质状况垂向分布的数据。因此，急需提供一种稳定可靠，具有高效性，节省人力物力，既能较好捕捉水源水库水质垂向分布情况，又能观测水下情况的水质监测方法。

发明内容

本发明致力于解决现有技术测量水源水库水质垂向分布的不足，提供一种具有高效性、稳定可靠、适用于水库的多参数水质垂向分布动态数据采集方法，通过使用本方法测量和分析采样点垂直剖面的水质状况，实现水面至水底水质常规指标垂直分布的高效在线监测，同时根据上位机界面高效、精确的观测水下情况以便更深入研究水污染问题。

本发明的技术方案，在减小传感器数据采集电路与计算机终端的上位机界面产生的测量误差的基础上，显示水质参数变化率，根据变化率调节采样频率的基础上，通过单片机作为微控制器，步进电机作为驱动装置采用简单的机械结构，半自动化高效的采集水库垂向剖面下的水质数据。利用上位机界面加入的操作方法(1)通过底层程序加入抵消延时方法(2)通过水库水质变化率改变水质参数采集频率(3)各水质变化率超过阀值产生报警的报警器并实时的显示水质参数的变化速率。

(1)抵消延时法有效的避免了水质监测装置延时所带来的实际水深与所测得的水质数据不一致的问题，抵消延迟法具体的原理如下：

多参数水质采集模块的下放速度为S，采样频率为每1s采集1个水质数据，通过为水质各传感器的工作原理以及上位机开发界面的底层程序的研究，经过计算，整体系统的延时为T，那么根据实际采集到的水质样本深度的公式

Y＝N-S×T

其中：

Y为实际采集到的样本深度；

N为上位机界面实际显示的样本深度；

S为下降的速率；

T为延时时间。

(2)通过水库水质变化率改变水质参数采集频率

数据采集固有频率为每秒采集p₀个多参数水质样本，在采集水质数据后根据之前陈述的最小二乘法计算采样点的多参数水质变化速率，将变化率分为三个区间分别为：ρ₁，ρ₂，ρ₃。当变化率在区间ρ₁时，采样频率为每秒采集p₁个多参数水质样本。当变化率处于区间ρ₂时，采样频率为固有频率，当变化率处于区间ρ₃时，采样频率为每秒采集p₃个多参数水质样本。

(3)各水质变化率超过阀值产生报警器产生报警并实时的显示水质参数的变化速率。

在上位机界面中将多参数水库水质监测装置所采集到的水质数据分别存储在6个数组中分别为A₁，A₂，A₃，A₄，A₅，A₆并分别存放温度、溶解氧、电导率、pH值、氧化还原电位、浊度参数。同时在A₁—A₆中采集x₁-x_i水质参数并通过下式计算变化率

$x^{\′}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}x\left(i\right)$

式中：

i＝1,2,…,N对应第i个测量数据，N为测量点的样本总数；

x(i)为测量点第i个测量数据的原始值；

x'为测量点均值化后的值。

通过A₁—A₆中的x'分别进行比较，选择出其中最大的x'进行显示，与设定的阀值相比较，当大于阀值是报警。

支撑架连接好后固定在船体的甲板上，固定点尽量靠近甲板的边缘，使支撑架的支架滑轮端伸出船体之外1.5—2m的距离，防止在船体运行的过程中，多传感器模块与船体发生碰撞损坏传感器。步进电机固定在支撑架下方并连接好控制电路，多参数数据采集模块通过缆绳与步进电机的绕线轮相连并搭载在支撑架上，再将多参数数据采集模块用电缆与电脑相连用于数据分析处理。

利用微控制器控制多参数数据采集模块下放，停止，速度，速度可调范围为0.05m/s—0.2m/s以及装置上拉距离。利用搭载在多参数数据采集模块的压力传感器判断装置是否处理。利用24V直流电源以及电脑USB口自带的5V直流电源供电，由于在水下工作采用密封的外壳对多参数水质采集模块进行水下完全密封

通过最大变化率对多参数数据采集模块进行上拉及下降速度以及采样频率的控制。当所采集的水库水质动态数据大于阀值时采样频率提高并通过微控制按键将多参数数据采集模块上拉一段距离并减速下放，当所采集的水库水质动态数据小于阀值时采样频率不变以原速下放。

本发明提出了一种上位机智能水质监测方法，根据传感器原理以及计算机终端的上位机界面底层程序消除延时对采样深度与对应的水质参数不一致的影响。并根据水质各项参数的变化速率调节多参数数据采集模块的下放速度与水质参数采集频率，实现水面至水底水质参数垂直分布的自适应在线观测，得到水下垂直剖面具有代表性的水质分布数据，更好地捕捉水源水库水质分层现象。操作简单，稳定可靠，具有高效性，设置完成之后，通过微控制器进行控制操作，即可实现半自动测量，节省了人力物力。

附图说明

图1是水库多参数水质动态数据采集装置的结构示意图。

图2是水库多参数水质垂向动态数据采集方法原理图。

图3是多参数数据采集模块。

图4是升支撑架机械结构示意图。

图5是数据采集电路图。

图6是微控制器控制电路图。

图7是计算机终端的上位机界面结构图。

图8是水库多参数水质动态数据采集装置操作流程图。

图中：1传感器模块；2支撑架；3步进电机模块，4微控制器控制模块5计算机终端；

1-1上拧盖；1-2外壳的主体；1-3下拧盖；1-4配重及保护罩；1-5传感器组；1-6水密接头；

2-1带缆绳接口的绞盘；2-2支座；2-3带滑轮的支架；2-4电缆。

具体实施方式

本发明的水库多参数水质垂向动态数据采集装置的操作方法，在计算机终端5的界面采用延时抵消的方法消除延时产生的测量误差，通过多参数数据采集模块采集垂直剖面的水质并实时接收并分析测量点处水质各项参数、计算显示变化速率，在不同的深度的选择出变化速率最大的水质参数产生报警，根据该水质参数的变化速率的大小调节采样频率并通过微控制器模块4的按键在支撑架2的基础上来调节多参数数据装置1的上拉及下放速度，以高效的捕捉垂直剖面水质各项参数的变化趋势。

当水质各项参数的变化速率较小时,以初始设定值进行下放。当水质各项参数的变化速率较大时产生报警，计算机终端5的界面自动调节增加采样频率并控制步进电机3上拉一段距离并降低下放多参数数据采集模块1的速度，增加测量点数目。高效、精确地采集水源水库垂直剖面的水质数据。

结合水库多参数水质垂向动态数据采集装置的操作流程图来说明水库水质垂向分布采集方法的主要步骤：

步骤1.

到达采样地点后，将支撑架2及步进电机模块3固定好，使用电缆将多参数数据采集模块1与计算机终端5连接好并搭载在支撑架2上。连接步进电机模块3与微控制器控制模块4。

步骤2.

装置搭建完成后，初始化微控制器控制模块4，设定多参数数据采集模块1下放速度V、停顿采样的间隔时间T。通过计算机终端5的界面初始化串口，采集地点，设置水质指标的变化速率控制值S，由微控制器控制模块4控制下放装置。

步骤3.

多参数数据采集模块1与水面表层充分接触后，控制微控制器控制模块4按键停止下放，等待一段时间多参数数据采集模块1适应水下条件以后，开始采集水质数据。通过微控制器控制模块4下载好的程序控制步进电机3从而启动步进电机3以一定的速度下放水下数据采集模块1，每隔一定的距离停顿一定的时间，使数据采集模块1有充分的时间采集数据。

步骤4.

计算机终端5的界面实时读取水下多参数数据采集系统1采集的水质数据，并且将水下水质采集系统所处水面表层的位置作为第一个采样点k。

步骤5.

多参数数据采集模块到达第二个采样点采集该点的水质数据，根据最小二乘法拟合得到第k个采样点的水质各项参数的变化速率Sk。

步骤6.

当到达第k+1个采样点时，根据最小二乘法拟合第k+1个采样点的水质各项参数的变化速率Sk+1，此时计算水质各参数的变化速率，得到第k+1个采样点的水质各项参数的变化速率Sk+1与第k个采样点的水质各项参数的变化速率Sk的差值的绝对值，选择变化速率最大的水质参数。

步骤7.

与预设的阀值进行比较。

步骤8.

判断是否大于预设的阀值，当该水质参数的变化速率大于变化速率控制值S时，计算机终端5的界面发出报警命令，通过微控制器模块4控制步进电机3上拉一段距离，并且降低下放多参数数据采集模块1的速度，增加测量点数目；当该水质参数的变化速率小于变化速率控制值S时，继续以该速度下放多参数数据采集模块1。

步骤9.

待第一个采样点完成数据采集后，计算机终端5的界面实时判断水下数据采集模块1是否触底，如果没有触底，继续采集。

步骤10.

微控制器控制模块4发出控制命令使步进电机3产生动作继续以当前的速度下放多参数数据采集模块1。

步骤11.

判断是够采集结束，如果没有结束，则重复步骤1-10，根据测量点水质指标的变化速率实时调节下放速度完成所有测量点的水质数据采集。

Claims (1)

1.一种水库多参数水质垂向动态数据采集方法，其特征包括以下几个步骤：

(1)通过底层程序加入抵消延时方法

多参数数据采集模块的下放速度为S，采样频率为每1s采集1个水质数据，整体系统的延时为T，那么根据实际采集到的水质样本深度的公式：

Y＝N-S×T

其中：Y为实际采集到的样本深度；N为上位机界面实际显示的样本深度；

S为下降的速率；T为延时时间；

(2)通过水库水质变化率改变水质参数采集频率

数据采集固有频率为每秒采集p₀个多参数水质样本，在采集水质数据后根据之前陈述的最小二乘法计算采样点的多参数水质变化速率，将变化率分为三个区间分别为：ρ₁，ρ₂，ρ₃；当变化率在区间ρ₁时，采样频率为每秒采集p₁个多参数水质样本；当变化率处于区间ρ₂时，采样频率为固有频率，当变化率处于区间ρ₃时，采样频率为每秒采集p₃个多参数水质样本；

(3)各水质变化率超过阈值产生报警器产生报警并实时的显示水质参数的变化速率

在上位机界面中将多参数水库水质监测装置所采集到的水质数据分别存储在6个数组中分别为A₁，A₂，A₃，A₄，A₅，A₆并分别存放温度、溶解氧、电导率、pH值、氧化还原电位、浊度参数；同时在A₁—A₆中采集x₁-x_i水质参数并通过下式计算变化率

$x^{\′}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}x\left(i\right)$

式中：i＝1,2,…,N对应第i个测量数据，N为测量点的样本总数；

x(i)为测量点第i个测量数据的原始值；x'为测量点均值化后的值；

通过A₁—A₆中的x'分别进行比较，选择出其中最大的x'进行显示，与设定的阈值相比较，当大于阈值是报警；

支撑架连接好后固定在船体的甲板上，固定点尽量靠近甲板的边缘，使支撑架的支架滑轮端伸出船体之外1.5-2m的距离；步进电机固定在支撑架下方并连接好控制电路，多参数数据采集模块通过缆绳与步进电机的绕线轮相连并搭载在支撑架上，再将多参数数据采集模块用电缆与电脑相连用于数据分析处理；

利用微控制器控制多参数数据采集模块下放，停止，速度，速度可调范围为0.05m/s-0.2m/s以及装置上拉距离；利用搭载在多参数数据采集模块的压力传感器判断装置是否处理；

通过最大变化率对多参数数据采集模块进行上拉及下降速度以及采样频率的控制；当所采集的水库水质动态数据大于阈值时采样频率提高并通过微控制按键将多参数数据采集模块上拉一段距离并减速下放，当所采集的水库水质动态数据小于阈值时采样频率不变以原速下放。