CN106290770A - 一种水质的立体分层监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水质的立体分层监测方法及系统，方法通过采集各测量点的水质信息，实时计算各测量点水质参数的均方差，并根据均方差的大小水下采集位置；同时根据水位变化速率的大小自动控制水下采集速度。根据水质信息的均方差、水位变化选择适应性的测量点以及下方速度采集水下不同深度的水质信息，分层建立水体信息。系统包括升降执行装置、设置在升降执行装置上的水下采集装置、及与前述二者分别连接的水上控制装置。本发明实现了对海洋水质或地表水质的自动且准确的监测，能够智能的控制采集的深度、速度与间隔，准确且有效的自动划分沿方向的各水层，为水质的研究提供了准确且可靠的数据保证。

Description

一种水质的立体分层监测方法及系统

技术领域

本发明涉及海洋或地表水质监测技术领域，具体涉及一种水质的立体分层监测方法及系统。

背景技术

自然界中的水是植物生长的根本，也是人类生存的必不可少的重要因素之一，其中，海洋水及地表水由于水体受水温等因素的影响，存在季节性分层现象，随着深度的不同，可以划分为温度跃层，盐度跃层，富氧层，低氧区和缺氧区等，而各层中的水体温度、溶解氧浓度、pH值、电导率以及叶绿素等指标，均为人们综合分析水体的分层结构和水质立体分布规律提供了重要基础，因此如何对海洋水或地表水中的纵向分布的水质进行监测，是研究水质及生态环境的重要前提。

目前，对水质的监测方法为利用传统的浮标数据采集控制器采集固定水深水质参数，该种方式无法自动、全面且准确地采集水下不同深度的水质参数，会造成监测数据不能及时更新，进而影响对水质的研究准确性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种水质的立体分层监测方法及系统，实现了对海洋水质或地表水质的自动且准确的监测，能够智能的控制采集的深度、速度与间隔，准确且有效的自动划分延水深方向的各水层，为水质的研究提供了准确且可靠的数据保证。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种水质的立体分层监测方法，包括：

步骤1.采集当前水层中初始监测点的水质信息；

步骤2.沿当前水层中的所述初始监测点竖直向下，等间隔的依次采集各监测点的水质信息，并在每采集到一个监测点的水质信息后，均获取并判断该监测点的判定值，直到当前某一监测点的判定值大于预设值时，暂停采集；

步骤3.将判定值大于预设值的当前监测点确定为下一水层的起始监测点，并将其前一监测点确认为当前水层的结束监测点，同时存储当前水层中全部监测点的水质信息；

步骤4.判定当前监测点到水面的距离是否超出预设的标准监测距离；否是，则结束对当前水质的分层监测；若否，则减小各监测点之间的间隔的预设值，并自下一水层的起始监测点开始，返回步骤2进行下一水层的监测。2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括：

2-1.以预设的水位差值为移动间隔，沿当前水层中的上一监测点竖直向下移动至当前监测点；

2-2.采集当前监测点的水质信息；

2-3.根据上一监测点及当前监测点的水质信息，获取当前监测点的判定值，其中，所述判定值为|σ_n+1-σ_n|，且σ_n+1为当前监测点到当前水层的起始监测点之间所有监测点的水质信息的均方差；σ_n为上一监测点到当前水层的起始监测点之间所有监测点的水质信息的均方差；

2-4.判断该监测点的判定值|σ_n+1-σ_n|是否大于预设值D；

若是，则暂停采集，并进入步骤3；

若否，则返回步骤2-1继续向下采集。

进一步的，所述步骤2-1包括：

2-1-a、在自上一监测点沿水深方向移动至当前监测点的过程中，不断地采集水位信息；

2-1-b、根据所述水位信息进行模糊控制，使得当前监测点到达预设位置处，所述预设位置与上一监测点之间的距离等于预设的水位差值。

进一步的，所述步骤2-1-b之后还包括：

2-1-c、获取当前监测点所在位置的水流速信息，以及判断当前监测点的水流速是否在预设的水流速标准范围内；

若是，则进入步骤2-2；

若否，则返回上一监测点或暂停动作，并在一个时间间隔后重新到达监测点获取及比较当前监测点的水流速信息。

进一步的，所述步骤2-1-b中的所述模糊控制包括：

b-1.将所述水位信息中的水位偏差及水位偏差变化率作为模糊输入量；

b-2.运用查表法对所述模糊输入量与预存的控制规则表进行匹配，得到与所述控制规则表相匹配的模糊控制输出量；

b-3.根据重心法，将所述模糊控制输出量转化为控制输出量，并将所述控制输出量输出到执行机构。

立体分层监测

另一方面，本发明还提供一种水质的立体分层监测系统，包括水上控制装置、升降执行装置及水下采集装置；

所述水上控制装置分别与水下采集装置及升降执行装置连接，且所述水上控制装置用于根据所述水下采集装置发回的水质信息实时计算所述水质信息中各参数的均方差，并根据均方差值向所述升降执行装置发送移动指令；

所述升降执行装置根据所述移动指令在水下延水深方向移动；

所述水下采集装置设置在所述升降执行装置上，并随着所述升降执行装置的移动而移动，所述水下采集装置用于采集所述水质信息，并将所述水质信息发送至所述水上控制装置。

进一步的，所述水下采集装置包括：均设置在水下密封舱中的传感器组、数据采集单元及信号传输单元，且所述水下密封舱固定设置在所述升降执行装置上；

所述传感器组用于获取当前监测点的水位信息、水流速及所述水质信息，且所述传感器组包括：水位传感器，温度传感器，流速检测仪及水质参数检测仪；其中，所述水质参数检测仪用于监测水中浑浊度、pH值、溶解氧含量、电导率及氨氮含量；

所述数据采集单元分别连接所述传感器组及信号传输单元，且所述数据采集单元用于将所述传感器组获取的数据发送至所述信号传输单元；

所述信号传输单元设有驱动芯片及串口，且所述信号传输单元用于将所述水位信息、水流速及所述水质信息发送至所述水上控制系统。

进一步的，所述数据采集单元包括依次连接的多路开关、信号调理电路以及A/D转换电路，且所述多路开关与传感器组连接，所述A/D转换电路与所述信号传输单元连接。

进一步的，所述水上控制装置包括：控制器、PLC、水质信息存储单元及蓄电池组；

所述控制器分别连接所述PLC及水质信息存储单元，并用通信总线与所述水下采集装置连接；其中，所述控制器用于根据所述接收到的水位信息，基于模糊控制计算的方法获取移动命令，将所述移动命令发送至所述PLC；所述控制器用于根据接收到的水流速，生成暂停或避险命令，并将所述暂停或避险命令发送至所述PLC；以及所述控制器用于在所述水下采集装置的下潜距离达到上限值时，生成返回命令，并将所述返回命令发送至所述PLC；

所述PLC与所述升降执行装置连接，所述PLC用于根据所述移动命令、暂停或避险命令、或所述返回命令，控制所述升降执行装置延水深方向移动；

所述水质信息存储单元用于存储各水层中的全部监测点的水质信息；

所述蓄电池组用于分别向所述控制器、PLC、水质信息存储单元、升降执行装置以及水下采集装置供电。

进一步的，所述升降执行装置包括步进电机、驱动器、位移传感器、单向锁定开关、绞盘及铰链；

所述绞盘设置在所述铰链的位于水下的部分上，且所述水下采集系统固定设置在所述绞盘上；

所述铰链的位于水上的部分与所述水上控制系统中的所述PLC连接，且所述铰链的单向长度大于所述水下采集装置的下潜距离的上限值。

所述步进电机与所述绞盘连接，且用于驱动绞盘转动，使水下采集装置在升降缆上运动；

所述单向锁定开关与所述步进电机连接，且用于通过控制所述单向锁定开关的闭合，使所述水下密封舱固定在处于预定水深的升降缆上；

所述驱动器与所述步进电机相连，且用于接收所述PLC的指令并控制步进电机的转动方向、转速及转动时间；

所述位移传感器与所述PLC相连，且用于测量水下采集装置的位移并将所述位移发送至所述PLC中。

由上述技术方案可知，本发明所述的一种水质的立体分层监测方法及系统，实现了对海洋水质或地表水质的自动且准确的监测，能够智能的控制采集的深度、速度与间隔，准确且有效的自动划分延水深方向的各水层，为水质的研究提供了准确且可靠的数据保证。

1、本发明的技术方案，整个方法通过对海洋水或地表水的立体分层、根据采集结果自动修正预判结果及经过判断自动结束监测，实现了对海洋水质或地表水质的自动且准确的监测，能够智能的控制采集的深度、速度与间隔，准确且有效的自动划分延水深方向的各水层。

2、本发明的技术方案，根据水位信息基于模糊控制算法控制采集装置准确、安全且可靠地到达目标各监测点的设置，使得检测过程自适应且自调节，准确且可靠地实现了水水质的立体分层监测。

3、本发明的技术方案，在采集过程中进行自动安全防护操作，在每到达一个监测点时，都先采集其点的水流速，并将水流速数据发送回水上控制装置，水上控制装置接收并根据水流速数据判断，当前的监测点是否适合水下采集装置进行水质信息的采集工作的设置，实现了对整个监测系统的安全保护，并提高了采集到的水质数据的准确性，同时沿长了监测系统的使用寿命。

4、本发明的技术方案，通过经过判断自动结束监测的设置，实现了对监测过程的结束的自动控制，在节省了人力成本的同时，还起到了环保节能的效果。

5、本发明的技术方案，水上控制装置、升降执行装置及水下采集装置的设置，实现在不同深度选择适应性的下方速度，高效立体分层监测垂向水体水质各项参数的变化过程；实现了对海洋水质或地表水质的自动且准确的监测，能够智能的控制采集的深度、速度与间隔，准确且有效的自动划分延水深方向的各水层。

6、本发明的技术方案中，水质立体分层监测系统可以根据水文环境自动控制水下数据采集装置升降，实现在不同深度选择适应性的下放速度和下放距离，避免了步进电机的急转急停，高效的监测垂向水体水质各项参数的变化过程，并根据立体分层监测水质参数的垂向分布，分层建立水体信息，为研究海洋水质变化规律提供数据支持和理论依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一种水质的立体分层监测方法的流程示意图；

图2是本发明的监测方法中的步骤200的流程示意图；

图3是是本发明的监测方法中的步骤201的流程示意图；

图4是本发明的监测方法中的步骤201-c的流程示意图；

图5是本发明的监测方法的具体应用例中的控制框架图；

图6是本发明的监测方法的具体应用例中的监测方法的流程图；

图7是本发明的监测方法的具体应用例中的利用流速仪控制水下密封舱移动的流程图；

图8是本发明的一种水质的立体分层监测系统示意图；

图9是本发明的监测系统中水下采集装置30的示意图；

图10是本发明的监测系统中水上控制装置10的示意图；

图11是本发明的监测系统中升降执行装置20的示意图；

图12是本发明的监测系统的具体应用例中的系统结构示意图；

图13是本发明的监测系统的具体应用例中的系统的具体位置关系示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实际中湖泊、水库、河道具有复杂的岸线，由于形态的不规则可能出现水质特性在水平方向上的明显差异。另外，由于水体受水温等因素影响，存在季节性分层现象，例如温度跃层，盐度跃层，富氧层，低氧区和缺氧区，藻类垂向含量随日照度衰减，浊度受洪水影响，不同深度分布也不同。水体分层现象对水生生物和水质有着巨大的影响，不同水层水质差别明显。因此，立体分层监测水体温度、溶解氧浓度、pH值、电导率以及叶绿素等指标的纵向分布为人们综合分析水体的分层结构和水质立体分布规律奠定了重要基础。本发明可以根据水文环境自动控制水下数据采集装置升降，实现在不同深度选择适应性的下放速度和下放距离，高效的监测垂向水体水质各项参数的变化过程，并根据立体分层监测水质参数的垂向分布，分层建立水体信息，为研究海洋水质变化规律提供数据支持和理论依据。

本发明的实施例一提供了一种水质立体分层监测方法。参见图1，该水质立体分层监测方法具体包括如下内容：

步骤100：采集当前水层中初始监测点的水质信息。

在上述步骤中，设置在海洋或地表水下的水下采集装置在其到达预设的起始监测点后，采集起始监测点的水质信息，并将该水质信息发生给水上控制装置，其中，水质信息包括水中浑浊度、pH值、溶解氧含量、电导率及氨氮含量等参数，具体根据监测的实际需要来制定，同时，水下的第一个水层的初始监测点距离水面的直线距离可以为0.1m，也可以根据实际需要修改为其他距离值；水下采集装置采集起始监测点的水质信息后，继续延水深方向缓慢下降，同时在下降的过程中采集当前的水位信息，并将水位信息发送给水上控制装置。

步骤200：沿当前水层中的初始监测点竖直向下，等间隔的依次采集各监测点的水质信息，并在每采集到一个监测点的水质信息后，均获取并判断该监测点的判定值，直到当前某一监测点的判定值大于预设值时，暂停采集。

在上述步骤中，水下采集装置延水深方向向下依次采集各点的水质信息，同时，在每到达一个监测点时，都将该点的水质信息发送回水上控制装置，水上控制装置接收并根据水质信息计算判定值，若当前判定值未大于预定值，则继续向下采集；若当前判定值大于预定值，则说明当前的这个监测点已经超出了当前水层的范围，因此此时暂停采集，并对当前的水层进行划分及操作判断等如步骤300及400。其中，当前水层的监测点的总数量可以是2个，也可以多于2个；同时，每个水层的高度就是从起始监测点至后续确定的结束监测点之间的距离。

步骤300：将判定值大于预设值的当前监测点确定为下一水层的起始监测点，并将其前一监测点确认为当前水层的结束监测点，同时存储当前水层中全部监测点的水质信息。

在上述步骤中，水上控制装置将判断值|σ_n+1-σ_n|与预设值D进行比较，当|σ_n+1-σ_n|大于水质各参数预设的设定值D时，则上一个(第n个)监测点确认为当前水层最终的结束监测点，将当前(第n+1个)监测点更新为下一水层的起始监测点，并将该水层的所有监测点的数据存储至水上控制装置。

步骤400：判定当前监测点到水面的距离是否超出预设的标准监测距离；否是，则结束对当前水质的分层监测；若否，则减小各监测点之间的间隔的预设值，并自下一水层的起始监测点开始，返回步骤2。

在上述步骤中，水上控制装置在确定当前监测点与水面的直线距离小于预设的标准监测距离后，减小各监测点之间的间隔的预设值，并自下一水层的起始监测点(第n+1个监测点)开始，返回步骤200。

从上述描述可知，整个方法通过预判水层中的准结束监测点、在采集过程中进行自动安全防护操作、根据采集结果自动修正预判结果及经过判断自动结束监测，实现了对海洋水质或地表水质的自动且准确的监测，能够智能的控制采集的深度、速度与间隔，准确且有效的自动划分延水深方向的各水层，为水质的研究提供了准确且可靠的数据保证。

进一步的，本发明的实施例二提供了上述步骤200的一种具体实现方式。参见图2，步骤200中具体包括如下内容：

步骤201：以预设的水位差值为移动间隔，沿当前水层中的上一监测点竖直向下移动至当前监测点；

步骤202：采集当前监测点的水质信息；

步骤203：根据上一监测点及当前监测点的水质信息，获取当前监测点的判定值，其中，判定值为|σ_n+1-σ_n|，且σ_n+1为当前监测点到当前水层的起始监测点之间所有监测点的水质信息的均方差；σ_n为上一监测点到当前水层的起始监测点之间所有监测点的水质信息的均方差。

步骤204：判断该监测点的判定值|σ_n+1-σ_n|是否大于预设值D；

若是，则暂停采集，并进入步骤300；

若否，则返回步骤201继续向下采集。

从上述描述可知，通过对海洋水或地表水的立体分层、根据采集结果自动修正预判结果及经过判断自动结束监测，实现了对海洋水质或地表水质的自动且准确的监测，能够智能的控制采集的深度、速度与间隔，准确且有效的自动划分延水深方向的各水层。

进一步的，本发明的实施例三提供了上述步骤201的一种具体实现方式。参见图3，步骤300中具体包括如下内容：

201-a、在自上一监测点沿水深方向移动至当前监测点的过程中，不断地采集水位信息；

201-b、根据水位信息进行模糊控制，使得当前监测点到达预设位置处，预设位置与上一监测点之间的距离等于预设的水位差值，其中的模糊控制包括：

b01.将水位信息中的水位偏差及水位偏差变化率作为模糊输入量；

b02.运用查表法对模糊输入量与预存的控制规则表进行匹配，得到与控制规则表相匹配的模糊控制输出量；

b03.根据重心法，将模糊控制输出量转化为控制输出量，并将控制输出量输出到执行机构。

从上述描述可知，根据水位信息基于模糊控制算法控制采集装置准确、安全且可靠地到达目标各监测点的设置，使得检测过程自适应且自调节，准确且可靠地实现了水水质的立体分层监测。

进一步的，本发明的实施例四提供了上述步骤201-b之后的步骤201-c的一种具体实现方式。参见图4，上述步骤201-b之后的步骤201-c中具体包括如下内容：

201-c.获取当前监测点所在位置的水流速信息，以及判断当前监测点的水流速是否在预设的水流速标准范围内；

若是，则进入步骤202；

若否，则返回上一监测点或暂停动作，并在一个时间间隔后重到达监测点新获取及比较当前监测点的水流速信息。

从上述描述可知，水上控制装置接收并根据水流速数据判断，当前的监测点是否适合水下采集装置进行水质信息的采集工作的设置，实现了对整个监测系统的安全保护，并提高了采集到的水质数据的准确性，同时沿长了监测系统的使用寿命。

为更好的说明该方法，本发明的实施例五提供了上述监测方法的一种具体应用例。参见图5至7，立体分层监测方法的实例具体包括如下内容：

参见图5，传感器组采集的数据经A/D转换送入模糊控制器，数据经处理将精确值模糊化为模糊值以确定合适的模糊输入量，本例中，将水位偏差，水位偏差变化率作为模糊输入量；并确定相应的模糊集，隶属函数，隶属度，论域以及量化因子；

运用Mamadani查表法进行模糊推理，将模糊输入量与预先存储的控制规则表进行匹配，得到与控制规则表相匹配的模糊控制输出量V，即步进电机的转速、转向。

采用MIN-MAX重心法进行模糊决策，将模糊控制输出量反模糊化为控制输出量，使模糊量转化为精确量。

控制输出量经D/A转换输出至升降执行机构，控制步进电机以不同转速和方向带动水下密封舱移动不同距离，同时，传感器采集当前水质信息，作为反馈量输入模糊控制器后，控制器产生微调量，从而可以精确控制位置，实现闭环控制。

参见图6，监测方法的实例的具体实现过程如下：

(1)水下采集装置中的水位传感器采集当前水位信息传输至水上控制装置。单片机将当前测量值送入模糊控制器，调用模糊控制算法程序1，发出控制输出量V驱动步进电机转动使水下采集装置向下运动至第n个监测点(1<n)并采集该点的流速。将流速送入控制器，调用程序2判断水下采集装置是否可以采集数据。若不可以，则水下采集装置进入等待模式或者避险模式，待流速适合采集数据时重新运动至监测点采集数据。另外，将第一监测点作为第一水层的起点。

(2)当第n监测点采集水文参数完成时,计算该水层第1监测点至第n监测点水质各项参数的均方差σn，并依次进行第n+1个监测点处的数据采集工作。

(3)当第n+1监测点采集完成时，计算每一水层的第1监测点至第n+1监测点水质各项参数的均方差σn+1，比较该水层的前n个监测点与前n+1个监测点的水质各参数的均方差。当|σn+1-σn|小于水质各参数预设的设定值D时，水下采集装置将重复上述步骤，依次采集下一设定监测点的水质各参数；当|σn+1-σn|大于水质各参数预设的设定值D时，则将第n个监测点作为该水层的结束点，并将该水层的所有监测点的数据存储至数据存储单元。同时，将第n+1个监测点作为下一水层的第1监测点，并减小预设水位差以减小监测点的位置间隔增加预设监测点间的监测点数目。

(4)判断水下采集装置是否到达下限位环。若没有到达，重复上述步骤，根据监测点水质各参数的均方差实时调整监测点的位置间隔。若到达，则结束测量过程。

参见图7，水下采集装置中的流速测量仪输出的信号经过数据采集单元转换成数字信号，通过信号传输单元传输至水上控制装置。控制器经过相应的算法将数字信号转换成流速值并存储在数据接收存储单元。同时，控制器将测量值与其设定的流速值作比较。若流速值小于设定值，则步进电机停止转动，关闭单向锁定开关，立即采集水文参数；若流速值略大于设定值，则步进电机停止转动，关闭单向锁定开关，等待一段时间后再采集水文参数(等待模式)；若流速值远远大于设定值时，则步进电机带动水下采集装置向上运动一段距离，等待一段时间后重新到达该监测点。

的模糊控制器，主要执行四个步骤：包含模糊化，模糊推理，反模糊化；

其中，模糊化，其特征在于，获取水下采集系统采集的水质参数以及流速，根据获取的参数和预先设定值确定水质参数偏差，流速，流速偏差，并将其作为模糊输入量；

分别选择合适的模糊输入量以及模糊输出量的论域和量化因子/比例因子，确定相应的模糊语言值以及模糊集。

水位偏差p的论域为(-3，3)，划分为7个等级，量化因子为4，模糊语言值如下：P_aB-水位参数偏差正向极大，P_aM-水位参数偏差正向适中，P_aS-水位参数偏差正向极小，Z_aO-水位参数偏差为零，N_aS-水位参数偏差负向极小，N_aM-水位参数偏差负向适中，N_aB-水位参数偏差负向极大；

水位偏差变化率Ep的论域为(-3，3)，划分为5个等级，量化因子为1，模糊语言值如下：水位参数偏差变化率的模糊集为：P_bB-水位参数偏差变化率正向极大，P_bS-水位参数偏差变化率正向极小，Z_bO-水位参数偏差变化率为零，N_bS-水位参数偏差变化率负向极小，N_bB-水位参数偏差变化率负向极大；

模糊控制输出量V的论域为(-3，3)，划分为7个等级，比例因子为10，模糊语言值如下：P_vB-步进电机转速调节量正向最大，P_vM-步进电机转速调节量正向适中，P_vS-步进电机转速调节量正向最小，Z_vO-步进电机转速调节量为零；N_vS-步进电机转速调节量负向最小；N_vM-步进电机转速调节量负向适中；N_vB-步进电机转速调节量负向最大；

采用Mamdani法，模糊输入量和模糊输出量的隶属函数采用三角形。

模糊推理，其特征在于，将模糊输入量与预先存储的控制规则表进行匹配，得到与控制规则表相匹配的模糊控制输出量V。

的反模糊化，其特征在于，根据模糊控制规则采用MIN-MAX重心法，实现模糊量的精确化。

水位传感器采集当前的水位信息，数据采集单元转换成数字信号，通过信号传输单元传输至水上控制系统。根据所获得的数字量与之前预设的数字量进行比较后得到水位参数偏差(p)及水位参数偏差变化率(Ep)，并将其作为模糊控制器的输入量。模糊控制规则1如表一所示：

表一

其中，程序2为：

水下采集系统中的流速测量仪输出的信号经过数据采集单元转换成数字信号，通过信号传输单元传输至水上控制系统。控制器经过相应的算法将数字信号转换成流速值并存储在数据接收存储单元。同时，控制器将测量值与其设定的流速值作比较。若流速值小于设定值，则步进电机停止转动，关闭单向锁定开关，立即采集水文参数；若流速值略大于设定值，则步进电机停止转动，关闭单向锁定开关，等待一段时间后再采集水文参数(等待模式)；若流速值远远大于设定值时，则步进电机带动水下采集装置向上运动一段距离，等待一段时间后重新到达该测量点。

为进一步的说明本方案，本发明的实施例六还提供了一种水质立体分层监测系统的一种具体实现方式。参见图8。水质立体分层监测系统中，具体包括如下内容：

水上控制装置10、升降执行装置20及水下采集装置30；

水上控制装置10分别与水下采集装置30及升降执行装置20连接。

在上述描述中，水上控制装置10用于根据水下采集装置30发回的水质信息实时计算水质信息中各参数的均方差，并根据均方差值向升降执行装置20发送移动指令。

升降执行装置20根据移动指令在水下延水深方向移动。

水下采集装置30设置在升降执行装置20上，并随着升降执行装置20的移动而移动。

在上述描述中，水下采集装置30用于采集水质信息，并将水质信息发送至水上控制装置10。

从上述描述可知，水上控制装置、升降执行装置及水下采集装置的设置，实现在不同深度选择适应性的下方速度，高效立体分层监测垂向水体水质各项参数的变化过程；实现了对海洋水质或地表水质的自动且准确的监测，能够智能的控制采集的深度、速度与间隔，准确且有效的自动划分延水深方向的各水层。

进一步的，本发明的实施例七提供了上述水下采集装置30的一种具体实现方式。参见图9，水下采集装置30具体包括如下内容：

均设置在水下密封舱31中的传感器组32、数据采集单元33及信号传输单元34，且水下密封舱31固定设置在升降执行装置20上。

传感器组32用于获取当前监测点的水位信息、水流速及水质信息，且传感器组32包括：水位传感器，温度传感器，流速检测仪及水质参数检测仪；其中，水质参数检测仪用于监测水中浑浊度、pH值、溶解氧含量、电导率及氨氮含量。

数据采集单元33分别连接传感器组32及信号传输单元34，且数据采集单元33用于将传感器组32获取的数据发送至信号传输单元34，数据采集单元33包括依次连接的多路开关、信号调理电路以及A/D转换电路，且多路开关与传感器组连接，A/D转换电路与信号传输单元连接。

信号传输单元34设有MAX485驱动芯片及RS485串口，且信号传输单元34用于将水位信息、水流速及水质信息发送至水上控制装置。

进一步的，本发明的实施例八提供了上述水上控制装置10的一种具体实现方式。参见图10，水上控制装置10具体包括如下内容：

控制器11、PLC12、水质信息存储单元13及蓄电池组14。

控制器11分别连接PLC12(PLC为可编程逻辑控制器，是一种采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。)及水质信息存储单元13，并用I2C总线与水下采集装置30连接。

其中，控制器11用于根据接收到的水位信息，基于模糊控制计算的方法获取移动命令，将移动命令发送至PLC12；控制器11用于根据接收到的水流速，生成暂停或避险命令，并将暂停或避险命令发送至PLC12；以及控制器11用于在水下采集装置30的下潜距离达到上限值时，生成返回命令，并将返回命令发送至PLC12。

PLC12与升降执行装置20连接，PLC12用于根据移动命令、暂停或避险命令、或返回命令，控制升降执行装置20延水深方向移动。

水质信息存储单元13用于存储各水层中的全部监测点的水质信息。

蓄电池组14用于分别向控制器11、PLC12、水质信息存储单元13、升降执行装置20以及水下采集装置30供电。

进一步的，本发明的实施例九提供了上述升降执行装置20的一种具体实现方式。参见图11，升降执行装置20具体包括如下内容：

步进电机21、驱动器22、位移传感器23、单向锁定开关24、绞盘25及铰链26。

绞盘25设置在铰链26的位于水下的部分上，且水下采集装置30固定设置在绞盘上。

铰链26的位于水上的部分与水上控制装置10中的PLC11连接，且铰链26的单向长度大于水下采集装置30的下潜距离的上限值。

步进电机21与绞盘25连接，且用于驱动绞盘25转动，使水下采集装置30在升降缆上运动；

单向锁定开关24与步进电机21连接，且用于通过控制单向锁定开关24的闭合，使水下密封舱31固定在处于预定水深的升降缆上。

驱动器22与步进电机21相连，且用于接收PLC12的指令并控制步进电机21的转动方向、转速及转动时间；

位移传感器23与PLC12相连，且用于测量水下采集装置30的位移并将位移发送至PLC12中。

为更好的说明该系统，本发明的实施例十提供了上述立体分层监测系统的一种具体应用例。参见图12及13，立体分层监测系统的实例具体包括如下内容：

参见图12，立体分层监测系统中设有水上控制装置、水下采集装置和升降执行机构。

水上控制装置包含控制器，PLC，数据接收存储单元；水下采集装置包含传感器组，数据采集单元，信号传输单元；升降执行机构包含步进电机，驱动器，单向锁定开关，绞盘，铰链。

(1)水下采集装置：包括传感器组，数据采集单元，信号传输单元，它们放置于水下密封舱中；

其中，传感器组，用于检测海洋水文参数，主要包含水位传感器，温度传感器，流速检测仪，水质五参数检测仪；水质五参数检测仪主要检测水中浊度、pH、溶氧、电导、氨氮含量；

数据采集单元，主要包含多路开关(74LS138)、信号调理电路以及A/D转换电路，用于选通不同传感器采集海洋水文参数，将模拟信号滤波放大并转换成数字信号；

信号传输单元，采用RS485串口，主要包含MAX485驱动芯片，用于将海洋水质参数数据发送给水上控制装置。

(2)水上控制装置：包括控制器(c8051f020)，PLC，数据接收存储单元(E2PROM)，电源；

其中，控制器，通过I2C总线与水下数据采集装置相连，用于控制数据的采集、存储；控制器又与PLC相连，用于调用模糊控制程序向PLC发出指令；

PLC与升降执行机构(驱动器DM860)相连，用于发出具体指令控制升降执行机构的运行速度、时间，以及升降距离；

水上数据接收存储单元(E2PROM)，与控制器相连，用于采集存储水下采集装置发送的海洋水质参数；

蓄电池组，用于向控制器、PLC，数据接收存储单元、升降执行机构以及水下采集装置供电。

(3)升降执行机构：包括步进电机(BYG860H)，驱动器(DM860)，位移传感器，单向锁定开关，绞盘，铰链。

其中，绞盘设置在水下采集装置的下方，铰链的一端缠绕在绞盘上，另一端固定在水上控制装置上，铰链的长度大于水下采集装置的竖直移动的预设距离。

步进电机(BYG860H)，与绞盘相连用于驱动绞盘转动，使水下采集装置在升降缆上运动；步进电机与单向锁定开关相连，用于控制单向锁定开关的闭合，使水下密封舱固定在处于预定水深的升降缆上。

驱动器(DM860)，与步进电机相连，用于接收水上控制装置(PLC)的指令并控制步进电机的转动方向，转速，转动时间等；位移传感器与PLC相连，用于测量水下采集装置的位移并反馈到PLC中。

首先是控制器同多路开关按通道编号对不同的传感器进行切换并读出该传感器的值,每个通道所采集的数据经信号调理电路的滤波放大后进行A/D转换，然后单片机通过I2C的接口将数据传递到E2PROM中的各自的存储单元。另外，单片机根据当前采集处理后的数据向PLC发布指令。PLC接收来自控制器的指令后根据控制规则自动控制步进电机转动。

硬件的具体连接及位置关系参见图13：

水上控制装置(包括控制器1，PLC2，水质信息接收存储单元13，蓄电池组14)通过升降缆110连接海底；

水下密封舱31通过单向锁定开关24固定在升降缆110上；

升降执行机构还包括绞盘25和铰链26，绞盘25自带步进电机21与驱动器22。

绞盘25设置在水下密封舱31的下方，铰链26的一端缠绕在绞盘25上，另一端固定在海底，铰链26的长度大于水下密封舱31的竖直移动的预设距离，该绞盘用于在单向锁定开关打开时，顺时针转动使水下密封舱在海水的浮力下上升至预设水深，或者逆时针转动使水下密封舱在在铰链的牵引下下降至预设水深。

在具体实施时，升降缆110的一端通过感应耦合芯线与水上控制装置(包括控制器1，PLC2及水质信息接收存储单元13)内部的控制器1，PLC2相连，另一端与海底相连。

水下密封舱内31包括传感器组32，数据采集单元33和信号传输单元34；传感器组32主要包含水位传感器(位移传感器)，温度传感器，流速检测仪，水质五参数检测仪，用于检测海洋水质参数，检测到的数据经数据采集单元33的初步处理发送到信号传输单元34，信号传输单元34将海洋水质参数数据发送给控制器1，控制器1进一步处理数据并将其存储到水质信息接收存储单元13中。同时，模糊控制器根据模糊控制规则并通过PLC2向升降执行机构(绞盘25和铰链26)发出指令，使控制水下密封舱31根据水文环境选择不同测量间距，以适应性的速度上下自由移动。

蓄电池组14，用于向控制器1，PLC2、水质信息接收存储单元13、升降执行机构(绞盘25和铰链26)中的步进电机21与驱动器22以及水下密封舱内31包括传感器组32，数据采集单元33和信号传输单元34供电。

从上述描述可知，本发明的水质立体分层监测系统，可以根据水文环境自动控制水下数据采集装置升降，实现在不同深度选择适应性的下放速度和下放距离，避免了步进电机的急转急停，高效的监测垂向水体水质各项参数的变化过程，并根据立体分层监测水质参数的垂向分布，分层建立水体信息，为研究海洋水质变化规律提供数据支持和理论依据。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种水质的立体分层监测方法，其特征在于，包括：

步骤1.采集当前水层中初始监测点的水质信息；

步骤2.沿当前水层中的所述初始监测点竖直向下，等间隔的依次采集各监测点的水质信息，并在每采集到一个监测点的水质信息后，均获取并判断该监测点的判定值，直到当前某一监测点的判定值大于预设值时，暂停采集；

步骤3.将判定值大于预设值的当前监测点确定为下一水层的起始监测点，并将其前一监测点确认为当前水层的结束监测点，同时存储当前水层中全部监测点的水质信息；

步骤4.判定当前监测点到水面的距离是否超出预设的标准监测距离；否是，则结束对当前水质的分层监测；若否，则减小各监测点之间的间隔的预设值，并自下一水层的起始监测点开始，返回步骤2进行下一水层的监测。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括：

2-1.以预设的水位差值为移动间隔，沿当前水层中的上一监测点竖直向下移动至当前监测点；

2-2.采集当前监测点的水质信息；

2-3.根据上一监测点及当前监测点的水质信息，获取当前监测点的判定值，其中，所述判定值为|σ_n+1-σ_n|，且σ_n+1为当前监测点到当前水层的起始监测点之间所有监测点的水质信息的均方差；σ_n为上一监测点到当前水层的起始监测点之间所有监测点的水质信息的均方差；

2-4.判断该监测点的判定值|σ_n+1-σ_n|是否大于预设值D；

若是，则暂停采集，并进入步骤3；

若否，则返回步骤2-1继续向下采集。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2-1包括：

2-1-a、在自上一监测点沿水深方向移动至当前监测点的过程中，不断地采集水位信息；

2-1-b、根据所述水位信息进行模糊控制，使得当前监测点到达预设位置处，所述预设位置与上一监测点之间的距离等于预设的水位差值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤2-1-b之后还包括：

2-1-c、获取当前监测点所在位置的水流速信息，以及判断当前监测点的水流速是否在预设的水流速标准范围内；

若是，则进入步骤2-2；

若否，则返回上一监测点或暂停动作，并在一个时间间隔后重新到达监测点获取及比较当前监测点的水流速信息。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2-1-b中的所述模糊控制包括：

b-1.将所述水位信息中的水位偏差及水位偏差变化率作为模糊输入量；

b-2.运用查表法对所述模糊输入量与预存的控制规则表进行匹配，得到与所述控制规则表相匹配的模糊控制输出量；

b-3.根据重心法，将所述模糊控制输出量转化为控制输出量，并将所述控制输出量输出到执行机构。

6.一种水质的立体分层监测系统，其特征在于，包括水上控制装置、升降执行装置及水下采集装置；

所述水上控制装置分别与水下采集装置及升降执行装置连接，且所述水上控制装置用于根据所述水下采集装置发回的水质信息实时计算所述水质信息中各参数的均方差，并根据均方差值向所述升降执行装置发送移动指令；

所述升降执行装置根据所述移动指令在水下延水深方向移动；

所述水下采集装置设置在所述升降执行装置上，并随着所述升降执行装置的移动而移动，所述水下采集装置用于采集所述水质信息，并将所述水质信息发送至所述水上控制装置。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水下采集装置包括：均设置在水下密封舱中的传感器组、数据采集单元及信号传输单元，且所述水下密封舱固定设置在所述升降执行装置上；

所述传感器组用于获取当前监测点的水位信息、水流速及所述水质信息，且所述传感器组包括：水位传感器，温度传感器，流速检测仪及水质参数检测仪；其中，所述水质参数检测仪用于监测水中浑浊度、pH值、溶解氧含量、电导率及氨氮含量；

所述数据采集单元分别连接所述传感器组及信号传输单元，且所述数据采集单元用于将所述传感器组获取的数据发送至所述信号传输单元；

所述信号传输单元设有驱动芯片及串口，且所述信号传输单元用于将所述水位信息、水流速及所述水质信息发送至所述水上控制系统。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述数据采集单元包括依次连接的多路开关、信号调理电路以及A/D转换电路，且所述多路开关与传感器组连接，所述A/D转换电路与所述信号传输单元连接。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述水上控制装置包括：控制器、PLC、水质信息存储单元及蓄电池组；

所述控制器分别连接所述PLC及水质信息存储单元，并用通信总线与所述水下采集装置连接；其中，所述控制器用于根据所述接收到的水位信息，基于模糊控制计算的方法获取移动命令，将所述移动命令发送至所述PLC；所述控制器用于根据接收到的水流速，生成暂停或避险命令，并将所述暂停或避险命令发送至所述PLC；以及所述控制器用于在所述水下采集装置的下潜距离达到上限值时，生成返回命令，并将所述返回命令发送至所述PLC；

所述PLC与所述升降执行装置连接，所述PLC用于根据所述移动命令、暂停或避险命令、或所述返回命令，控制所述升降执行装置延水深方向移动；

所述水质信息存储单元用于存储各水层中的全部监测点的水质信息；

所述蓄电池组用于分别向所述控制器、PLC、水质信息存储单元、升降执行装置以及水下采集装置供电。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述升降执行装置包括步进电机、驱动器、位移传感器、单向锁定开关、绞盘及铰链；

所述绞盘设置在所述铰链的位于水下的部分上，且所述水下采集系统固定设置在所述绞盘上；

所述铰链的位于水上的部分与所述水上控制系统中的所述PLC连接，且所述铰链的单向长度大于所述水下采集装置的下潜距离的上限值。

所述步进电机与所述绞盘连接，且用于驱动绞盘转动，使水下采集装置在升降缆上运动；

所述单向锁定开关与所述步进电机连接，且用于通过控制所述单向锁定开关的闭合，使所述水下密封舱固定在处于预定水深的升降缆上；

所述驱动器与所述步进电机相连，且用于接收所述PLC的指令并控制步进电机的转动方向、转速及转动时间；

所述位移传感器与所述PLC相连，且用于测量水下采集装置的位移并将所述位移发送至所述PLC中。