CN109374846A - 一种控制水库垂向多参数自动采集装置下放速度的方法 - Google Patents

Abstract

一种控制水库垂向多参数自动采集装置下放速度的方法，该控制方法基于自动采集装置实现，所述的自动采集装置主要包括：传感器单元，手动升降装置及手持终端。传感器单元将水质参数发送给手持终端，手持终端进行处理计算并显示。传感器单元下降时采用最大梯度法或人工设定方法，根据各个传感器测得的水质参数的变化速度，对传感器下放速度进行调节，达到高效采集水质信息的目的。本发明传感器单元模块化，方便拆卸更换，可以随时根据监测需求使用不同的传感器；系统更加智能，可监测传感器下放速度并给出下放意见；使用智能下放方法，可以更高效地采集到尽可能详细的水质参数；采用手持终端，方便携带，显示信息全面，能够实时了解水质状况。

Description

一种控制水库垂向多参数自动采集装置下放速度的方法

技术领域

本发明属于水质监测领域，涉及一种控制水库垂向多参数自动采集装置下放速度的方法。

背景技术

随着科技的进步，人们对于生活质量的要求也越来越高，但同时社会的发展也使得环境问题日益严重。作为人类生存不可或缺的资源，水资源时时刻刻都面临着被污染的威胁。水库身为城市用水的第一大来源，对其水质的保护更是直接关系到民生问题，故水库水质的重要性可见一斑，对水库水质的监测也变得日益迫切。

水质监测技术是随着水环境研究的进程和发展而产生的，在环境分析的基础上发展起来的，是运用现代科学技术和方法测取水环境质量及其变化趋势的科学过程，是运用水环境状况数据资料的科学活动，是环境保护的基础。具体而言，水质监测技术是运用化学、物理、生物等现代科学技术方法，间断或连续地监视和检测代表水环境质量机器变化趋势的各种数据的全过程。

定期的水库水质监测是保证水源水库水质安全的一种重要手段和方法，常规的水库水质监测参数主要包括温度、pH值、电导率、溶解氧、氧化还原电位等。然而，目前国内水库普遍没有良好和合适的垂向水质监测系统。传统的垂向水质监测采用人工采样，实验室分析的方法，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，将采集到的水样带回实验室进行分析从而获得水质参数数据。这种方法浪费人力物力，且效率较低。同时数据的准确度依赖于采集的水样，而且不能很好地呈现水环境在被采样造成的破坏前的真实状态。目前也有一些水质监测装置，但往往操作复杂，需要人工的大量参与。国外的水质检测仪的价格往往价格较高，例如德国Sea&Sun公司的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、浊度等水质参数，通过连接笔记本即可在现场观察水质参数变化趋势，但其仍存在功能单一、采集效率不高、操作复杂等问题，且其主要面向海洋环境，价格也高达40-50万RMB，很难在国内水库大范围普及。又例如，韩敏等的《一种水库多参数水质垂向动态数据采集装置》(公开号：CN105044303A)中提出的水质监测装置，其采用固定种类的传感器进行固定安装，无法根据需要随时对需要的水质参数进行测量，且采用模拟信号进行传输，数据的稳定性和传输距离较差，且因其采用密封式设计，体积较大，携带不便。

同时，目前现存的采样装置所使用的传感器下放方法也存在着不足。例如，许士国等的《一种水库多参数水质垂向动态数据采集方法》(公开号：CN105137021A)中提出的传感器下降方法，其采用最大参数调节传感器的下放速率。其具体思想为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为:其中，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，当大于阀值时报警，并将多参数数据采集模块上拉一段距离并减速下放。

上述方法存在三个问题。其一，其六个参数统一比较，并取他们最大值与一个相同的阈值进行比较。但各个参数的大小与量级是不同的，如pH值参数一般只在7-9之间变化，变化幅度只在个位数以内，而以mv为单位ORP参数一般却在100mv以上，变化幅度也是以十几或几十的变化范围进行变化，故不能将各个参数直接平行地相比较，需要使用一个参数进行处理。其二，上述方法中当参数超过设定阈值时，会将多参数数据采集模块上拉一段距离。但是当上拉一段距离后，便会影响参数变化速率的计算，同时可能陷入无限上拉下放的死循环，无法进行正常的下放采样。其三，其对多个采样点取平均值，采样速度易受历史数据影响，不能及时地根据当前时刻的变化速率对速度进行调整。

综上所述，现存的水库水质监测系统不能实现当今智能化监测的需求，急需一种操作方便，节省人力物力，智能化程度较高一种控制水库垂向多参数自动采集装置下放速度的方法。

发明内容

本发明的主要目的是解决现有的垂向水库水质监测系统的不足，提供一种操作方便，节省人力物力，智能化程度较高的，适用于对水库水质进行垂向在线监测的智能化监测方法。

本发明解决上述问题的技术方案如下：

一种控制水库垂向多参数自动采集装置下放速度的方法，该控制方法基于自动采集装置实现，所述的自动采集装置主要包括：传感器单元，手动升降装置及手持终端。

所述传感器单元组主要由多个水质传感器整合构成，包括压力传感器、温度传感器、电导率传感器、pH值传感器、溶解氧传感器和氧化还原电位传感器，上述传感器固定在框架上成为一个整体，统一使用RS485接口和Modbus通信协议进行信息传输，并统一采用24V直流电源作为供电电源。采用线缆将传感器单元和升降装置、手持终端连接，线缆同时起到连接提拽和传递信号电源的作用。另一方面，所述的传感器单元所使用的各个传感器具有极易拆卸的模块化特点，即用即装，拆卸方便，需要使用时即将对应的传感器安装上即可，上述使用RS485传输方式也使得随时拆卸安装得以实现。

所述升降装置主要由支架、滑轮以及绞盘构成，其主要作用是对传感器单元进行下放和提拉，控制传感器单元的垂向动作。操作人员在使用升降装置对传感器单元进行升降时，需要依据手持终端上显示的操作提示控制下放及上拉的速度，从而使得传感器单元完成指定的垂向动作。

所述手持终端使用嵌入式技术，其与传感器单元相连，从传感器单元处接收水质参数，在其屏幕上进行显示，并将接收到的水质参数保存在嵌入式使用的SQLite数据库中，并可以使用手持终端随时进行历史数据查看。同时可以根据历史数据，直接使用手持终端对历史数据进行趋势曲线的绘制，这样可以在当前的采样环境下直接对水质参数的趋势有一个大概的了解，而无需回到实验室再进行分析。在对历史数据进行绘制前，会对历史数据进行处理。首先对需要进行绘制的历史数据求平均值，再将参数的各个数据与该均值作比较，若数据点超过均值上下20％范围，认为该数据为异常值，将其剔除，不作为历史数据绘制的数据点。手持终端也可实时显示当前测量点的经纬度地理信息以及当前时间信息，并将地理信息和时间信息与水质参数数据一同保存在数据库中。

另一方面，手持终端可以一键控制采集进程，使采集开始、暂停或结束。同时在手持终端上，可以选择传感器下放速度指导方法，其主要思路为手持终端根据各个传感器实时返回的参数数据变化速率计算出一个适合的传感器下放速度，在该速率下，传感器单元可以最好且高效地测得一系列垂向的水质数据。同时，通过传感器单元上的深度传感器可以测算出当前传感器的下放速度，手持终端会对比计算出的适合的传感器下放速度和传感器当前的下放速度，之后会在手持终端界面上提示操作人员应该加快或是减慢传感器的下放速度，从而使传感器保持在一个合适的下放速度。

下面对所提下放速度的方法进行详细介绍。

(1)根据改进最大梯度法的思想，认为变化速率最快的参数，其数据最能体现当前区间内的变化范围，应该被详细记录。改进的最大梯度法是在以上专利提出的方法上进行改进，许士国等的《一种水库多参数水质垂向动态数据采集方法》中提出的传感器下降方法存在各个参数量级不同、易出现无法完成监测、传感器下放速度对当前时刻参数变化率变化不敏感等问题的问题。

首先，本发明采用如下公式对各个参数进行处理：

其中，i代表各个水质传感器的编号，P_i(k)代表第i个传感器当前采样时刻采样值，P_i(k-1)代表第i个传感器前一个采样时刻采样值。S_i为与传感器的分辨率和后续分析要求分辨率有关的标准值，S_i一般选取后续分析时所需要的水质参数最小分辨率，如温度每变化0.1℃都需要记录，则温度参数所需要的分析最小分辨率为0.1摄氏度，则此时S_温度＝0.1。同时，S_i也可根据特定的需求自定义。对此处多个x_i(k)进行比较，找出他们的最大值x_max(k)，接下来以此x_max(k)所对应传感器的参数为传感器下放速度变化的依据。

其次，采用如下公式计算传感器当前下放速度：

其中，D(k)代表传感器当前采样时刻深度，D(k-1)代表传感器前一个采样时刻深度，Δt代表两次采样时刻间的采样间隔。

最后，比较ΔP_i(k)与S_i的大小，得到具体的下放速度：

所述的ΔP_i(k)＝P_i(k)-P_i(k-1)，其中：P_i(k)代表之前选出的有着最大值x_max(k)的第i个传感器当前采样时刻采样值，P_i(k-1)代表之前选出的有着最大值x_max(k)的第i个传感器前一个采样时刻采样值，ΔP_i(k)即为该传感器一个采样间隔内水质参数的变化值。

当ΔP_i(k)＞1.2S_i时，认为当前传感器当前下放速度较快，手持终端上提醒操作人员降低下放速度,建议下放速度

当0.8S_i＜ΔP_i(k)＞1.2S_i时，认为当前传感器下放速度合理，手持终端上提醒操作人员保持当前下放速度。

当ΔP_i(k)＜0.8S_i时,认为当前传感器当前下放速度较慢，手持终端上提醒操作人员加快下放速度,建议下放速度若调整速度后，的值大于1.5，则将建议下放速度调整为当前的1.5倍，即V_c(k)＝1.5V(k)，之后继续按照上述方法调整建议下放速度，直到0.8S_i＜ΔP_i(k)＞1.2S_i。

(2)人工设定传感器的下放速度，这种方法适用于该领域的专家对传感器和待测水域有一定的了解，知晓需要的传感器下放速度。此种情况下，可以直接通过手动设定传感器的下放速度，从而保证传感器的采样效率。

使用以上方法做不仅可以增加垂向水质测量的效率，也能保证测量点垂向分布充足，从而很好地描述垂向水质变化规律。

本发明的益处与优点在于：传感器单元使用模块化设计，拆卸极为方便；使用数字信号通信，抗干扰能力强，测量精确；手持终端实时显示水质数据及其变化曲线和地理、时间信息，并能够将他们自动保存到数据库中，以备后续研究使用；手持终端实时指导操作人员调整传感器下放速度，使其保持合适的下放速度；传感器单元下放时，采用智能下放方法，在确保效率的前提下能很好地描述垂向水质变化规律。

附图说明

图1是多参数垂向水质数据智能监测系统整体示意图。

图2是传感器单元结构示意图。

图中：1传感器单元；2升降装置；3手持终端；2-1定滑轮；2-2支架；2-3绞盘；2-4从机蓝牙模块；2-5传感器电源；2-6主机蓝牙模块；2-7手持终端电源。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

一种控制水库垂向多参数自动采集装置下放速度的方法，该控制方法基于自动采集装置实现，所述的自动采集装置主要包括：传感器单元，手动升降装置及手持终端。操作人员通过手持终端界面，控制传感器单元的下放速度。所述的确定下放速度的方法如下：

首先，采用如下公式对各个参数进行处理：

其中，i代表各个水质传感器的编号，P_i(k)代表第i个传感器当前采样时刻采样值，P_i(k-1)代表第i个传感器前一个采样时刻采样值。S_i为与传感器的分辨率和后续分析要求分辨率有关的标准值。

将多个x_i(k)进行比较，并将最大值x_max(k)所对应传感器的参数为传感器下放速度变化的依据。

其次，采用如下公式计算传感器当前下放速度：

其中，D(k)代表传感器当前采样时刻深度，D(k-1)代表传感器前一个采样时刻深度，Δt代表两次采样时刻间的采样间隔。

最后，比较ΔP_i(k)与S_i的大小，得到合适的下放速度：

所述的ΔP_i(k)＝P_i(k)-P_i(k-1)，其中：P_i(k)代表之前选出的具有最大值x_max(k)的第i个传感器当前采样时刻采样值，P_i(k-1)代表之前选出的具有最大值x_max(k)的第i个传感器前一个采样时刻采样值，ΔP_i(k)即为该传感器一个采样间隔内水质参数的变化值。

当ΔP_i(k)＞1.2S_i时，表明当前传感器下放速度快，手持终端上提醒操作人员降低下放速度，建议下放速度为：

当0.8S_i＜ΔP_i(k)＞1.2S_i时，表明当前传感器下放速度合理，手持终端上提醒操作人员保持当前下放速度

当ΔP_i(k)＜0.8S_i时,表明当前传感器当前下放速度较慢，手持终端上提醒操作人员加快下放速度，建议下放速度为：当调整后的下放速度，其的值大于1.5时，将下放速度调整为当前速度的1.5倍，即V_c(k)＝1.5V(k)，之后继续按照上述方法调整建议下放速度，直到0.8S_i＜ΔP_i(k)＞1.2S_i。

一种控制水库垂向多参数自动采集装置的具体实施步骤如下：

步骤1：在采样平台上将升降装置2固定，并将绞盘固定在支架2-2上。将线缆连接到传感器单元1上，线缆绕过升降装置2的定滑轮1上后缠绕到绞盘2-3上。线缆另一端与从机蓝牙模块2-3和传感器电源2-4连接。

步骤2：手持终端3固定在升支架2-2上，并与主机蓝牙模块2-6和手持终端电源2-7相连。

步骤3：参考手持终端3显示的经纬度坐标信息，若到达指定采样点后，在手持终端上3进行初始化，并开始对传感器单元进行下放。

步骤4：传感器单元1实时监测并获得水质参数，通过从机蓝牙模块2-4发送给主机蓝牙模块2-6，主机蓝牙模块2-6再发送给手持终端3。

步骤5：手持终端3将接收到的水质参数数据提取出来，显示在手持终端界面上。同时显示当前传感器下放速度。利用这些水质参数数据计算出建议下放速度，将计算后的建议下放速度显示在手持终端界面，并提示操作人员如何调整下放速度。

步骤6：手持终端3将水质参数数据和相应的地点信息、时间信息以数据库的形式被保存到手持终端3的SQLite数据库中。

步骤7：当手持终端3检测到传感器单元1的深度一定时间内没有变化后，代表传感器单元1已经到达水库底部，此时开始对传感器单元1进行回收。

步骤8：水质数据采集结束后，可以通过手持终端3直接查看历史数据，并绘制各个参数的趋势曲线。

最后应该说明：本说明书虽然通过具体的实施方式详细描述了本发明的具体结构，但是本领域的技术人员应该清楚，本发明并不局限于上述实施例的描述范围，在本专利的实质范围内，进行的各种修改和替换，都应属于本专利的保护范围。

Claims (1)

1.一种控制水库垂向多参数自动采集装置下放速度的方法，其特征在于，该控制方法基于自动采集装置实现，所述的自动采集装置主要包括：传感器单元，手动升降装置及手持终端；

所述传感器单元组主要由多个水质传感器整合构成，包括压力传感器、温度传感器、电导率传感器、pH值传感器、溶解氧传感器和氧化还原电位传感器，上述传感器固定在框架上成为一个整体，统一使用RS485接口和Modbus通信协议进行信息传输，与供电电源连接；采用线缆将传感器单元和升降装置、手持终端连接，线缆同时起到连接提拽和传递信号电源的作用；所述的传感器单元所使用的各个传感器即用即装，拆卸方便；

所述升降装置主要由支架、滑轮以及绞盘构成，其主要作用是对传感器单元进行下放和提拉，控制传感器单元的垂向动作；操作人员在使用升降装置对传感器单元进行升降时，需要依据手持终端上显示的操作提示控制下放及上拉的速度，使得传感器单元完成指定的垂向动作；

所述手持终端使用嵌入式技术，其与传感器单元相连，从传感器单元处接收水质参数，在其屏幕上进行显示，并将接收到的水质参数保存在嵌入式使用的SQLite数据库中，并可以使用手持终端随时进行历史数据查看；同时可以根据历史数据，直接使用手持终端对历史数据进行趋势曲线的绘制，能够在当前的采样环境下直接了解水质参数趋势；在绘制历史数据进行前：首先对需要进行绘制的历史数据求平均值，再将参数的各个数据与该均值作比较，若数据点超过均值上下20％范围，认为该数据为异常值，将其剔除，不作为历史数据绘制的数据点；所述的手持终端还可实时显示当前测量点的经纬度地理信息以及当前时间信息，并将地理信息和时间信息与水质参数数据一同保存在数据库中；

通过手持终端界面，采用最大梯度法控制传感器单元的下放速度，根据各个传感器测得的水质参数的变化速度，对传感器下放速度进行调节，包括以下步骤：

首先，采用如下公式对各个参数进行处理：

其中，i代表各个水质传感器的编号，P_i(k)代表第i个传感器当前采样时刻采样值，P_i(k-1)代表第i个传感器前一个采样时刻采样值；S_i为与传感器的分辨率和后续分析要求分辨率有关的标准值；

将多个x_i(k)进行比较，并将最大值x_max(k)所对应传感器的参数为传感器下放速度变化的依据；

其次，采用如下公式计算传感器当前下放速度：

其中，D(k)代表传感器当前采样时刻深度，D(k-1)代表传感器前一个采样时刻深度，Δt代表两次采样时刻间的采样间隔；

最后，比较ΔP_i(k)与S_i的大小，得到合适的下放速度：

所述的ΔP_i(k)＝P_i(k)-P_i(k-1)，其中：P_i(k)代表之前选出的具有最大值x_max(k)的第i个传感器当前采样时刻采样值，P_i(k-1)代表之前选出的具有最大值x_max(k)的第i个传感器前一个采样时刻采样值，ΔP_i(k)即为该传感器一个采样间隔内水质参数的变化值；

当ΔP_i(k)>1.2S_i时，表明当前传感器下放速度快，手持终端上提醒操作人员降低下放速度，建议下放速度为：

当0.8S_i<ΔP_i(k)>1.2S_i时，表明当前传感器下放速度合理，手持终端上提醒操作人员保持当前下放速度

当ΔP_i(k)<0.8S_i时,表明当前传感器当前下放速度较慢，手持终端上提醒操作人员加快下放速度，建议下放速度为：当调整后的下放速度，其的值大于1.5时，将下放速度调整为当前速度的1.5倍，即V_c(k)＝1.5V(k)，之后继续按照上述方法调整建议下放速度，直到0.8S_i<ΔP_i(k)>1.2S_i。