CN203053956U

CN203053956U - 一种网络化海洋水质监测系统

Info

Publication number: CN203053956U
Application number: CN 201220737710
Authority: CN
Inventors: 袁健; 周忠海; 刘波; 华志励; 徐娟; 姚璞玉; 王越; 臧鹤超
Original assignee: Oceanographic Instrumentation Research Institute Shandong Academy of Sciences
Current assignee: Oceanographic Instrumentation Research Institute Shandong Academy of Sciences
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2022-12-28

Abstract

本实用新型公开了一种网络化海洋水质监测系统，包括环境监测控制中心和至少一个现场水质监测装置；在所述现场水质监测装置中设置有用于检测水质参数的传感器单元、控制器和无线通信模块；所述控制器接收传感器单元采样输出的检测信号，并通过无线通信模块与环境监测控制中心建立无线通信链接，上传监测数据。本实用新型的网络化海洋水质监测系统通过组网，不仅可以实现对不同海域的不同海洋参数的实时采集，而且还可以通过无线网络及时地将检测到的水质参数上传至远程的环境监测控制中心，进而提供给海岸的监测人员实现对不同海域水质的实时监测，不仅提高了海洋监测的机动能力，同时增强了对近海海域生态系统的预测、预警能力。

Description

一种网络化海洋水质监测系统

技术领域

本实用新型属于海洋监测系统技术领域，具体地说，是涉及一种用于监测海洋生态环境的海洋水质监测系统。

背景技术

海洋水质环境监测在开发海洋资源、预警海洋水质灾害、保护海洋水质环境等方面都有着重大意义。海洋水质监测系统能够提供多要素、多学科的长期、综合、实时观测，可以应用于包括基础科学研究、资源与能源、勘探开发利用、灾害与环境保护、航海等多方面研究领域，以满足国家海洋安全最基本的海底、水体和海面各种要素的需求。

目前，我国的海洋水质监测系统仍然存在很多问题：一是各级水质监测中心的采样能力不足，监测频率较低，水质监测实验室的监测仪器设备老化，大型分析仪器配备不平衡；二是机动监测能力不足，移动水质分析监测实验室配备数量极少，导致现场监测能力低下；三是自动水质监测站数量较少，缺乏自动测报的能力。

发明内容

本实用新型针对传统海洋水质监测系统监测能力不足、缺乏自动测报能力的问题，提供了一种基于无线网络的海洋水质监测系统，实现了对海洋水质的实时监测，增强了对海洋生态环境的监测和预警能力。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种网络化海洋水质监测系统，包括环境监测控制中心和至少一个现场水质监测装置；在所述现场水质监测装置中设置有用于检测水质参数的传感器单元、控制器和无线通信模块；所述控制器接收传感器单元采样输出的检测信号，并通过无线通信模块与环境监测控制中心建立无线通信链接，上传监测数据；在所述无线通信模块中设置有GPRS通信模块和北斗通信模块，所述控制器在GPRS网络正常时，启动GPRS通信模块与环境监测控制中心进行数据交互；在GPRS网络异常时，通过环境监测控制中心启动北斗通信模块与所述的控制器进行数据通信。

进一步的，在所述现场水质监测装置中还设置有数据采集模块，连接所述的传感器单元，对传感器单元输出的检测信号进行采集，并传输至所述的控制器。

为了满足控制器对检测信号的准确接收要求，在所述数据采集模块中设置有信号调理放大电路和AD转换电路，所述信号调理放大电路接收传感器单元输出的检测信号，并进行调理放大处理后，输出至AD转换电路将模拟信号转换成数字信号输出至所述的控制器。

优选的，在所述信号调理放大电路中设置有前置放大电路和低通滤波器，所述前置放大电路对传感器单元输出的检测信号进行前置放大处理后，通过低通滤波器输出至所述的AD转换电路。

为了对海洋水质实现多参数检测，在所述的传感器单元中同时设置有温度传感器、盐度传感器、PH值传感器、溶解氧传感器和氨氮传感器。

为了满足控制器与无线通信模块之间的接口通信要求，所述控制器通过串口通信芯片连接所述的无线通信模块，利用串口通信芯片完成控制器接口电平与无线通信模块接口电平之间的转换。

又进一步的，在所述现场水质监测装置中还设置有存储单元，连接所述的控制器，保存监测数据。

再进一步的，在所述现场水质监测装置中还设置有电源模块，在所述电源模块中设置有太阳能电池板、太阳能控制器、电池组和稳压电路；所述太阳能电池板将太阳能转换成电能，通过太阳能控制器对电池组进行充放电控制；通过电池组输出的直流电源经由稳压电路转换成现场水质监测装置中各用电负载所需的工作电源，传输至各用电负载。

为了满足不同海域的水质监测要求，所述现场水质监测装置设置有多个，分别安装在不同的浮标体上，并通过浮标体分布在不同的监测海域；所述传感器单元固定在浮标体下方的支架上。

更进一步的，在所述环境监测控制中心设置有依次连接的网络服务器、数据服务器、应用服务器和监控计算机；所述网络服务器通过互联网连接网关GPRS支持节点，通过网关GPRS支持节点连接GPRS服务支持节点，进而通过GPRS服务支持节点连接GPRS网络；所述应用服务器通过设置在环境监测控制中心的北斗通讯终端与现场水质监测装置中的北斗通信模块进行无线通信。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的网络化海洋水质监测系统通过组网，不仅可以实现对不同海域的不同海洋参数的实时采集，而且还可以通过无线网络及时地将检测到的水质参数上传至远程的环境监测控制中心，进而提供给海岸的监测人员实现对不同海域水质的实时监测。采用本实用新型的网络化海洋水质监测系统不仅提高了海洋监测的机动能力，同时增强了对近海海域生态系统的预测、预警能力。

结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本实用新型所提出的网络化海洋水质监测系统的整体架构示意图；

图2是图1中现场水质监测装置的一种实施例的电路原理框图；

图3是基于GPRS网络的系统架构示意图；

图4是基于北斗通信网络的系统架构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细地说明。

实施例一，本实施例的网络化海洋水质监测系统主要由环境监测控制中心以及分布在不同海域的现场水质监测装置组成，参见图1所示。其中，现场水质监测装置安装于水面的浮标体上，通过浮标体与系泊系统提供的刚体平台使其漂浮在被测海域，实现对被测海域水质参数的采样检测。环境监测控制中心设置于海岸或者内陆，通过无线网络与位于不同海域的现场水质监测装置进行无线通信，以接收现场水质监测装置上传的监测数据，并进行解码和分析处理后，提供给监测人员实现对不同海域生态环境状态的实时监测；同时，监测人员还可以通过所述的环境监测控制中心实现对现场水质监测装置的远程控制。

在所述现场水质监测装置中设置有传感器单元、数据采集模块、控制器、无线通信模块和电源模块，参见图1所示。其中，传感器单元安装于浮标体下方的支架上，深入海面以下对被测海域的水质参数进行采样检测。在本实施例的传感器单元中同时设置有温度传感器、盐度传感器、PH值传感器、溶解氧传感器和氨氮传感器，分别用于对海水的温度、盐度、PH值、含氧量以及氨氮含量进行检测，并生成检测信号通过防水电缆传输至位于浮标体上方的数据采集模块。所述数据采集模块用于对传感器采集输出的检测信号进行放大和整形处理，并转换成数字信号发送至所述的控制器。在所述数据采集模块中预留有扩展口，方便增加其他类型的传感器。作为本实施例的一种优选设计方案，在所述数据采集模块中具体设计有信号调理放大电路和AD转换电路，参见图2所示。所述信号调理放大电路优选采用低噪声、高精度的电路设计，主要由前置放大电路和低通滤波器组成，在增加信号驱动的同时防止信号变差。其中，所述前置放大电路能够有效采集各传感器输出的微小信号，并对采集到的微弱检测信号进行前置放大处理后，将放大后的信号经过低通滤波器传输到AD转换电路。所述AD转换电路将传感器检测输出的模拟信号转换成数字信号输出至所述的控制器。所述控制器作为整个现场水质监测装置的核心单元，优选采用低功耗的单片机对整个装置的工作状态进行统一控制。在装置上电启动时，控制器首先检测装置中其他功能单元的运行状态，并在各功能单元均无故障时，启动无线通信模块与远程的环境监测控制中心建立无线通信链接，以进行信息交互。

所述控制器连接存储单元，将接收到的监测数据以及监测发生的时间数据关联存储到所述的存储单元中，并对监测数据和时间数据进行打包和加密处理后，通过无线通信模块发送至远程的环境监测控制中心。在现场水质监测装置不需要对海洋状态进行检测时，控制器自动控制装置中的各功能单元进入休眠模式，以节省电能消耗。

在本实施例中，所述无线通信模块优选兼容GPRS和北斗两种无线通信网络，参见图2所示。通过设置GPRS通信模块和GPRS通信天线，在GPRS网络正常期间，通过GPRS移动公网实现现场水质监测装置与环境监测控制中心的数据交互；通过设置北斗通信模块和北斗通信天线，在GPRS网络发生故障时，作为后备通信模块在环境监测控制中心的启动控制下，建立起环境监测控制中心与现场水质监测装置之间的无线通信链路，继续完成水质参数的采集、监测和远程传输任务。

出于控制器与无线通信模块之间接口电平匹配方面的考虑，本实施例在所述控制器与无线通信模块之间还设置了串口通信芯片，如图2所示。所述串口通讯芯片用于实现UART信号与RS232信号之间电平的双向转换，一路通过通用异步串行总线（UART总线）与所述控制器的UART接口相连接，一路通过RS232串行总线与所述无线通信模块的RS232接口相连接，以满足控制器与无线通信模块之间的接口通信要求。

通过所述串口通信芯片还可以为现场水质监测装置扩展出RS232预留串口，以满足该装置日后与其他串口设备的连接通信要求。

在本实施例中，所述串口通信芯片在没有串口设备连接时，自动进入休眠模式，以有效降低电源消耗。

为了满足现场水质监测装置自供电的要求，在本实施例的电源模块中设置了太阳能电池板、太阳能控制器、大容量的免维护电池组以及稳压电路，参见图2所示。其中，太阳能电池板用于采集太阳光能，并转换成电能通过太阳能控制器对电池组进行充放电控制。所述免维护电池组的供电电压为12V，容量为17AH，可维持7个连续阴雨天的供电量，能够为现场水质监测装置提供全天候不间断的电源供给，以满足现场水质监测装置的连续工作要求。通过电池组输出的+12V直流电源经由稳压电路转换生成现场水质监测装置中各用电负载所需的直流工作电源（例如：控制器和数据采集模块所需的直流5V工作电压、无线通信模块所需的5~12V直流工作电压以及盐度传感器所需的12V直流供电电压等），为各用电负载供电。

为了向现场水质监测装置中的各用电负载提供稳定的工作电压，本实施例在稳压电路中设计了DC-DC电压转换电路和低压差线性稳压器LDO，通过两级稳压为装置提供稳定的工作电源。

对于环境监测控制中心来说，本实施例采用网络服务器、数据服务器、应用服务器和监控计算机组建而成，参见图3所示。当现场水质监测装置通过GPRS网络与所述的环境监测控制中心进行通信时，现场水质监测装置中的GPRS通信模块将传输的数据通过基站发送到移动公网，经由GPRS服务支持节点（SGSN）连接网关GPRS支持节点（GGSN），进而通过网关GPRS支持节点（GGSN）发送到互联网上。在所述环境监测控制中心，网络服务器通过互联网接收现场水质监测装置上传的数据，输出至数据服务器进行保存，并通过应用服务软件进行解密和分析处理后，发送至监控计算机提供给监测人员进行观测，并同时实现对现场水质监测装置的管理、异常情况报警以及水质参数数据库的维护等。

在所述环境监测控制中心还设置有北斗通讯终端，连接所述的应用服务器，参见图4所示。环境监测控制中心在等待设定的时间内，若始终没有接收到现场水质监测装置上传的数据，则启动北斗通讯终端与现场水质监测装置中的北斗通信模块建立通讯，启动北斗通信模块进行通信模式的切换。

显然，由于结构相似的缘故，本实用新型的网络化海洋水质监测系统还可以推广应用到湖泊、江河、水库等其它需要进行水质监测的领域中。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种网络化海洋水质监测系统，其特征在于：包括环境监测控制中心和至少一个现场水质监测装置；在所述现场水质监测装置中设置有用于检测水质参数的传感器单元、控制器和无线通信模块；所述控制器接收传感器单元采样输出的检测信号，并通过无线通信模块与环境监测控制中心建立无线通信链接，上传监测数据；在所述无线通信模块中设置有GPRS通信模块和北斗通信模块，所述控制器在GPRS网络正常时，启动GPRS通信模块与环境监测控制中心进行数据交互；在GPRS网络异常时，通过环境监测控制中心启动北斗通信模块与所述的控制器进行数据通信。

2.根据权利要求1所述的网络化海洋水质监测系统，其特征在于：在所述现场水质监测装置中还设置有数据采集模块，连接所述的传感器单元，对传感器单元输出的检测信号进行采集，并传输至所述的控制器。

3.根据权利要求2所述的网络化海洋水质监测系统，其特征在于：在所述数据采集模块中设置有信号调理放大电路和AD转换电路，所述信号调理放大电路接收传感器单元输出的检测信号，并进行调理放大处理后，输出至AD转换电路将模拟信号转换成数字信号输出至所述的控制器。

4.根据权利要求3所述的网络化海洋水质监测系统，其特征在于：在所述信号调理放大电路中设置有前置放大电路和低通滤波器，所述前置放大电路对传感器单元输出的检测信号进行前置放大处理后，通过低通滤波器输出至所述的AD转换电路。

5.根据权利要求1所述的网络化海洋水质监测系统，其特征在于：在所述的传感器单元中设置有温度传感器、盐度传感器、PH值传感器、溶解氧传感器和氨氮传感器。

6.根据权利要求1所述的网络化海洋水质监测系统，其特征在于：所述控制器通过串口通信芯片连接所述的无线通信模块。

7.根据权利要求1所述的网络化海洋水质监测系统，其特征在于：在所述现场水质监测装置中还设置有存储单元，连接所述的控制器，保存监测数据。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的网络化海洋水质监测系统，其特征在于：在所述现场水质监测装置中还设置有电源模块，在所述电源模块中设置有太阳能电池板、太阳能控制器、电池组和稳压电路；所述太阳能电池板将太阳能转换成电能，通过太阳能控制器对电池组进行充放电控制；通过电池组输出的直流电源经由稳压电路转换成现场水质监测装置中各用电负载所需的工作电源，传输至各用电负载。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的网络化海洋水质监测系统，其特征在于：所述现场水质监测装置设置有多个，分别安装在不同的浮标体上，并通过浮标体分布在不同的监测海域；所述传感器单元固定在浮标体下方的支架上。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的网络化海洋水质监测系统，其特征在于：在所述环境监测控制中心设置有依次连接的网络服务器、数据服务器、应用服务器和监控计算机；所述网络服务器通过互联网连接网关GPRS支持节点，通过网关GPRS支持节点连接GPRS服务支持节点，进而通过GPRS服务支持节点连接GPRS网络；所述应用服务器通过设置在环境监测控制中心的北斗通讯终端与现场水质监测装置中的北斗通信模块进行无线通信。