一種實時的多參數遠程水質監測系統和方法

2023-07-19 15:57:06 4

專利名稱：一種實時的多參數遠程水質監測系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種水質監測系統和方法，具體的說，本發明涉及一種實時的多參數 遠程水質監測系統和方法，屬於水環境保護技術領域。
背景技術：
隨著我國社會工業化的發展，向水體排入大量含氮、磷的工業廢水和生活汙水，從 而加速了湖泊的富營養化，導致了水生生物，特別是藻類的大量繁殖，破壞了水體的生態平 衡，導致藍藻水華。藍藻水華的微囊藻毒素是一種肝毒素，這種毒素是肝癌的強烈促癌劑， 毒性最強、危害最大的一種淡水藍藻毒素。藻毒素具有水溶性和耐熱性。其易溶於水，在水中的溶解性大於lg/L，化學性質相 當穩定，而自然降解過程是十分緩慢的。自來水處理工藝的混凝沉澱、過濾、加氯也不能將 其去除。目前，世界衛生組織(WHO)制定的飲水中微囊藻毒素，最高允許含量為lug/1。因 此，監測水體中藍藻的生物量對藍藻水華發生進行預警，並採取措施避免藍藻水華的發生 和減少其危害具有重要的意義。目前，對水質的檢測主要基於傳統的實驗室分析方式。需要利用大型的專用檢測 設備，比如液相色譜法、分光光度法、電化學法等。這些檢測手段通過人為的現場採樣、運 輸、實驗室分析的流程來完成。其對採樣、制樣的技術經驗要求高、耗時較長、成本高、工作 量大，而且不能實時的反映浮遊植物的情況。

發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供了一種實時的多參數遠程水質監測 系統和方法。為實現上述發明目的，本發明提供了一種實時的多參數遠程水質監測系統，其特 徵在於，該系統包含環境監測控制中心和分布式地放置於水源地的若干現場水質監測裝 置，所述的現場水質監測裝置，用於將實時的水質數據發往環境監測控制中心；所述的現場 水質監測裝置包括若干傳感器單元，用於實時的採集現場水質的參數；信號調理放大和AD轉換單元，將實時採集的現場水質的參數進行調理放大後，經 過AD轉換電路後變成數位訊號並傳送到中央控制單元；數據存儲單元，由中央控制單元控制，用於存儲上述的數位訊號及其水質監測發 生的時間；液晶顯示單元，用於顯示監測裝置的工作狀態信息，並能實時地顯示監測到的參 數數據；鍵盤輸入單元，鍵盤輸入單元能設定監測裝置的工作參數；中央控制單元，用於協調和控制現場監測裝置的其它各單元的工作；無線通信單元，用於現場水質監測裝置與環境監測控制中心之間進行通信，包括通信天線和通信模塊；電源模塊單元，用於為現場監測裝置提供穩定的3. 3V工作電壓。在實際應用中，可以將現場水質監測裝置放置於水面浮標，或其他水面平臺上。同 時，將一定數量的水質監測裝置分布式地布置在湖泊、水庫等水源地的特定位置，可以對水 體不同深度的藍藻生物量、溶解氧含量、濁度、PH值、溫度、電導率等參數進行監測，並將數 據實時的傳輸到環境監測控制中心。所述的若干傳感器單元，包括藍藻螢光傳感器、溶解氧傳感器、濁度傳感器、PH 值傳感器、溫度傳感器、電導率傳感器或水深傳感器，被集成密封在一個套筒中，其傳感部 位裸露在外，同時預留擴展口並配有相應的清潔裝置，用於增加傳感器。當進行水質檢測 時，多參數傳感器單元伸入水中，各個傳感器的傳感窗口垂直向下，檢測不同深度的水質參 數。傳感器單元通過防水電纜與信號調理放大和AD轉換單元相連。所述的信號調理放大和AD轉換單元採用了低噪聲、高精度的電路設計，能有效採 集各傳感器的微小信號，並能將其轉換成相應的數位訊號。該單元包括開關選擇電路15、 程控前置放大電路16、鎖相放大電路17、低通濾波電路18和AD轉換電路19，開關選擇電路 用來選擇所要採集的水質參數信息，也就是選擇採集哪個傳感器的信號。將採集到的傳感 器微弱信號傳輸到程控前置放大電路進行前置放大，該前置放大電路採用低噪聲設計，在 增加信號驅動的同時防止信號變差。前置放大後的信號進入鎖相放大電路，對傳感信號進 行主放大，同時能大大抑制其他頻率的噪聲信號。放大後的信號經過低通濾波電路傳輸到 AD轉換電路，將採集到的信號變成相應的數位訊號，AD轉換主要通過高精度的AD晶片來實 現。轉換後的數位訊號傳送到中央控制單元。該系統還包括有RS-232串口通信單元，所述 的RS-232串口通信單元是監測裝置的一個預留通信口，無線網絡因故無法通信的情況下， 通過該串口通信單元能將監測到的參數數據傳送到PC機中。所述的電源模塊單元包含鋰電池組，供電電壓為15V，容量為6600mah ；穩壓電路，用於為鋰電池組進行直流-直流(DC-DC)電壓轉換和低壓差線性穩壓 (LDO)的兩級電壓轉換，從而為電路提供穩定的3. 3伏工作電壓。所述的電源模塊單元的充放電電路在沒有市電的情況下，利用大容量的電池組來 給監測裝置供電；在有市電的情況下，直接利用市電為整個裝置供電，並且能為電池組進行 充電；也可外加太陽能電板對電池組進行充電。為實現上述發明目的，本發明還提供了一種實時的多參數遠程水質監測方法，該 方法通過現場水質監測裝置實時監測現場水質數據並發往環境監測控制中心；具體步驟包 括1)現場水質監測裝置上電工作，其中央控制單元檢測各單元的狀態情況；如果有 故障發生，則返回相應的故障代碼；如果正常，轉入下一步2)；2)中央控制單元啟動無線通訊單元與環境監測控制中心建立無線連接，連接成功 後，現場水質監測裝置進行數據的無線傳輸；3)中央控制單元控制傳感器工作，採集水質的各項參數數據信號，信號經過信號 調理放大和AD轉換單元後轉換為相應的數位訊號，並傳送到中央控制單元；4)中央控制單元將監測發生的時間和得到的參數數據一併存入數據存儲單元，同5時將這些數據通過無線通訊單元發送到環境監測控制中心。所述的步驟幻建立無線連接的時刻，如果是監測裝置設定的監測時間，，則中央 控制單元喚醒各單元，使其進入正常工作狀態，否則，中央控制單元控制各單元進入休眠狀 態。該系統包括環境監測控制中心，現場水質監測裝置，所述的現場水質監測裝置，分 布式地放置於水源地，對水源地的水質進行實時的監測。並將實時的水質數據發往環境 監測控制中心；其中現場水質監測裝置包括若干傳感器單元，用於實時的採集現場水質 的參數；信號調理放大和AD轉換單元，將實時採集的現場水質的參數進行調理放大後，經 過AD轉換電路後變成數位訊號並傳送到中央控制單元；數據存儲單元，由中央控制單元控 制，用於存儲上述的數位訊號及其水質監測發生的時間；液晶顯示單元，用於顯示監測裝置 的工作狀態信息，並能實時地顯示監測到的參數數據，這樣方便對儀器裝置的定期檢查和 調試。而當監測裝置放置於野外現場時，為節省電池組電源，液晶顯示單元在中央控制單元 的控制下進入休眠狀態；鍵盤輸入單元，鍵盤輸入單元能設定監測裝置的工作參數；中央 控制單元，用於協調和控制現場監測裝置的其它各單元的工作；無線通信單元，用於現場水 質監測裝置與環境監測控制中心之間進行通信，包括通信天線和通信模塊。該通信模塊的 通信方式可以是利用無線數傳電臺、現有公網的無線通信如GSM、GPRS或3G、衛星通信等。 中央控制單元正是通過該無線通信單元將水質監測發生的時間和各傳感器的監測數據實 時地遠程傳送到環境監測控制中心。同時，環境監測控制中心也可以通過無線方式遠程控 制現場水質監測裝置，對其裝置的一些相關工作參數進行重新設定。電源模塊單元，用於為 現場監測裝置提供穩定的3. 3V工作電壓。該裝置安放在江河、湖泊及水庫等水源地，實時 監測水質的多項技術參數。本發明還提出了一種實時的多參數遠程水質監測方法，該方法通過現場水質監測 裝置實時監測現場水質數據並發往環境監測控制中心；具體步驟包括首先對現場水質監 測裝置上電工作，其中央控制單元檢測各單元的狀態情況；如果有故障發生，則返回相應的 故障代碼；如果正常，中央控制單元啟動無線通訊單元與環境監測控制中心建立無線連接， 假如此時不是監測裝置設定的監測時間，中央控制單元控制各單元進入休眠狀態；否則中 央控制單元喚醒各單元，使其進入正常工作狀態，進行數據的無線傳輸；然後中央控制單元 控制傳感器工作，採集水質的各項參數數據信號，信號經過信號調理放大和AD轉換單元後 轉換為相應的數位訊號，並傳送到中央控制單元；最後中央控制單元將監測發生的時間和 得到的參數數據一併存入數據存儲單元，同時將這些數據通過無線通訊單元發送到環境監 測控制中心。所述的環境監測控制中心由防火牆、網絡伺服器、資料庫和人工終端電腦等設備 組成。網絡伺服器可以與現場水質監測裝置進行實時的遠程無線網絡通訊。當伺服器接收 到監測數據後，其控制顯示程序對水質監測數據進行分析、處理和報警，並將監測數據存入 水質監測資料庫中。同時，伺服器中設有分布式現場水質監測裝置的地圖信息，能圖形化的 顯示每個監測地點的實時監測情況。人工終端電腦可以顯示當前的監測信息，也可以人為 地遠程喚醒、控制現場水質監測裝置。本發明的優點在於現場水質監測裝置採用低電壓、低功耗設計，監測過程由儀器 裝置自動完成，無需人工值守。通過分布式的放置現場水質監測裝置，能實時連續地監測特定位置水源地水體中不同深度的藍藻生物量、溶解氧含量、濁度、PH值、溫度、電導率等參數 指標，並能實時地將參數數據通過無線網絡傳送到環境監測控制中心。環境監測控制中心 能實時的分析和處理水質監測數據，同時也可以對現場水質監測裝置進行遠程控制。


下面結合附圖對本發明進一步說明。圖1是實時的多參數遠程水質監測系統的結構示意圖。圖2是現場水質監測裝置的結構示意圖。圖3是電源模塊單元的結構示意圖。圖4是信號調理放大和AD轉換單元結構示意圖。圖5是現場水質監測裝置的控制程序流程圖。圖6是環境監測控制中心的控制程序流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進一步說明，但不應該以此限制本發明的保護範圍。本發明的結構如圖1所示，系統由現場的水質監測裝置和環境監測控制中心所組 成。現場水質監測裝置的結構如圖2所示，它分布式地放置在水源地，對特定位置的水質進 行實時的監測，並將實時數據通過無線網絡傳送到環境監測控制中心。環境監測控制中心 的伺服器接收來自現場監測裝置的實時數據，並進行相應的分析、處理和報警，同時可以對 現場監測裝置進行遠程控制。
在本實施例中，現場水質監測裝置採用了低電壓、低功耗設計，其電路工作電壓為 3. 3V。電源由電源模塊單元3提供，如圖3所示，電源模塊單元3包含大容量的鋰電池組12、 穩壓電路13和充放電電路14。其中，鋰電池組12供電電壓為15V，容量為6600mah。該鋰 電池組12要通過穩壓電路13的兩級穩壓，分別為直流-直流(DC-DC)電壓轉換和低壓差 線性穩壓(LDO)的電壓轉換，為裝置電路提供穩定的3. 3V的工作電壓。而在有市電供電的 情況下，充放電電路14可以直接利用市電給裝置供電，並可以為鋰電池組12充電。為增加 電池的工作時間，該模塊也可以外加太陽能電板充電。中央控制單元7是整個現場水質監測裝置的核心單元，它控制著整個裝置的工 作，這裡採用低功耗的單片機89LV51控制晶片。在裝置上電時，中央控制單元7首先檢測其 他各個單元的狀態。在沒有故障的情況下，中央控制單元7通過啟動無線通信單元8，與環 境檢測控制中心進行無線網絡連接。無線通信單元8採用西門子的GPRS模塊MC55，該模塊 利用移動公網的GPRS網絡通信，將監測裝置的傳輸數據通過基站發送到移動的內部GPRS 網絡中，再通ahternet網關節點(GGSN)發送到網際網路上。環境監測控制中心通過有固定 IP位址的網際網路伺服器接收來自現場監測裝置的連接請求，並將握手信號發送給現場水質 監測裝置。裝置接收到握手信號後，表示與環境監測控制中心已經建立了網絡連接，並可以 進行數據的傳輸。多參數傳感器單元10是由多個傳感器集合而成，包括藍藻螢光傳感器、溶解氧傳 感器、濁度傳感器、PH值傳感器、溫度傳感器、電導率傳感器及水深傳感器等，，同時預留有 擴展口，方便增加其他類型的傳感器。多參數傳感器單元10通過防水電纜與信號調理放大7和AD轉換單元9相連，並受中央控制單元7的控制。當現場水質監測裝置達到設定的監測 時間時，單片機控制單元7喚醒各單元，使其進入正常工作狀態。在進行水質監測時，多參 數傳感器單元伸入水中，各個傳感器的傳感窗口垂直向下，中央控制單元7根據程序控制 各傳感器開始工作，檢測不同深度的各水質參數。並控制信號調理放大和AD轉換單元9採 集各傳感器的模擬信號，將這些信號轉變為相應的數位訊號，然後將監測發生的時間數據 和監測數據存儲到數據存儲單元2中。於此同時，中央控制單元7通過無線通信單元8將 這些監測到的參數數據實時地傳輸到環境監測控制中心。而在沒有進行水質監測時，中央 控制單元7控制各單元進入休眠狀態，節省電能的消耗。信號調理放大和AD轉換單元9採用了低噪聲、高精度的電路設計，主要由開關選 擇電路15、程控前置放大電路16、鎖相放大電路17、低通濾波電路18和AD轉換電路19組 成。該單元能有效採集各傳感器的微小信號，其中開關選擇電路15用來選擇所要採集的水 質參數信息，也就是選擇採集哪個傳感器的信號。並將採集到的傳感器微弱信號傳輸到程 控前置放大電路16進行前置放大，該前置放大電路採用低噪聲設計。前置放大後的信號 進入鎖相放大電路17，對傳感信號進行主放大，同時能大大抑制其他頻率的噪聲信號。放 大後的信號經過低通濾波電路18傳輸到AD轉換電路19，將採集到的信號變成相應的數字 信號，AD轉換主要通過高精度的AD晶片AD7934來實現。數據存儲單元2主要由存儲晶片 AD9LV256構成，用來存儲監測發生的時間數據和相關的監測數據。液晶顯示單元4和鍵盤輸入單元5主要用於對裝置的檢查和調試。當監測裝置放 置於野外工作時，為節省電源，液晶顯示單元4和鍵盤輸入單元5都被中央控制單元7置於 休眠狀態。RS-232串口通信單元6是現場水質監測裝置的預留通信口，主要由串口通信晶片 MAX3221EEAE構成，在沒有串口連接時，該單元能自動進入休眠模式，有效降低對電源的消 耗。如果無線網絡因故無法通信時，通過該串口通信單元能將現場水質監測的參數數據傳 送到PC機中。所述的環境監測控制中心由防火牆、網絡伺服器、資料庫和人工終端電腦等設備 組成，其顯示控制程序採用Labview編寫，在網絡伺服器接收到來自各現場水質監測裝置 的數據後，Labview將監測數據存入資料庫，並對數據進行分析、處理和報警，圖形化的顯示 各監測地點的實時監測情況。同時，環境監測控制中心也可以人為地遠程喚醒、控制現場水 質監測裝置。最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。儘管參 照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方 案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明 的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種實時的多參數遠程水質監測系統，其特徵在於，該系統包含環境監測控制中心 和分布式地放置於水源地的若干現場水質監測裝置，所述的現場水質監測裝置，用於將實 時的水質數據發往環境監測控制中心；所述的現場水質監測裝置包括若干傳感器單元，用於實時的採集現場水質的參數；信號調理放大和AD轉換單元，將實時採集的現場水質的參數進行調理放大後，經過AD 轉換電路後變成數位訊號並傳送到中央控制單元；數據存儲單元，由中央控制單元控制，用於存儲上述的數位訊號及其水質監測發生的 時間；液晶顯示單元，用於顯示監測裝置的工作狀態信息，並能實時地顯示監測到的參數數據；鍵盤輸入單元，鍵盤輸入單元能設定監測裝置的工作參數；中央控制單元，用於協調和控制現場監測裝置的其它各單元的工作；無線通信單元，用於現場水質監測裝置與環境監測控制中心之間進行通信，包括通信 天線和通信模塊；及電源模塊單元，用於為現場監測裝置提供穩定的3. 3V工作電壓。
2.根據權利要求1所述的實時的多參數遠程水質監測系統，其特徵在於，所述的若干 傳感器單元，包括藍藻螢光傳感器、溶解氧傳感器、濁度傳感器、PH值傳感器、溫度傳感 器、電導率傳感器或水深傳感器，被集成密封在一個套筒中，其傳感部位裸露在外，同時預 留擴展口並配有相應的清潔裝置。
3.根據權利要求1所述的實時的多參數遠程水質監測系統，其特徵在於，所述的信號 調理放大和AD轉換單元包括開關選擇電路15、程控前置放大電路16、鎖相放大電路17、 低通濾波電路18和AD轉換電路19。
4.根據權利要求1所述的實時的多參數遠程水質監測系統，其特徵在於，該系統還包 括有RS-232串口通信單元，所述的RS-232串口通信單元是監測裝置的一個預留通信口， 在無線網絡因故無法通信的情況下，通過該串口通信單元能將監測到的參數數據傳送到PC 機中。
5.根據權利要求1所述的實時的多參數遠程水質監測系統，其特徵在於，所述的電源 模塊單元包含鋰電池組，供電電壓為15V，容量為6600mah ；穩壓電路，用於為鋰電池組進行直流-直流(DC-DC)電壓轉換和低壓差線性穩壓(LDO) 的兩級電壓轉換，從而為電路提供穩定的3. 3伏工作電壓。
6.根據權利要求5所述的實時的多參數遠程水質監測系統，其特徵在於，所述的電源 模塊單元的充放電電路在沒有市電的情況下，利用大容量的電池組來給監測裝置供電；在 有市電的情況下，直接利用市電為整個裝置供電，並且能為電池組進行充電；也可外加太陽 能電板對電池組進行充電。
7.一種實時的多參數遠程水質監測方法，該方法通過現場水質監測裝置實時監測現場 水質數據並發往環境監測控制中心；具體步驟包括1)現場水質監測裝置上電工作，其中央控制單元檢測各單元的狀態情況；如果有故障 發生，則返回相應的故障代碼；如果正常，轉入下一步2)；2)中央控制單元啟動無線通訊單元與環境監測控制中心建立無線連接，連接成功後， 現場水質監測裝置進行數據的無線傳輸；3)中央控制單元控制傳感器工作，採集水質的各項參數數據信號，信號經過信號調理 放大和AD轉換單元後轉換為相應的數位訊號，並傳送到中央控制單元；4)中央控制單元將監測發生的時間和得到的參數數據一併存入數據存儲單元，同時將 這些數據通過無線通訊單元發送到環境監測控制中心。
8.根據權利要求7所述的實時的多參數遠程水質監測方法，其特徵在於，所述的步驟 2)建立無線連接的時刻，如果是監測裝置設定的監測時間，則中央控制單元喚醒各單元，使 其進入正常工作狀態，否則，中央控制單元控制各單元進入休眠狀態。
全文摘要
本發明提供了一種實時的多參數遠程水質監測系統和方法。該系統包含環境監測控制中心和分布式地放置於水源地的若干現場水質監測裝置，其中現場水質監測裝置，用於將實時的水質數據發往環境監測控制中心，包括若干傳感器單元，用於實時的採集現場水質的參數；信號調理放大和AD轉換單元，將實時採集的現場水質的參數進行調理放大和AD轉換後變成數位訊號並傳送到中央控制單元；數據存儲單元；液晶顯示單元；鍵盤輸入單元；中央控制單元，用於協調和控制現場監測裝置的其它各單元的工作；無線通信單元；及電源模塊單元。環境監測控制中心接收實時的水質監測數據將其進行存儲、處理，也可以隨時對現場水質監測裝置進行主動的遠程控制。
文檔編號G01N33/18GK102053139SQ20091020713
公開日2011年5月11日 申請日期2009年10月27日 優先權日2009年10月27日
發明者姜麗, 曹榕, 李炯, 段德民, 鄭克孝, 顧唯兵, 鮑芳 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所