CN104655194A - 一种水质参数垂向分布自适应采集方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水质参数垂向分布自适应采集方法与装置，属于水质监测领域。该装置主要包括水上控制***和水下水质采集***，水上控制***包括计算机终端、升降装置控制***和升降装置，水下水质采集***包括水下信号处理单元、水质传感器单元和圆柱状耐压水密外壳。在升降装置下放水质采集***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水质各项参数的变化速率，根据该水质参数的变化速率的大小通过升降装置来调节水质采集装置的下放速度，以自适应的捕捉垂直剖面水质各项参数的变化趋势。本发明提出的水质参数垂向分布自适应采集方法与装置，结构简单，使用方便，成本低廉，可实现自动测量，节省了人力物力，并且能够更好地捕捉水源水库水质分层现象。

Description

一种水质参数垂向分布自适应采集方法与装置

技术领域

本发明属于水质监测领域，涉及到一种水质参数垂向分布自适应采集方法与装置。

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，如何采集有代表性的水质数据，调查水源水库水质的垂向分布状况，成为研究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，水源水库水质调查的主要方式是科研人员乘调查船到达指定采样点采集水质参数，测量的参数主要包括深度、温度、PH、溶解氧、电导率、氧化还原电位和浊度等。不同的水质参数在垂直剖面上发生趋势变化的位置不同，要想了解水质垂直剖面分布的真实情况，就需要捕捉到水质各项参数的变化趋势。传统的水源水库水质调查采用人工采样、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若干指定深度的水样，然后将水样带回实验室进一步分析以获得水质数据。这种方法要想捕捉各水质参数垂向分布的变化趋势，就要增加采样点处的测量数目，浪费人力物力，数据的误差也较大。随着电子信息、微处理器及计算机技术的发展，水质传感器已在环境保护领域日益得到广泛应用。因此，科研人员可以使用水质传感器在现场对采样点水样进行实时检测。例如，在调查船上配合绞车使用德国Sea&Sun公司生产的多参数水质仪，选择深度等间距模式以一定速度匀速从水面下放到水底自动获得垂直剖面的水质分布数据，通过连接笔记本电脑就可以在现场观察水质数据。但是，由于垂直剖面水质的各项参数发生变化的位置不同，即使采用间距较小的等间距法也不能保证加密的测量点就是水质状况发生变化的区域，因此，这种方法不能保证测得的数据能够较好地捕捉水质各项参数的变化趋势，而且其主要面向海洋环境，价格昂贵。

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各项参数垂向分布的数据。因此，急需提供一种成本低廉，安全可靠，既能尽量减少测量点数量，节省人力物力，又能较好捕捉水质各项参数垂向分布的采集方法和装置。

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，提供一种成本低廉、安全可靠、适用于水源水库的水质垂向分布采集方法与装置，实现水源水库水质参数垂直分布水面到水底自适应的在线采集。

本发明的水源水库水质参数垂向分布采集方法是在升降装置从水面到水底下放水下水质采集***采集测量点处垂直剖面的水质数据的过程，计算机终端实时计算测量点的水质各项参数的变化速率，计算机终端利用LabVIEW开发水源水库水质上位机监控界面，通过上位机监控界面设定初始化采集参数，将获得的水质数据以数值和曲线的形式实时显示各水质参数的变化趋势，并存储在SQL数据库。

计算机终端实时接收并分析测量点处垂直剖面上的水质各项参数的变化速率，计算机终端根据变化速率最大的水质参数向升降装置控制***发出相关指令控制水下水质采集***的下放速度，根据该水质参数的变化速率的大小通过升降装置来调节水质采集装置的下放速度，水质各项参数的变化速率与升降装置的速度成反比，以自适应的捕捉垂直剖面水质各项参数的变化趋势，完成水下水质采集***从水面到水底自适应的整个采集过程；

本发明实现水源水库水质参数垂向分布采集方法的装置，主要包括水上控制***和水下水质采集***，水上控制***和水下水质采集***通过数据传输线进行交互，数据传输线的一端与水上控制***连接，另一端与水下水质采集***连接。

水上控制***包括计算机终端、升降装置控制***和升降装置，计算机终端通过数据传输线与升降装置连接，计算机终端向升降装置发出控制指令控制升降装置进行动作，从水面到水底下放水下水质采集***采集垂直剖面的水质数据。计算机终端利用LabVIEW开发水源水库水质上位机监控界面，通过上位机监控界面设定初始化采集参数，主要负责控制升降装置下放水下水质采集***的速度和实时处理水下水质采集***发送的水质数据，计算机终端根据水下水质采集***的入水深度做出判断，启动升降装置后通过数据传输线下放水下水质采集***。

水下水质采集***经过升降装置被放入水中，用于获取指定深度测量点处的水质数据，包括水下信号处理单元、水质传感器单元和圆柱状耐压水密外壳。水下信号处理单元密封固定在圆柱状耐压水密外壳的内部，实时接收处理水质传感器单元4-20mA的模拟信号，将水质数据封装成设定的数据格式通过数据传输线发送至计算机终端进行分析处理，包括ARM9处理器、多路选择开关电路、信号处理电路、A/D转换和RS485数据传输接口。水下信号处理单元通过多路选择开关电路选择输出信号为4-20mA的水质传感器，经过信号处理电路将4-20mA的模拟信号转换为0-5V的电压信号，由A/D转换将0-5V的电压信号转换为数字信号，分别采集得到水下水质采集***所处位置的入水深度、温度、PH、溶解氧、电导率、氧化还原电位和浊度等数据。水质传感器单元的各水质传感器的输出均为4-20mA的电流信号，信号输出线与水下信号处理单元相连接，包括压力传感器、温度传感器、PH传感器、溶解氧传感器、电导率传感器、氧化还原电位传感器、浊度传感器和高度传感器，各传感器探头固定在圆柱状耐压水密外壳的底部与被测水样接触。圆柱状耐压水密外壳的上端盖为圆形，数据传输线通过上端盖与壳体内部的水下信号处理单元连接，下端盖设有开口，外部被测水样经开口进入壳体内浸没接触各水质传感器，由水下信号处理单元将水质传感器的模拟信号转换为数字信号发送给计算机终端，上端盖和下端盖分别与圆柱状耐压密封壳体紧密连接在一起，达到密闭防水。

本发明提出的水质参数垂向分布自适应采集方法与装置，结构简单，使用方便，成本低廉，设置完成之后，不用人为进行操作，即可实现自动测量，节省了人力物力。同时根据水质各项参数的变化速率调节采集装置的下放速度，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。

附图说明

图1为本发明水源水库水质参数垂向分布采集装置结构示意图。

图2为本发明升降装置示意图。

图3为本发明升降控制***电路示意图。

图4为本发明水下水质采集***剖面示意图。

图5为本发明水质信号处理单元的电路示意图。

图6为本发明水源水库水质参数垂向分布自适应采集方法的流程图。

图中：1计算机终端；2数据传输线；3升降装置信号控制线；4升降装置控制***；5升降装置；6水质采集***；7信号输入单元；8信号传输单元；9STC51单片机；10直流电源；11隔离电路；12驱动电路；13转速检测信号反馈；14电动机；15信号处理单元；16A/D转换；17开关选择电路；18ARM9处理器；19光耦隔离电路；20电源；21RS485通信接口；

5-1电机；5-2电机轴；5-3定滑轮；

6-1水密接口；6-2上端盖；6-3壳体；6-4压力传感器；6-5温度传感器；6-6PH传感器；6-7溶解氧传感器；6-8电导率传感器；6-9氧化还原电位传感器；6-10浊度传感器；6-11下端盖。

具体实施方式

如图1所示为本发明水源水库水质参数垂向分布采集装置结构示意图，主要包括水上控制***和水下水质采集***6，水上控制***和水下水质采集***6通过数据传输线2进行交互，数据传输线2缠绕在升降装置5上，一端与水上控制***连接，另一端与水下水质采集***6连接。

水上控制***包括计算机终端1、升降装置控制***3和升降装置5，计算机终端1通过升降装置信号控制线3与升降装置控制***4连接，升降装置控制***4通过改变数据传输线2进入水中的长度来控制水下水质采集***6的入水深度，计算机终端1向升降装置控制***4发出控制指令控制升降装置5进行动作，以一定的速度从水面到水底下放水下水质采集***6采集垂直剖面的水质数据。计算机终端1主要负责控制升降装置5下放水下水质采集***的速度和实时处理水下水质采集***6发送的水质数据，计算机终端1根据水下水质采集***6的入水深度和距离水底深度做出判断，向升降装置控制***4发出相关指令控制升降装置5的启动和停止，启动升降装置5后通过数据传输线2以一定的速度下放水下水质采集***6。

如图2所示为本发明升降装置示意图，主要包括电机5-1，电机轴5-2和定滑轮5-3。水下水质采集***6通过信号传输线2缠绕在定滑轮5-3上，定滑轮5-3与电机5-1的电机轴5-2连接，电机5-1通过电机轴5-2带动定滑轮5-3控制水下水质采集***6的入水深度。

如图3为升降控制***电路示意图，主要包括信号输入单元7，信号传输单元8，STC51单片机9，直流电源10，隔离电路11，驱动电路12，转速检测信号反馈13和电动机14。当计算机终端1通过升降装置信号控制线3给STC51单片机输入信号后，信号输入单元7将计算机终端1输入的信号传送给STC51单片机9，STC51单片机9接收到信号后，经过隔离电路11和驱动电路12控制电动机的速度，并通过转速检测信号反馈单元实时的检测电动机的速度。当需要不同的速度控制水下水质采集***6下放时，计算机终端1就可以通过信号输入单元7给STC51单片机输入不同的信号，以控制电动机的速度。

如图4所示为水下水质采集***剖面示意图，水下水质采集***6经过升降装置5被放入水中，用于获取指定深度测量点处的水质数据，包括水密接口6-1，上端盖6-2，壳体6-3，压力传感器6-4，温度传感器6-5，PH传感器6-6，溶解氧传感器6-7，电导率传感器6-8，氧化还原电位传感器6-9，浊度传感器6-10和下端盖6-11。水质传感器单元的各水质传感器的输出均为4-20mA的电流信号，信号输出线与水下信号处理单元相连接，包括压力传感器6-4、温度传感器6-5、PH传感器6-6、溶解氧传感器6-7、电导率传感器6-8、氧化还原电位传感器6-9和浊度传感器6-10，各传感器探头固定在圆柱状耐压水密外壳下端盖6-11的底部与被测水样接触。圆柱状耐压水密外壳的上端盖6-2为圆形，数据传输线2通过上端盖6-2的水密接口6-1与壳体内部的水下信号处理单元连接，下端盖6-11设有开口，外部被测水样经开口进入壳体内浸没接触各水质传感器，由水下信号处理单元将水质传感器的模拟信号转换为数字信号发送给计算机终端1，上端盖6-2和下端盖6-11分别与圆柱状耐压密封壳体紧密连接在一起，达到密闭防水。

如图5为水质信号处理单元的电路示意图，水下信号处理单元密封固定在圆柱状耐压水密外壳的内部，实时接收处理水质传感器单元4-20mA的模拟信号，将水质数据封装成设定的数据格式通过数据传输线2发送至计算机终端1进行分析处理，包括ARM9处理器18，信号处理电路15，A/D转换16，多路选择开关电路17，光电隔离电路19，电源20和RS485数据传输接口21。水下信号处理单元通过多路选择开关电路17选择输出信号为4-20mA的水质传感器，经过信号处理电路15将4-20mA的模拟信号转换为0-5V的电压信号，由A/D转换16将0-5V的电压信号转换为数字信号，分别采集得到水下水质采集***所处位置的入水深度、温度、PH、溶解氧、电导率、氧化还原电位和浊度等数据。

本发明的水源水库水质参数垂向分布采集方法是，通过升降装置5从水面到水底下放水下水质采集***6采集测量点处垂直剖面的水质数据，为了捕捉垂直剖面上不同的水质参数在不同深度的变化趋势，在升降装置5下放水下水质采集***6的过程中，计算机终端1利用LabVIEW开发水源水库水质上位机监控界面，通过上位机监控界面设定初始化采集参数，将获得的水质数据以数值和曲线的形式实时显示各水质参数的变化趋势，并存储在SQL数据库中。计算机终端1实时计算测量点的水质各项参数的变化速率，计算机终端1根据变化速率最大的水质参数向升降装置控制***4发出相关指令控制水下水质采集***6的下放速度，以使水下水质采集***6从水面到水底自适应的完成整个采集过程。

计算机终端1实时接收并分析测量点处垂直剖面上的水质各项参数的变化速率，在不同的深度的选择出变化速率最大的水质参数，根据该水质参数的变化速率的大小通过升降装置5来调节水质采集装置6的下放速度，以自适应的捕捉垂直剖面水质各项参数的变化趋势。

水质各项参数的变化速率与升降装置的速度成反比。当水质各项参数的变化速率较小时，升降装置5以较大的速度下放水下水质采集***6，减少测量点数目；当水质各项参数的变化速率较大时，升降装置5降低下放水下水质采集***6的速度，增加测量点数目；在不同的深度，升降装置5根据不同的水质参数的变化速率来调节水下水质采集***6，以捕捉到垂直剖面每个水质参数趋势发生变化的地方，更好地反映水源水库垂直剖面水质分布真实情况。

结合图6水源水库水质参数垂向分布自适应采集方法的流程图来说明水源水库水质垂向分布采集方法的主要步骤：

在步骤S400，开始测量。在步骤S401，根据计算机终端开发的上位机界面设置初始化参数，主要设定下放速度V、间隔时间T和各水质指标的变化速率控制值S。

在步骤S402，待水下水质采集***6与水面表层充分接触后，开始采集水质数据，计算机终端1通过升降装置信号控制线3向升降装置控制***4发出命令启动升降装置5以一定的速度下放水下水质采集***6。

在步骤S403中，计算机终端1实时读取水下水质采集***6采集的水质数据，并且将水下水质采集***6所处水面表层的位置作为第一个采样点k。

在步骤S404，待第一个采样点完成数据采集后，计算机终端1实时判断水下水质采集***6是否触底，如果没有触底，在步骤S405，计算机终端1发出控制命令使升降装置5产生动作继续以当前的速度下放水下水质采集***6，并且在步骤S306实时采集水质数据。当到间隔时间T时，水下水质采集***6到达第二个采样点采集该点的水质数据，依次采集k个采样点的水质数据，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。

在步骤S407，当到达第k+1个采样点时，根据最小二乘法拟合第2个点到第k+1个点，得到第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，在步骤S408与预设的阀值进行比较，并在步骤S409中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，在步骤S410，计算机终端向升降装置发出命令，降低下放水下水质采集***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，在步骤S411，继续以该速度下放水下水质采集***6。

在步骤S412，判断是够采集结束，如果没有结束，则重复步骤S404～S412，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。

当采集结束后，在步骤S413，计算机终端1控制升降装置5回收水下水质采集***6。在步骤S414以水深为序排列测量点，并在步骤S415对所有测量点进行样条插值得到水库水质的垂向分布数据。

Claims (4)

1.一种水质参数垂向分布自适应采集方法，其特征在于：

在升降装置从水面到水底下放水下水质采集***采集测量点处垂直剖面的水质数据的过程中，计算机终端实时计算测量点的水质各项参数的变化速率，计算机终端利用LabVIEW开发水源水库水质上位机监控界面，通过上位机监控界面设定初始化采集参数，将获得的水质数据以数值和曲线的形式实时显示各水质参数的变化趋势，并存储在SQL数据库中；

计算机终端实时接收并分析测量点处垂直剖面上的水质各项参数的变化速率，计算机终端根据变化速率最大的水质参数向升降装置控制***发出相关指令控制水下水质采集***的下放速度，根据该水质参数的变化速率的大小通过升降装置来调节水质采集装置的下放速度，水质各项参数的变化速率与升降装置的速度成反比，以自适应的捕捉垂直剖面水质各项参数的变化趋势，完成水下水质采集***从水面到水底自适应的整个采集过程。

2.根据权利要求1所述的一种水质参数垂向分布自适应采集方法，其特征在于：

(1)根据计算机终端开发的上位机界面设置初始化参数，主要设定下放速度V、间隔时间T和各水质指标的变化速率控制值S；

(2)待水下水质采集***与水面表层充分接触后，开始采集水质数据，计算机终端通过升降装置信号控制线向升降装置控制***发出命令启动升降装置下放水下水质采集***；计算机终端实时读取水下水质采集***采集的水质数据，并且将水下水质采集***所处水面表层的位置作为第一个采样点k；

(3)待第一个采样点完成数据采集后，计算机终端实时判断水下水质采集***是否触底，如果没有触底，计算机终端发出控制命令使升降装置产生动作继续以当前的速度下放水下水质采集***，并且实时采集水质数据；当到间隔时间T时，水下水质采集***到达第二个采样点采集该点的水质数据，依次采集k个采样点的水质数据，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；

(4)当到达第k+1个采样点时，根据最小二乘法拟合第2个点到第k+1个点，得到第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；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，计算机终端向升降装置发出命令，降低下放水下水质采集***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，继续以该速度下放水下水质采集***；

(5)判断是够采集结束，如果没有结束，则重复步骤上述步骤，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；采集结束后，计算机终端控制 升降装置回收水下水质采集***6；以水深为序排列测量点，并对所有测量点进行样条插值得到水库水质的垂向分布数据。

3.用于权利要求1或2所述的水质参数垂向分布自适应采集方法的装置，其特征在于，所述的装置包括水上控制***和水下水质采集***，水上控制***和水下水质采集***通过数据传输线进行交互，数据传输线的一端与水上控制***连接，另一端与水下水质采集***连接；

水上控制***包括计算机终端、升降装置控制***和升降装置，计算机终端通过数据传输线与升降装置连接，计算机终端向升降装置发出控制指令控制升降装置进行动作，从水面到水底下放水下水质采集***采集垂直剖面的水质数据；计算机终端利用LabVIEW开发水源水库水质上位机监控界面，通过上位机监控界面设定初始化采集参数，主要负责控制升降装置下放水下水质采集***的速度和实时处理水下水质采集***发送的水质数据，计算机终端根据水下水质采集***的入水深度做出判断，启动升降装置后通过数据传输线下放水下水质采集***；

水下水质采集***经过升降装置被放入水中，用于获取指定深度测量点处的水质数据，包括水下信号处理单元、水质传感器单元和圆柱状耐压水密外壳；水下信号处理单元密封固定在圆柱状耐压水密外壳的内部，实时接收处理水质传感器单元4-20mA的模拟信号，将水质数据封装成设定的数据格式通过数据传输线发送至计算机终端进行分析处理，包括ARM9处理器、多路选择开关电路、信号处理电路、A/D转换和RS485数据传输接口；水下信号处理单元通过多路选择开关电路选择输出信号为4-20mA的水质传感器，经过信号处理电路将4-20mA的模拟信号转换为0-5V的电压信号，由A/D转换将0-5V的电压信号转换为数字信号，分别采集得到水下水质采集***所处位置的入水深度、温度、PH、溶解氧、电导率、氧化还原电位和浊度等数据；水质传感器单元的各水质传感器的输出均为4-20mA的电流信号，信号输出线与水下信号处理单元相连接，包括压力传感器、温度传感器、PH传感器、溶解氧传感器、电导率传感器、氧化还原电位传感器、浊度传感器和高度传感器，各传感器探头固定在圆柱状耐压水密外壳的底部与被测水样接触；圆柱状耐压水密外壳的上端盖为圆形，数据传输线通过上端盖与壳体内部的水下信号处理单元连接，下端盖设有开口，外部被测水样经开口进入壳体内浸没接触各水质传感器，由水下信号处理单元将水质传感器的模拟信号转换为数字信号发送给计算机终端，上端盖和下端盖分别与圆柱状耐压密封壳体紧密连接在一起，达到密闭防水。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于采用电机组成的升降装置带动定滑轮来控制水下水质采集***的下放速度。