姚 跃， 虞丽娟， 曹守启， 陈成明， 张秉怡

(1.上海海洋大学 工程学院，上海 201306； 2.安徽省计量科学研究院，安徽 合肥 230051)

1 引 言

当前我国经济高速发展，工业生产已经达到了较高水平的同时，也带来了不可忽视的环境问题。在众多污染中，水体污染已经成为最重要的污染之一[1,2]。针对此类问题，目前主要采用2种水质监测方式：实验室抽样检测和自动化监测。国外主要采用一体式自动化监测方法，将多种传感器布置于河道、湖泊等污染源处，结合计算机网络技术实现高自动化和高时效性，但此方法价格昂贵、需要专业的维护人员[3,4]。我国水质监测目前主要还是依靠实验室检测，虽然准确度高、操作方便，但存在效率低、实时性差、劳动强度大等问题[5～8]。为了保障生活用水安全，急需建立一套行之有效的河道水质监控机制[9～12]。近些年，随着我国环保意识的加强，国内科研院所及高校已开展了深入研究并获得了较好的成果。曹文熙等[13]提出了水质监测浮标数据采集和接收系统设计及其应用，实现了水质多参数信息的实时采集、远程传输和实时处理，为水质监测浮标的应用提供了可靠的技术支撑;叱婵娟等[14]以渭河为试验对象，设计出一套具有人机交互的全天候水质在线监测系统，极大地提高了水质环保部门的治理效率和效果。

本文基于浮标设计出一套水质在线监测系统，既降低了自动化监测成本，又保证了水质检测时效性。在供电模式上摒弃了传统的蓄电池供电，采用太阳能电板与蓄电池双向充放供电方式，由此保证了各类传感器及其它模块的供电需求。同时结合北斗系统[15]实现实时位置定位和数据采集后的双向短报文通信。结合嵌入式框架设计，通过KEIL软件作为程序开发的集成编译环境，最终实现从数据采集、数据传输到数据处理、数据查询及数据可视化。该系统为工作人员有效地分析水质数据提供极大的便利，可以有效保证水治理的效率和效果，对提高环境质量、推动环保事业的发展具有重要意义。

2 系统总体方案设计

该河道监控系统由浮标设备系统和岸基监控中心两大部分组成。其中浮标设备主要由传感器模块、主控模块、北斗模块等部分组成。岸基监控中心由北斗指挥型终端机和PC机两部分组成，其中PC机是该监控中心的上位机，通过设计的岸基系统软件实现对河道水质参数的提取、上传与处理。系统框架如图1所示。

图1 基于北斗卫星的浮标检测系统架构Fig.1 Structure of buoy detection system based on Beidou satellite

2.1 系统运行原理

为了保证数据传输的有效性和安全性，浮标内置北斗终端唯一ID卡号，用于存储传感器数据和浮标位置数据。当传感器检测到数据信息后，由北斗模块根据其通信协议以短报文的通信方式进行通信申请信号加密；再将加密后的数据信息由北斗卫星转发到北斗卫星地面接收站；地面接收站接收到信号后，进行信号的解密和再次加密处理，接着将电文加入到北斗卫星出站电文中；最后由岸基监控中心的北斗指挥型终端机接收出站信号，经解密后获取传感器数据和浮标位置数据。

在岸基监控中心准确接收浮标位置信息及传感器数据后，为了使浮标位置信息和各传感器数值表现更加可视化、科学化，将所有数据通过RS485串口与岸基监控中心进行传输。岸基监控中心将浮标定位数据与PC计算机系统上的电子地图进行匹配，以便于获得浮标的故障报警信号后及时定位浮标所在位置，同时将各浮标的传感器数据录入到本地数据库中，以及时显示在上位机的界面上。

2.2 浮标设计及防护

当前浮标的应用基本处于海洋监测方面，国内外对浮标的主尺寸的确定方法尚未见详尽的资料，由此本文浮标设计主要采用传统的设计方法——参考比较法。以东海海区钢质浮标(HF-3.0，直径3 m)为原型，初步确定本文浮标主要结构尺寸。实物如图2、主要尺寸见表1所示。

图2 浮标实物Fig.2 Buoy original

表1 浮标主要尺寸参数Tab.1 Main size parameter for buoy mm

同时考虑到浮标长期工作在水面上，在防水防潮方面，经长期试验可知，主要因河水微生物腐蚀导致浮标体进水下沉及浮标体舱内防水措施不当引起各元器件无法正常工作。因此，在浮标体舱外使用辣素防污漆来防止水体微生物的腐蚀，从而保证舱内处于无水状态；在浮标体舱内填充有不吸水的高密度聚氨脂泡沫，不仅可以实现浮标体舱内的密封，而且可以使其遭受人为破坏后有足够的浮力使浮标不下沉。

3 浮标硬件设计

该系统的浮标设备硬件采用了模块化设计，具有结构简单、功能强大、操作便利等优点。主要由传感器模块、主控模块、北斗模块、电源模块等部分组成。主控模块是浮标硬件的核心模块，采用STM32F103ZET6处理器，其主要功能是将北斗定位模块输出定位数据进行处理。北斗模块由北斗定位模块、北斗报文通信模块和北斗天线模块组成，可实现浮标定位、报文通信功能。硬件模块组成框架如图3所示。

图3 浮标硬件模块组成框架Fig.3 Hardware module composition framework for buoy

3.1 传感器模块

传感器采用烟台凯米斯仪器有限公司的RDO-206溶解氧传感器(含有温度数据)，精度为0.001 mg/L；PHG-202PH传感器(含有温度数据)，精度为0.01 pH。这2种传感器均采用RS-485(Modbus/RTU)通信协议，默认波特率9 600 bps，1个起始位，8个数据位，无校验，1个停止位。供电电压为12 V，所有传感器的A、B端与RS485modul的A、B端相接。传感器硬件模块控制见图4。

图4 传感器模块Fig.4 Sensor module

3.2 主控模块

作为核心部件的主控模块，见图5所示，采用的是STM32F103ZET6芯片。该芯片是基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器，配备512 k片内FLASH和64片内RAM，同时片内FLASH支持在线编程。以太阳能电池板输出的12 V的直流电源为供电电源，通过稳压芯片LM1117-5V产生5 V的直流电源为RS485-TTL模块及单片机供电。传感器数据传输到串口U2通过RS485模块完成，且北斗模块通过串口U1与单片机进行通信。系统电路原理图如图6所示。

图5 主控模块Fig.5 Main control module

3.3 北斗模块

由于浮标的室外工作环境往往会遇到天气恶劣、地形复杂等接收不到移动通信信号的情况，因此本文选择北斗短报文模块实现传感器数据的安全、及时、高效的传输，模块实物如图7所示。北斗短报文通信模块不仅可以支持140个字符的发送，也能实时显示信息发送方的位置，并以定位精度小于20 m的范围实现经度、纬度和高程的显示。

为了使系统整体达到低功耗，更加优化电源模块，本试验选用LT10628-5W作为北斗短报文通信模块。RDSS射频收发芯片采用北斗用户机数据接口协议4.0版实现通信，由于当RDSS发送信号时产生较大电流，为了减小大电流对主板布线的影响，在实际操作中将额定电压由12 V调整为12.5 V。此外，模块还集成了RNSS/GPS模块，考虑到系统成本，该模块采用市面上应用较普遍的中科威ATGM331C。模块的性价比主要体现在不仅具有超高灵敏度的双模接收机，同时还可以实现单双系统2种定位方式。作为信号发射外部设备的天线，其LAN集成于双通道射频芯片中，在抵抗外界干扰方面不仅表现出色，同时也具有检测和短路保护功能。

北斗模块在实现数据收发功能时，首先将申请通信信号，以所测数据形成的短报文加密后和接收方的ID号通过卫星发送到站；其次，当地面卫星接收到信号后进行一系列的解密和再次加密后，以持续广播的方式发送到用户方；最后，用户方接收到信号时调解解密出站电文。至此，完成一次通信任务。

图6 系统电路原理图Fig.6 Circuit schematic for system drawing

图7 北斗模块Fig.7 Module for Beidou

4 系统软件设计

4.1 浮标体嵌入式系统设计

浮标系统是基于嵌入式的框架设计完成，通过KEIL软件作为程序开发的集成编译环境，主要的程序流程见图8所示。主要功能有：

(1) 定时器中断：本系统每1 min向岸上接收站发送1次数据，因此采用50 ms定时器中断，设置定时器标志位。

(2) 传感器数据读取：通过串口2读取传感器数据值，符合协议后读取至单片机中。

(3) 传感器数据发送：到达1 min时，单片机把读取到的数据通过北斗模块发送出去，并且同时读取北斗模块的位置数据。

总的数据格式为json格式：{"Cat":"floating","Num": 001,"O2":15.256,"Tem":10.625,"pH":6.78,"Lon":30.252 256,"Lat":120.589 620}。其中Num为浮标编号；O2为溶解氧；Tem为温度；pH为pH值；Lon为经度；Lat为纬度。

图8 系统程序流程Fig.8 Program flow for system

4.2 岸基接收站系统设计

岸基接收站系统主要由终端PC机及卫星接收机2部分组成，可实时对已采集数据进行传输、储存和显示，工作原理如图9所示。

图9 岸基接收系统工作原理Fig.9 The works of shore-based receiving system

在该系统中可对浮标的地理位置、工作状态进行全天候监测，以此确保浮标可以进行安全稳定地工作。数据采集与控制系统在初次接收到已采集到的数据后进行第一次处理，之后将数据打包通过卫星通信系统将数据广播到岸站接收站的数据接收处理系统。在接收到卫星广播发来的信息后，对其数据进行解密和一系列算法处理，最终以可视化界面显示所有信息；用户可以根据自己需要，对所得到的数据再次进行加工处理，也可以通过界面进行配置文件读取、写入，关闭和开启传感器以及数据回收等。

4.3 上位机界面设计

多参数河道浮标监测岸基接收系统主要是对河道浮标工作状态及搭载的各种传感器(水温、pH值、溶解氧、电导率等)进行显示和记录，对数据进行保存和处理并将最近数据以曲线形式直观地显示水质变化趋势，方便工作人员分析水质监测信息；当需要对串口通信进行设置时，可通过界面选择串口号、波特率、源地址、目的地址等参数进行设置；当传输到终端的数据出现异常或超出设定阈值时，系统将会自动启动报警功能，以此提醒工作人员进行突发事故处理；历史数据和实时数据可通过互联网进行访问并支持在线打印功能。

5 试验测试结果

为了测试系统的实用性，选取学校湖泊作为测试场地(120.534 078°E,31.533 388°N)，环境参数的采集并实时传送到上位机显示界面，如图10所示，温度为14 ℃，pH值为7.24，溶解氧为5.38 mg/L。通过定位模块传达的定位信息与指定路径发生偏差时，上位机自动报警且实时调整位置。上位机的环境数据接收界面在不同的监测点处实时记录位置和已设定位置。经测试，浮标监测系统运行状况良好，可以达到通过北斗卫星短报文数据交换且节省采集数据周期。

图10 上位机界面Fig.10 Host computer interface

6 结束语

本文以增强型ARM32位的Cortex-M3 CPU处理器为浮标硬件设备的主控部分，利用北斗模块获取浮标定位信息和传感器数据，通过北斗系统短报文通信功能将所有数据进行传输，上位机将接收到的数据进行处理，同时在程序中嵌套电子地图，实现对浮标位置的监控，由此可实现对监测点的及时维护。下一阶段将尝试接入GPRS通信模块，在河道使用无线通信的方式，有利于节省北斗系统卫星资源、降低成本。