实时水文、水质浮标监测系统

1实实时时水水文文、、水水质质实实时时监监测测系系统统设设计计方方案案（浮标安装）设设计计单单位位：：青青岛岛海海森森特特科科技技有有限限公公司司QQiinnggddaaooOOcceeaannSSeenniioorrTTeecchhnnoollooggyyLLttdd..CCoo..2TTEELL：：00553322--8855001177227700FFAAXX：：00553322--8855001177557700目目录录一、前言二、实时水文、水质实时监测系统的组成和原理a)结构组成b)主要技术指标c)系统集成i系统集成图ii系统集成工作原理1．系统组成组建2．组件连接和系统工作流程3.电源三、附件阔龙相关工作原理介绍GPRS数据通讯模块介绍浮标体相关介绍3一、前言环境实时监测（传输）系统是一个建于近海或湖泊、河流，用于实时监测水文、水质等环境因素（如水温、潮流、流向、水位等）、水质（电导/盐度、PH/氧化还原电位、溶解氧、浊度、叶绿素等），并为环境保护提供安全保障的监测服务信息网络。其核心是及时将水文、水质环境要素观测值予以传输和显示。本实时监测系统旨在提供有效可靠的水流的流速、流向、水质的电导/盐度、PH/氧化还原电位、溶解氧、浊度、叶绿素等实时数据，。系统采用世界上最先进的声学多普勒法测量海流和流速剖面，电化学方法的电导/盐度、PH/氧化还原电位、溶解氧、浊度、叶绿素等测量传感器，使用GPRS无线数据传输完成实时系统监控和数据传输。可实现远程现场数据查看、数据分析。二、港区海洋气象环境实时监测系统的结构组成及工作原理：A、结构组成：4B、主要技术指标：●海流：采用挪威Nortek公司生产的“阔龙”600Khz多普勒流速剖面仪（观测要素：流速、流向、水温、水位）。相关测量参数：序号名称测量范围准确度1流速：0～10m/s测量值的±0.5﹪52流向：0～360°测量值的±1°3温度:-4℃到40℃-0.1℃4姿态:30°以内2°5压力：0～200米取样值的0.25%●水质：采用美国YSI公司的水质测量设备，包括溶解氧、电导、浊度、氧化还原电位、PH等传感器：序号名称测量范围准确度溶解氧(%空气饱和度)0至500%读数之±2%或2%空气饱和度1溶解氧(毫克/升)0至50毫克/升读数之±2%或0.2毫克/升2电导率0至100毫西门子/厘米读数之±0.5%+0.001毫西门子/厘米3PH酸碱度0至14±0.24氧化还原电位-999至+999毫伏±20毫伏5盐度0至70ppt读数之±1.0%或0.1ppt6浊度0至1,000NTU读数之±2%或0.3NTU●GPRS无线通讯方式6C、系统集成i系统集成图a）流程图7b)现场示意图ii系统集成工作原理1．系统组成a.阔龙剖面流速仪组件包括：阔龙剖面流速仪b.气象参数采集组件：RMYoung公司的气象测量设施，包括HMP45C温湿度、05103风速风向、SVS1能见度传感器c.水质参数采集组件：YSI6600水质监测仪d.数据采集器:包括一个CR1000数据采集器和传感器接口e.数据传输终端组件及浮标体包括：GPRS数据终端、太阳能电池板、警示灯、蓄电池等f.采集中心控制组件及客户端控制组件包括：预报中心采集服务器、调制解调器和客户终端机和调制解调器。2．组件连接和系统工作流程a.组件连接：气象参数：各传感器直接与CR800数据采集器连接，然后再与浮标体上的GPRS数据传输终端之间直接连接，GSM数据传输终端与采集服务器之间通过GPRS网络连接，GPRS数据传输终端与采集服务器之间的连接通过GSM网络无线连接。8水文参数：声学多普勒流速剖面仪阔龙与浮标体上的GPRS数据传输终端之间直接连接，GSM数据传输终端与采集服务器之间通过GPRS网络连接，GPRS数据传输终端与采集服务器之间的连接通过GSM网络无线连接。b.组件功能：阔龙剖面流速仪采集剖面流速数据流速测量范围：+/-10米测量流层层宽：0.5-2米可选择测量水深范围：0-50米最大数据输出更新率：1Hz原始数据都会被储存于水中阔龙内存中，然后通过GPRS调制解调器传送回采集服务器水质监测组件，采集相关水质数据（电导/盐度、PH/氧化还原电位、溶解氧、浊度、叶绿素等）。气象传感器采集相关的气温、湿度、风速、风向和能见度数据，并将采集数据数传输至CR1000数据采集器，再通过GPRS调制解调器传送回采集服务器。GPRS数据传输终端用于完成阔龙与数据采集器之间的无线连接，实现和气象数据和阔龙采集水文数据的实时在线传输。数据采集服务器用于实时接收、数据显视、数据分析、数据处理。控制机通过GPRS调制解调器经GSM网络接受阔龙采集的所有资料，对每次流速测量，当资料搜集的行程完成后仪器会搜集将的资料数据存储至器内存中。当控制中心呼叫时，自动将数据发送出去。数据会存储于流速仪中直到接收到呼叫的讯号为止。假如主动的传输失败了，流速仪应该自动回到量测状态。1)预报中心主机图像显示界面：显示界面由目录列(MenuBar)、工具列(ToolBar)、状态列(StatusBar)以及各别分开的统计数据画面所组成。包括以下画面显示：1）通讯状态(活动式卷帘，联机讯息等…)。2）最近一次取得的数据(表列式rawdata)。3）最后的统计参数数据，包括流速、水温、姿态等5）流速流向及波高波向数据的逐时变化图。6）流速数据时间序列剖面图、水温变化、压力(水位)变化、水中仪器目前位置变化数据（heading、pitch、roll等）。9（２）远程数据传输由于使用GSM网络传输数据，只要网络支持，可在任意地点拨叫GSM数据终端获取数据。也可预报中心获取数据后，使用本地网络，将所接收的阔龙测量的数据再传输至别处。3．电源（1）阔龙备用电力碱性电池装在一个电池筒内。使用期间：每隔1小时取样一次资料可持续3个月。电池筒：接碱性电池，含水下可拆接头。（2）预报采集服务器和采集服务器交流220伏50Hz（3）浮标体上的电源：太阳能供电系统是由太阳电池产生的电能经控制器贮存在蓄电池中，夜晚经控制器、逆变器为负载提供可靠的电能。本系统采用环保无污染的太阳能供电系统，太阳能电池板为最为可靠的产品，系统配置：光伏组件、列阵接线箱、控制器、逆变器、蓄电池、系统状态监测接口技术指标：整个光伏系统采用全自动控制，无需人工操作。系统具有防过充、过放、限流等多重保护功能，可以为负载同时提供直流和交流供电电源。三、附件1、阔龙相关原理介绍阔龙声学多普勒海流波浪测量仪2M/1M/600KHzAquadoppProfiler“阔龙”图片10A：1MHz“阔龙”性能指标a.声波探头数：3个声学换能器，三个波束与轴线夹角25°。b.系统工作模式：自容式、在线式两种工作方式。c.最大测量深度（范围）：25米。d.剖面分层厚度：0.3～4米（软件可调）。e.剖面分层数量：一般为20~50个，最多128个。f.最快数据输出频率：1秒g.仪器内采样频率：4～6Hzh.流速测量范围：最大±10m/s附带传感器：A．温度传感器：热敏电阻内置。操作环境：-4℃到40℃。精度/分辨率：-0.1℃/0.01℃。响应时间：一般10分钟以内。B．罗盘：液态Flux-gate。最大倾角：30°以内。精度/分辨率：2°/0.1°以内。C．倾斜仪：液态水平仪。精度/分辨率：0.2°/0.1°以内。向上/向下：自动识别。D．压力计：压力阻抗式(Poezoresistive)。量测范围：0～100m精度/分辨率：测量值的0.25%/0.005%以内。B：“阔龙”工作原理如上图所示声波信号沿着相同的波束被发送及接收,根据多普勒原理将水中的悬浮粒子的流速流向计算出来，量测的流速为该水层的平均流速。因其声波束相当窄小所以没有旁波效应（sidelobe即当声波束接近不同介质接口时所产生的偏折现象）。11多普勒偏移及测量方式“阔龙”是利用著名的多普勒频移的物理原理测量水流速度。如果视声源相对于接收器而移动，则其相对的声波传输频率会有所偏移。在阔龙中，这现象系以下列公式表示：所以当我们得知ＦDoppler、ＦSource、Ｃ即可计算出v。V＝FDoppler／FSource＊(C/2)其中ＦDoppler＝所接收到频率的变化量，即所谓的多普勒偏移ＦSource＝“阔龙”所送出声波的频率Ｖ＝水流速度Ｃ＝音速(如在水中则为水中声速)在“阔龙”中，同一声波探头系同时作为发声器及接收器。传出的声波会被水里的物体所反射，然后由同一声波探头所接收。此时探头所接收到回传的多普勒位移实际上为水中微细颗粒的两倍移动速度(相对于声波探头)所造成。这是因为阔龙上之声波探头既是发声源也是接收器，而当水中颗粒接收由探头传来的入射声波时因颗粒与探头的相对速度V产生了第一次的多普勒频移；然后当探头接收到此移动颗粒反射回来的声波时(此时的声波频率已经有多普勒频移)又因为颗粒与探头的相对速度V而产生了第二次的多普勒频移。阔龙声波探头传送出一个已知频率的声波脉冲，当此脉冲在水中行进时，会被水里的物体所反射。此种反射也就是散射，而此散射的强弱(即反射的强度，是一个水中颗粒数量及大小的函数)即称为讯号强度(strength)或讯号振幅(Amplitude)。回传的讯号由声波探头所接收，阔龙经由计算频率的改变，来算出水中颗粒相对于探头的速度。“阔龙”声波探头会将大部分的声波能量集中在一条狭窄的波束中发送。水中颗粒经过各波束而测得的多普勒偏移，与颗粒本身的速度成一定的比例关系。而水流的速度可视为其所带动颗粒的速度；所有垂直于波束的颗粒移动都不会造成多普勒偏移。综合数个声波探头所得的速度，并且知道这些颗粒与探头的相对方向后，三度空间的速度即可算出。测量层(depthcells)的位置：在测量多普勒频移时，“阔龙”会发送一个脉冲。此脉冲沿着声波束传递，并在从阔龙离开时产生回音。这个回音被接收后会先放大，再分割成小的段落，每一个段落都对应一个量测到的速度层。在决定速度层的确实位置时，有三项原则必须遵守：1.速度层的大小与位置，系由传输脉冲长度与所回收到的回音段落大小所决定。就数学而言，速度层是传输脉冲长度与回音段落的矩阵转换。2.速度层并非将该层内所有点都付予同样比重，而是以向中心点靠近者逐渐增加其比重。当传输脉冲与接收脉冲在阔龙中相符合时，比重函数会类似一12个三角形(如右图所示)。3.由于速度层所显示的速度是以该层向中心点靠近者逐渐增加比重，因此我们以速度层三角比重中心线的位置定义为该速度层的位置。因此如右图所示因不感区为30cm(54-14)；而第一个速度层的位置为第一个三角比重中心线的位置(104CM)。C：“阔龙”测量剖面流速的优势优于传统的流速测量技术：a)无活动部件（如螺旋桨等），不易磨损；b)不需作定期校正优于其它声学剖面流速测量的技术：a)电路集成化程度高，只有一块主板＋罗盘。b)体积小、重量轻，便于携带安装。（尤其适合在浮标上安装使用！）c)杜帮工程塑料外壳，抗腐蚀，耐老化。D：数据处理软件“阔龙”资料后处理软件ExploreP适用于Windows98TM/NT/Me/2000/XP。显示以时间序列为基准的频谱分析图及垂直剖面速度分析图形。独立窗口显示其它参数如压力（水位）温度及电力大小等将资料以ASCII文件的格式转换储存。2.GPRS数据终端基于ARM平台、8M数据缓存，内置工业级无线模块•嵌入式Linux系统，包含TCP/IP协议栈及ETCPTM协议，保证传输数据不丢失•提供标准RS232/485数据接口及独立RS-232配置串口•符合电工电子产品低温GB/T2423.1、高温GB/T2423.2的要求，适于在气候条件恶劣的地区及户外使用•MD-600可以快速连接RTU、PLC、工控机等设备，实现数据透明传输，广泛应用于电力抄表、配电自动化、路灯监控、道路交通、环保气象、水文水利、石油煤矿、工业控制等领域产品特点与优势1．工业级设计•工业级标准设计，适合在恶劣环境下使用13•+5V－36V宽范围电压输入，多种电源接口，适用于多种场合•铝