水質監測采樣點信息采集系統設計與實現

周史強　羅勇

摘要：文章針對目前水質監測點采樣的實際情況及存在問題，設計了一套采信息采集系統，此系統能夠把水質監測點現場可測參數數據、采樣點位置以及相關背景數據等信息實時采集并傳輸到實驗室相關信息管理系統（LIMS），并對采樣點位置進行約束與監控，同時利用二維碼技術，對樣品進行登記，便于樣品管理。

關鍵詞：水質采樣；傳感器；GPSGPRS；二維碼

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）10-0134-03

隨著經濟的發展、社會進步和人民生活水平的提高，社會各界對水資源短缺和水環境惡化的關注程度越來越高，水作為一種重要資源，已成為社會和經濟發展的重要因素。水質信息已經成為政府決策不可或缺的重要信息。水質監測部門作為國家水資源保護系統的技術部門，肩負著采樣點布控、樣品采集、樣品分析、數據采集、數據分析的重任，有責任為各級水利主管部門提供及時、準確和完備的信息支持，而要提供可靠的信息，采樣點的布控與正確規范采樣模式是前提，它決定著監測數據能否真正反映水體的狀況。

由于水流域各個監測點分布范圍廣、數量多、距離遠，地處偏僻，同時，由于突發性水污染事故的增加而導致不確定斷面的增加，加上人力、物力等因素限制，不可能對所有監測點的所有監測量建立水質自動監測系統，同時移動監測系統也不可能覆蓋全部水質監測參數。因此，大部分水質監測參數都是由采樣人采集樣品后運送到實驗室進行集中檢測，這就涉及到采樣規范、準確、樣品交接與管理以及采樣點相關信息錄入方便、及時的問題。

1 目前水質監測采樣點信息采集方式

目前大部分水質監測部門進行水質監測點采樣方式為：首先由監測人員到各流域進行采樣點斷面布置，然后按照采樣計劃由采樣人員坐車船到各個采樣點斷面進行采樣。對于要求現場監測的參數（如水溫、溶解氧、pH值等），主要利用攜帶的玻璃溫度計、pH計等一些簡單儀器現場測出（如現場測量不方便，取樣后到實驗室立即測試），然后用筆記錄在采樣單上，同時記錄諸如斷面背景信息等一些相關信息后，帶到實驗室手工錄入到實驗室信息管理系統（LIMS是集現代化管理思想與計算機技術為一體的用于分析測試實驗室信息管理和控制的一項嶄新的應用技術，是計算機技術、管理科學與分析技術結合的產物。它集樣品管理、質控管理、資源管理、數據管理、網絡管理等于一體，通過它，實驗室可以達到自動化運行、信息化管理和無紙化辦公的目的，對實驗室提高工作效率、降低運行成本及快速準確的提供信息起到至關重要的作用）；對于現場不能檢測的參數，利用采樣瓶采集水樣然后貼上手寫標簽，送到實驗室由樣品管理人員向LIMS系統進行樣品的交接、登記等處理，然后由檢測人員領用后進行其它參數的集中檢測，檢測數據結果通過儀器接口直接傳輸到LIMS系統，然后數據匯總后進行數據的統一分析、處理。

2 問題分析

在這種模式的采樣過程中存在著如下問題：采樣點采樣斷面的位置確定不十分準確，僅靠肉眼觀察，與有關參照物進行比較，偏差比較大，有可能影響檢測結果是否具有代表性；水溫、濁度、pH值等一些現場數據的現場手工記錄不能輕松對接LIMS系統而導致的數據二次錄入問題；樣品編碼手工填寫，唯一標志不明確，不含關聯信息，導致樣品接收記錄處理不清楚，重復錄入問題；采樣人員是否到正確地點進行了采樣，如何對采樣人員進行約束，確保數據的正確性問題；如何提高采樣效率等問題。

這些都反映了人工管理采樣模式已無法適應信息化對水質監測的需要，同時也給水環境監測部門提出了一個應引起重視的問題：如何建立起實用性強、覆蓋面廣、靈活性好且簡單、經濟、便于攜帶的水質監測采樣點信息采集系統，從而達到最終滿足各方面對水環境監測信息的需求。

3 系統設計

設計一套能夠把水質監測采樣點現場可測項目數據、采樣點位置信息、以及相關背景數據等信息實時采集并無線傳輸到實驗室接收系統的系統，這套系統還能對采集點進行約束與監控，確保監測樣品的數據的能真正反映水體的狀況，同時利用二維碼技術，把樣品信息與采樣點信息進行關聯，以便于樣品的接收與領用。此系統主要由三部分組成，即中心接收系統、采樣點采樣系統、通訊系統。各采樣點采樣系統通過數據采集模板（由GPS、傳感器等組成）采集相關信息，然后通過數據通信系統與中心接收系統（如LIMS）進行數據信息通信，向中心接收系統上傳采樣的時間、溫度、經緯度、流速及現場測得水質數據、定位數據，中心接收系統實現動態及時顯示、處理、存貯、匯總及指令回饋，同時，此系統設計應該靈活、簡單、經濟且便于攜帶。設想圖如圖1所示：

4 實現方案

4.1 用集成的一次傳感器來解決現場的可測項目

目前傳感器正向小型化、集成化和多功能化方向發展。一次傳感器就是將眾多同類型的單個傳感器集合成一維線型或二維陣列型傳感器，或將傳感器與調理、補償等電器集成一體化。由此實現多參數的檢測，從而給人們的科學研究和日常生活帶來更大的便利。

水質監測一次傳感器（如多參數水質監測儀等）主要由可測量的基本水質參數（如PH值、DO、濁度、水溫、電導）等各種傳感器構成?，F場采樣時通過數據采集模塊自動采集采樣點信息，可采用多通道差分隔離模擬量輸入采集模塊，通過RS232接口與GPRS透明數據傳輸終端相連，通過GPRS透明數據傳輸終端內置嵌入式處理器對數據進行處理、協議封裝后發送到GSM網絡。中心系統接收現場監測點遠程終端傳送的數據傳輸的監測信息；通過接口與LIMS系統連接，匯總后形成各用戶數據庫。系統可顯示各監測點的實時數據、歷史數據，并可提供各種查詢、統計功能，可根據用戶要求形成各種趨勢圖，形成相應的報表打印，并負責對監測信息進行分類、篩選和綜合分析。

4.2 用全球定位系統GPS技術進行定位，確定采樣點的詳細位置信息endprint

全球定位系統（Globa lPositioning System，縮寫GPS）是美國第二代衛星導航系統。由空間部分、地面監控部分和用戶接收機三大部分組成。按定位方式，GPS定位分為單點定位和相對定位（差分定位）。單點定位就是根據一臺接收機的觀測數據來確定接收機位置的方式，它只能采用偽距觀測量，可用于車船等的概略導航定位。相對定位（差分定位）是根據兩臺以上接收機的觀測數據來確定觀測點之間的相對位置的方法，它既可采用偽距觀測量也可采用相位觀測量，大地測量或工程測量均應采用相位觀測值進行相對定位。在進行控制網觀測時，一般均采用這種方式由幾臺接收機同時觀測，它能最太限度地發揮GPS的定位精度，在水質采樣過程中，由于每次的采樣人都分成幾個組，因此可運用相對定位來進行確定采樣點的位置。

全球定位系統具有性能好、精度高、應用廣的特點，是迄今最好的導航定位系統。同時，接收中心系統可以實時了解采樣人的采樣位置，對采樣人是否在正確的采樣地點進行采樣進行約束，這樣使采樣地點的準確性得到保障。

4.3 采用GSM/GPRS移動數據傳輸網絡，實現信息的實時傳輸

目前，中心與各采樣點之間的數據通信主要采用手工抄錄登記方式。即采樣人把當時的可測信息記錄完全后再送到中心實驗室進行集中登記，這樣時效性就無從談起，也不能及時得知采樣點的現場監測參數信息，并且與LIMS系統的接口無從談起，只會增添重復勞動。同時，由于采樣點數量多、距離遠，地處偏僻的原因，不可能采用有線通訊方式，只能采用無線通訊。

GPRS在GSM基礎上發展起來的一種無線分組交換的數據承載和傳輸網絡，它將無線通信與因特網緊密結合，是一種先進的、全新的無線網絡承載手段。采用GSM公網平臺，具有組網靈活、速度快（其傳輸速度可達171.2kb/s）、運行費用低，維護簡單、性價比高，且數據通信覆蓋范圍廣，擴容無限制，接入地點無限制，安全性比較高，能滿足山區、鄉鎮和跨地區的接入需求，能很好解決由于采集點數量眾多，分布范圍廣，地理位置分散、偏僻問題。

因此，可以考慮采用GPRS無線傳輸方式解決采樣點監測數據的實時傳輸問題。由于GPRS通信是基于IP地址的數據分組通信網絡，中心服務器申請配置固定IP地址，通過公網使用VPN接入到移動GPRS網?，F場監控點采集的數據經GSM網絡空中接口功能模塊同時對數據進行解碼處理，轉換成在公網數據傳送的格式，通過中國移動的GPRS無線數據網絡進行傳輸，最終傳送到中心IP地址。中心RADIUS服務器接受到GPRS網絡傳來的數據后先進行AAA認證，后傳送到中心計算機主機，通過系統軟件對數據進行還原顯示，實現PH、溶解氧、溫度等瞬時測量、超標自動報警、數據自動歸檔等功能，則可以第一時間初步掌握各采樣點的水質情況，對水質超標斷面及時采取措施，并進行數據處理，然后輸入到LMIS系統。

這樣，就很好的解決了手工數據錄入問題，也很好的滿足對數據采集和傳輸實時性的要求。

4.4 采用二維碼技術，解決樣品管理中樣品信息重復手工錄入問題

二維碼是用某種特定的幾何圖形按一定規律在平面（二維方向）分布的黑白相間的圖形記錄數據符號信息的；在代碼編制上巧妙地利用構成計算機內部邏輯基礎的“0”、“1”比特流的概念，使用若干個與二進制相對應的幾何形體來表示文字數值信息，通過圖象輸入設備或光電掃描設備自動識讀以實現信息自動處理。同時還具有對不同行的信息自動識別功能、及處理圖形旋轉變化等特點。該技術一經產生，便迅速推廣開來。采用二維碼技術，實現物品的自動化管理已成為當今世界的大趨勢和重要手段。

樣品接收與管理是水質監測的重要一環。在樣品管理中采用二維碼技術，可以實現樣品管理的自動化管理，提高管理的科學性、準確性和及時性。由于監測點水樣具體資料經常改變，故建議采用二維條碼?？梢愿鶕蓸佑媱潓γ總€斷面進行編碼，根據采樣點把相關信息，如采樣時間，送樣人，采樣人等關聯在編碼上，貼在沒有現場檢測參數的水樣瓶上，在實驗室通過PDA分辨樣品標志，并與LIMS系統接口相聯，直接把接收的樣品信息錄入到信息系統數據庫中，來解決樣品接收、領用等手工操作的多種工序，實現了一次掃描，多種輸出的自動化功能，從而即能提高效率，又能解決樣品唯一性標志問題。應用二維碼技術的LIMS系統充分體現出計算機采集、存儲、處理和交換信息的科學性、準確性和快速性，以及二維碼掃描技術的快速、準確、低成本、高可靠性獲取信息等優點。

5 結語

由以上介紹可以看出，采用世界領先的GPS衛星定位技術、GSM/GPRS全球移動通訊技術、二維碼技術、傳感器技術及計算機網絡通信與數據處理技術，在現有GSM公眾網的基礎上開發的一套采樣點數據采集綜合系統，可以解決目前水環境監測水質采樣中的一些問題，特別是對于位置偏遠、非固定監測點的水樣采集有著積極作用。此套方案同時還提供了與其它應用系統提供接口，系統成功應用將為各級水利主管部門提供及時、準確和完備的信息支持有著重要的意義。endprint