利用BDS的河流水質監測系統建設

張政治

(61920部隊，四川 成都 610505)

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利用BDS的河流水質監測系統建設

張政治

(61920部隊，四川 成都 610505)

針對目前河流水質污染缺乏技術監測手段的問題，提出利用北斗系統的短報文通信和集團管理功能，配以專業的傳感器、定制的數據采集模塊和穩定的雙通信鏈路，開發具備前端監測和中心監控2大功能模塊的水質監測系統，實現水質信息的監測、告警以及信息發布等功能，為水污染防治、水利運用提供決策支持。

水污染；北斗衛星導航系統；河流；數據采集；水質監測

0 引言

江河流域水污染突發事件是一種緊急事件或者緊急狀態，它在一定條件下出現和爆發，嚴重影響社會或組織的正常運作，對生命、財產、環境等形成威脅和損害，超出了政府、社會和組織的常態管理能力。隨著我國工農業生產和經濟建設的迅猛發展，水環境污染突發事件不僅在發生次數上，而且在污染的危害程度上均有增加的趨勢。特別是一些重大環境化學污染事故接連發生[1]。最新頒布的國家“十三五”水污染防治規劃特別提到控制單元精細化管理，“十三五”期間，國家將對七大水域制定針對性目標和措施，對355個控制單元提出改善要求，目前七大水系中松花江輕度污染、黃河和淮河中度污染、遼河和海河重度污染[2]。另外，根據2014年《經濟參考報》統計，中國水污染事故每年1 700多起，另外有2.5億居民的住宅區靠近重點排污企業和交通干道，2.8億居民使用不安全飲用水，水源地污染觸目驚心。

要解決我國水環境問題除靠政策管理外，通過先進的科學技術進行水質監控信息系統的開發、建立和應用，成為提高水質管理和治理的重要技術手段[3]。在水質監測領域中，水質信息的采集和傳輸是核心內容，是實現水質管理和治理的關鍵技術之一。我國自主研發、獨立建設的北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)對水質信息的獲取和通訊提供了安全、穩定、高效的手段[4]。BDS已經于2012年底形成了區域服務能力，定位精度達10 m、測速精度達0.2 m/s、授時精度達10 ns、具備多達120個漢字或代碼的雙向短報文通信功能。目前正在有序推進全球系統建設，致力于向全球用戶提供高質量的定位、導航和授時服務[5]。

1 設計思路

1.1 技術路線

建立以傳感器和數據采集器為中心的實時水質監測系統和以BDS用戶機為中心的數據傳輸系統。按照2002年頒布的《水污染物排放總量監測技術規范》，實時監測水域中化學需氧量(COD)、石油、氨氮、氰化物、六價鉻、汞、鉛、鎘、砷的含量，可自主開發數據采集器收集監測儀和流量計數據并完成預處理，轉換成適合BDS用戶機傳輸的信息格式，最后由BDS用戶機將實時數據傳送給中心監控系統[6]。

建立可實時監測全水域水質的中心監控系統。各監測點水質信息通過BDS用戶機從前端傳輸到中心監控系統，中心監控系統實時顯示、記錄、分析各監測點的水質信息，按照用戶訂制內容提供查詢、告警、上報、遠程訪問等功能[7]。

1.2 預期目標

本系統建成后，預期達到如下目標：

1)水質信息采集。監測點的水質信息全部采用數據自動采集、長期自記、固態存儲、數字化自動傳輸技術，提高觀測精度和時效性。

2)水質超標告警。利用BDS集團用戶管理功能，將監測點設置為中心監控的下屬用戶機，通過系統建設，實現多監測點信息實時采集(點數可根據需要擴展)，在數秒內實現全部監測點水質信息采集。中心監控通過數據分析，實現水質超標告警。

3)水質信息共享方面。利用BDS信息服務系統，依靠骨干網，實現全國各地水質信息共享，實現水質信息的實時收集、傳輸和處理，提高信息共享的程度和各種信息流程的合理性。

4)防污治污指揮調度。可利用BDS用戶機軍用級別的通信功能，建立應急指揮平臺，輔以水質監測系統，實現各級防污治污部門的工作效率、質量、效益和決策的科學性和正確性。

5)污染源追蹤。通過對大量監測點水質信息的實時監控比對，實現對污染源的精確溯源，查找出污染物出現的時刻和區域，便于防污、治污[8]。

2 設計方案

2.1 總體設計

基于BDS的河流水質監測系統結構如圖1所示，系統設計為2層體系結構，底層是前端監測點，上層是中心監控。前端監測點采用專業傳感器采集現場數據，并以有線或無線方式將數據匯聚到數據采集和通信設備。數據采集和通信設備將數據按照固定的格式發送到BDS用戶機，通過BDS衛星或者通用分組無線服務技術(general packet radio service,GPRS)方式傳送至中心監控[9]。

圖1 系統結構圖

前端監測點及中心監控配備BDS用戶機，利用BDS獨特的短報文通信功能完成前端監測點與中心監控之間的數據傳輸。前端監測點還配備有GPRS無線通信模塊，同時具備數據傳輸功能。通過中心監控對前端監測點的管理控制，實現水質信息的監測、告警、信息發布等功能。

2.2 前端監測點設計

2.2.1 結構設計

前端監測點系統分為數據采集、數據傳輸和數據通信3部分。其中數據采集部分包括各種類型傳感器和相對應的數據采集模塊；數據傳輸分為有線傳輸和無線傳輸；數據通信部分包括數據采集與通信控制器和BDS用戶機，如圖2所示。

圖2 前端監測點結構框架

每個數據采集模塊都是針對該類型傳感器的專用采集設備，與相應類型傳感器一一對應，數據采集模塊采集的輸出接口為標準RS485接口。對于距離數據采集與通信控制器較近傳感器，可通過RS485直接與數據采集與通信控制器相連;對于距離數據采集與通信控制器較遠的傳感器，需先通過RS485連接無線通信模塊，然后以無線方式連接距離數據采集與通信控制器較近的無線通信模塊，再通過RS485串口與數據采集與通信控制器相連[10]。

2.2.2 數據采集與通信控制器設計

數據采集與通信控制器主要由數據匯聚模塊、通信模塊和控制模塊3部分組成，如圖3所示。

圖3 數據采集與通信控制器結構框圖

其中，數據匯聚模塊由緩存器和多個RS485串口模塊組成，RS485串口模塊的數量取決于傳感器的數量，其作用是在控制模塊的控制下，與數據采集單元或無線通信模塊等設備進行通信和控制，接收原始數據包，按各類傳感器自有格式將各原始數據包解幀，提取出用于監控和分析使用的數據，并存入緩存器，以待系統對數據的下一步處理。

通信模塊由BDS通信組包模塊、緩存器和RS232串口模塊組成。BDS通信組包模塊的作用是在控制模塊的控制下，讀取緩存器中的原始數據，按照BDS一代用戶機對通信等級、頻度和長度的要求，結合用戶機自身的接口格式，設計并修改成符合本監測系統用于監控、分析、管理和傳輸等需求的專門的數據通信格式，將原始數據進行打包組幀，并存入緩存器中排成隊列，最后在控制模塊作用下，RS232串口模塊將打包數據依照隊列順序通過RS232串口傳輸到用戶機，并發送控制指令控制用戶機將數據發送到監測管理中心。

控制模塊是系統完成數據采集、數據匯聚和通信控制的中心管理模塊，其作用是協調系統各類型模塊的工作，可解析監測管理中心的配置控制命令，可轉發中心對傳感器、數據采集單元、無線通信模塊以及用戶機等多種設備的控制指令，也可直接對通信模塊、數據匯聚模塊進行調度使用，實現控制功能。

2.3 中心監控系統設計

2.3.1 系統結構設計

中心監控系統由以下幾部分組成：軟件監控分系統、遠程監控分系統、數據庫系統、BDS用戶機、以太網交換機和串口服務器等。

其中，軟件監控分系統、遠程監控分系統、數據庫系統等系統通過以太網交換機連接，組成一個局域網；BDS用戶機通過串口服務器連接在該局域網內，以獨占模式僅供軟件監控分系統訪問，遠程監控分系統和數據庫系統均由軟件監控分系統提供服務。

中心監控系統的結構圖如下：

圖4 中心監控系統結構圖

2.3.2 軟件設計

中心監控系統軟件以3層體系結構為基礎進行設計，確保數據、界面和控制的清晰分離。其中體系結構如圖5所示。

圖5 中心監控系統軟件體系結構圖

監控層：匯集中心監控與遠程監控2大功能為一體的監控系統，將前臺與后臺隔離運行，使整個系統運行、管理和維護更方便快捷，同時可以向上級監控中心實時匯報系統情況，實現分級管控。

邏輯層：BDS通信模塊與前端監測點BDS通信接口兼容，實現BDS用戶機通信信息的發送和接收；信息集成模塊實現數據與監控的分離接口，確保數據存取安全和用戶權限認證；數據管理模塊實現了數據庫訪問接口，可以高效快捷地訪問數據庫系統。

數據層：基于強大的數據庫系統進行數據管理和備份，以數據服務的形式響應各種類型數據請求。

軟件的關鍵模塊包含5個部分：

1) BDS通信模塊。BDS通信模塊實現了對BDS用戶機的訪問，軟件監控分系統調用本模塊可以訪問串口服務器連接的BDS用戶機。該模塊的主要功能是控制用戶機，實現BDS用戶機的定位、通信，實時接收BDS衛星轉發的前端監測點用戶機發送過來的數據。

2)信息集成模塊。信息集成模塊實現了所有用于數據接收、采集、融合、存儲、提取、系統控制等功能的接口。軟件監控分系統調用本模塊實現數據操作。

3)數據管理模塊。該模塊設計為基于數據庫系統的管理接口，用軟件程序模塊實現對數據庫操作的封裝，設計適合于本系統的數據庫訪問操作，使訪問結構清晰，提高工作效率。該模塊的主要功能是實現對需要存儲的數據進行存儲格式轉換、提取格式轉換、融合類型轉換，響應信息集成模塊對所有的實時數據和歷史數據進行融合、存儲和提取的管理，控制數據庫系統完成相關數據提取工作。

4)遠程監控分系統。遠程監控分系統對于實現電視墻、管控大廳、電視電話會議等高級功能具有良好的擴展支持。由于考慮到可多系統融合及可移植性強等特點，需使用可跨平臺的系統設計。可采用Apache Tomcat + jsp技術的web服務器，使用B/S訪問結構。其主要實現的功能是監視中心監控系統工作狀態、數據狀態和管理狀態等信息；監視所有下屬前端監測點的工作狀態、監測點的傳感器工作狀態；繪制歷史曲線圖；對告警進行實時畫面顯示；向軟件監控系統發送控制指令，控制前端監測點。

5)數據庫系統。數據庫系統是中心監控系統的數據中心，數據庫的管理、備份、維護和升級等操作在本系統中完成。可架設數據管理服務器，使用Windows Server操作系統運行Microsoft SQL Server數據庫，安裝配置功能強大的數據庫管理器，實現對數據庫建立、訪問、維護、備份等功能。

3 結束語

本文主要研究利用BDS信息服務功能，開發水質監測系統，實現水質信息采集、污染告警、信息發布等功能，為河流水質污染監測提供技術解決方案。系統可應用于河流、湖泊水質監測，尤其是在水污染防治和管理方面具有較大的工程實踐和應用推廣價值。

[1] 環保部.重點流域水污染防治“十三五”規劃編制技術大綱[EB/OL].(2016-01-18)[2016-03-28].http：//www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bgth/201601/W020160121364773180865.pdf.

[2] 環保部.重點流域水污染防治規劃(2011-2015)[EB/OL].(2015-05-16)[2016-03-28].http：//www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bgth/201601/W020160121364773180865.pdf.

[3] 馬樂寬，王金南，王東.國家水污染防治“十二五”戰略與政策框架[J].中國環境科學，2013，33(2)：377-383.

[4] 曹沖.戰略性新興產業衛星導航面臨的機遇和挑戰[C]//中國全球定位系統技術應用協會.衛星導航產業發展與對策.北京：測繪出版社，2009：3-6.

[5] 科技部.導航與位置服務科技發展“十二五”專項規劃[EB/OL].(2012-09-18)[2016-03-28].http：//www.most.gov.cn/tztg/201209/t20120918-96837.htm.

[6] 孟偉.中國流域水環境污染綜合防治戰略[J].中國環境科學，2007，27(5)：712-716.

[7] 曹沖.“北斗”產業化與新興的智能信息產業研究[C]//中國全球定位系統技術應用協會.衛星導航系統應用與繁榮 2011.北京：測繪出版社，2011：3-8.

[8] 王赫.我國流域水環境管理現狀與對策建議[J].環境保護與循環經濟，2011，31(7)：62-65.

[9] 郭棟.北斗短報文通信技術在氣象預警領域應用的研究[J].信息通信，2015，28(2)：193.

[10]郭丹.北斗衛星短報文通信控制系統研究[D].西安：西北大學，2015：22-29.

Construction of river water quality monitoring system based on BDS

ZHANG Zhengzhi

(Troops 61920，Chengdu，Sichuan 610505，China)

Aiming at the problem that it is lack of technical monitoring methods in current monitoring of river water pollution, the paper proposed to use the short message and group manager of BDS, and equip professional sensors, customized data collection modules and stable double communication links, to develop the river water quality monitoring system with the functional modules of front monitoring and center monitoring. The system would provide a reference for water pollution prevention and water conservancy exertion by realizing the functions of monitoring, alarming and information releasing.

water pollution; BDS; river; data collection; water quality monitoring

2016-04-28

張政治(1982—)，男，遼寧營口人，碩士，工程師，研究方向為衛星導航與應用。

張政治.利用BDS的河流水質監測系統建設[J].導航定位學報，2016，4(4)：112-116.(ZHANG Zhengzhi.Construction of river water quality monitoring system based on BDS[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(4)：112-116.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20160422.

P228

A

2095-4999(2016)04-0112-05