海洋技术▏基于LabVIEW的海洋浮标水质监测系统 - 海洋浮标测量仪

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人类的生活和发展是离不开海洋，在陆地资源短缺的压力下，海洋正受到越来越多的污染。随着世界人口越来越多，陆地的环境压力也越来越大，沿海各国也把目光聚焦于海洋资源。现如今，重点发展海洋资源产业是缓解人口与环境压力的一条有效途径。世界各国在对海洋开发的同时，也随之产生了一系列资源和环境问题，对海洋水质环境的健康造成了严重的影响。现阶段，海水污染问题也受到全世界的关注，经过二十多年的努力，国际社会采取了一系列措施来改善海水污染的措施。然而，海水污染问题依旧不容乐观，一些沿海地区的近海海域存在持续恶化的趋势。为了保护海洋水质环境和人们的生存发展，海洋水质监测系统的研发极具意义。通过应用海水监测系统可及时发现水质污染问题，并采取相应治理措施，促进海水养殖业和海洋生态系统的养护。

国外对水质监测的研究起步较早，技术也相对成熟。美国和欧洲的一些国家建立了基于互联网的环境监测系统和气象及害虫监测预警系统，以管理农业生产和节省人力。美国早在1960年就开始制定对海洋环境检测领域的政策，现如今的美国拥有配备导航雷达和全球卫星定位系统的无人船，可以在海上监测多种海洋水质数据。20世纪70年代，荷兰、法国、德国和日本等国家的水质监测技术发展也很快。20世纪80年代，国外研发的测量仪已经可以将众多的参数集成起来。现如今，水质监测系统早就成为顶级的自动化设备，一些发达国家可以做出实时数字化的水质监测系统，自动对水质参数进行监测。我国对海洋水质监测技术开发的起步较晚，但是起点高，目前在海洋水质监测领域取得了丰富的成果。本文设计了一种基于LabVIEW的海洋浮标水质监测系统，用于实现对近海海域的水质环境监测和评价，以期为预防和治理海水污染提供参考。

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一、监测系统总体设计

本文设计的近海海域监测平台主要由水质监测系统、供电系统、通讯系统、水质数据采集系统和水质数据分析评估系统组成，如图1所示。水质参数采集系统传是通过五个传感器收集数据：PH值传感器、浊度传感器、温度传感器、溶解氧传感器和盐度传感器。无线通讯系统是通过GPRS无线网络对交互界面进行一对一的信息对接。岸基的软件部分主要是基于LabVIEW设计的监测平台，软件能做到对下位机的通讯，传输传感器收集到的数据并且在监测软件中显示和评估。相较于传统的海洋监测方案，本文提出的水质监测浮标平台能在海洋水质监测中提供稳定和高效的监测环境。该平台以LabVIEW、无线通讯、水质监测设备、浮标平台为基础，利用无线网络来实时进行传输水质数据，在软件上进行实时分析和记录，让操作人员能在远程监测中心中了解水质情况信息，节省人力物力的成本。

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图1 海洋浮标水质监测系统

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二、硬件设计

监测系统底层硬件是的固定式浮标，采用太阳能板和蓄电池进行双向供电，搭载各种水质传感器。固定式浮标可以保护内部的硬件设备，避免出现漏水现象，稳定可靠的在近海海域中工作。浮标的外观如图2所示。本文研究的海洋浮标采用全封闭设计，内部搭载海洋水质监测所需的各种设备，整体结构不仅可以对设备起到保护作用，而且方便监测平台的维修和维护。硬件设备中的主控制器选用响应快，性能高，功耗低的stm32式单片机。硬件部分的工作原理如图3所示。硬件系统的供电由蓄电池和太阳能板组成，使操作人员在远程监控水质平台运行的同时，不需要频繁更换电池。有太阳的时候，蓄电池和太阳能板共同工作，太阳能板对蓄电池进行充电。没有太阳的时候，蓄电池会正常的对系统进行供电。该供电系统供电可靠、操作方便、经济合理，保证了水质浮标监测平台能够长时间在海水中稳定运行。

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图2 海洋浮标的结构

图3 监测系统的硬件组成

三、软件设计

海洋浮标水质监测系统的软件设计是本文工作的主要研究内容。监测平台的界面可以让用户直观的看到水质参数情况和平台运行情况。监测平台界面主要功能有实时报警、水质参数监控、历史数据读取、等级评估系统、数据通讯和综合模糊评估。该监测系统实现了对水质信息的传输、显示、分析、评估等功能，并且能够将监测到的水质参数以excel格式保存到本地。显示功能主要由各种虚拟仪器和波形图组成，并且也可以随时切换到各种显示界面。

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图4 软件设计过程

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⒈总览界面

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如图5所示，总览界面是用户监测海域水质参数和控制系统启动的主要界面，由水质参数监控和阈值声光报警两个模块组成。界面的右侧是水质参数监控区域，操作人员可以在这个区域看到从传感器传输来的各项水质参数数据，各水质数据会实时以模拟仪器和波形图的形式显示在界面上。用户可以自行根据监测需求设置水质参数阈值，当水质参数数据的实时数据超过用户所设置的参数阈值时，其参数报警灯会发出声光报警，及时提醒工作人员水质参数数据发生异常。由下位机传输到界面的水质数据会以excel格式实时保存到设置的写入路径，操作人员可以在本地查看收集到的水质数据。

图5 总览监控界面

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⒉历史数据读取

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历史数据读取功能够通过读写路径进一步的将本地的水质参数数据在横坐标更长的波形图中显示。读写路径和写入路径是相同时，从传感器接收的实时数据也会在历史数据读取中的波形图中显示。操作人员可以在这里更加直观的看到各种水质参数数据信息的变化，便于预测水质参数的走势并且及时做出相应的处理。

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⒊数据通讯

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数据通讯界面用于完成对通讯接口的设置，例如串口选择、波特率等，便于同时管理多个通讯口，方便管理人员操作。读取缓冲区则能够查看从下位机传输到上位机的水质数据，比如水温、PH值、浊度、溶解氧和盐度。

⒋水质评价方法

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设计完监测界面以后，还需完成对浮标监测系统的水质评估算法的设计，本文采用模糊评价理论进行评价。模糊评价是以模糊数学为基础，根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，将一些难以定量的因素定量化，考虑多个因素对被评价事物隶属等级状况进行全面综合评价的一种方法。该方法具有结果清晰，系统性强的特点，能很好解决模糊且难以量化的非确定问题。水质变化是连续的，水质情况和各种水质参数关系复杂，各种参数对水质影响程度都不相同，因此水质评价存在一定的模糊性。

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四、算例分析

以某近海水域的3个月浮标监测数据为例进行评价，整理并计算出各月水质参数的平均值，如表1所示。依据模糊评价理论的方法，设评价因子集合为：U＝﹛u1，u2，u3，u4﹜，其中u1，u2，u3，u4为水质评价的代表性评价因子温度、PH值、溶解氧、氨氮。参考海水水质标准（GB3097-1997）和实际海水监测实施情况，将水质质量分为优秀、良好、中等、合格、不合格五个等级，评价分级如表2所示。

表1 某近海水域水质监测数据

表2 近海水域水质评价等级分级表

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依据模糊评价理论中隶属度函数公式，对每一个评价因子ui进行单因素评价确定其隶属度ri，将各评价因子的隶属度集合组成得到水质评价单因素矩阵Ri。

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对水质影响因素进行定量化分析，参考专家意见，赋予水质参数权重矩阵A＝[0.2949，0.2789，0.3879，0.0383]，则Y1＝A·R1＝[0.0383，0.520605，0.162195，0.13945，0.13945]，Y1（max）=0.520605，则表面该水域的水质评价等级为良好。

同理可以计算出6月份和7月份的水质等级：Y2＝A·R2＝[0.34862，0.07758，0.26541，0.099215，0.209175]，Y2（max）＝0.34862，表明6月份该水域的的平均水质评价等级为优秀。

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Y3＝A·R3＝[0.426200，0.069725，0.504075]，Y3（max）＝0.504075，表明7月份该水域的评价水质评价等级为不合格。

五、结论

本文设计了基于LabVIEW的海洋浮标水质监测系统，在某近海水域进行采集实验，引入模糊评价理论进行水质评估研究。实验结果表明：

⑴水质监测系统可以监测近海海域海水的水温、PH值、溶解氧等水质参数，并在岸基实现远程管理。收集到的水质参数也将会被保存到本地和云端，管理人员可以在后台查看保存的历史数据。

⑵GPRS无线通讯模块可以实现小尺度海域的无线通讯，为提高可靠性本系统的水质监测数据同步传输到SD卡和云端保存，便于岸基人员进行水质预警分析。

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【作者简介】文/李海龙 李凯 孔建华，来自广东海洋大学船舶与海运学院。第一作者李海龙，1999年出生，男，本科生，研究方向为海洋环境安全与防污染。文章来自《船电技术》（2023年第6期），参考文章略，版权归出版单位与作者所有，用于学习与交流，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。

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