水文浮标站应急监测装置设计与开发

刘 伟 ，王吉星 ，王少华 ，耿彬彬

（1. 水利部南京水利水文自动华研究所，江苏 南京 210012；2. 南京扬子水利自动化技术开发总公司，江苏 南京 210012）

0 引言

我国湖泊总面积为 81 414.6 km2，约占全国国土面积的 0.9%。作为流域物质的重要储存库，湖泊水文信息与人类生存及发展密切相关。湖泊本身具有面积大、难以建设观测站点等制约因素，不易采用常规河道监测手段。

常规水文浮标站可以装载多种水文仪器，具有免建站等优点[1]。由于常规的浮标系统（以下简称浮标）体积大、成本高，因此在湖泊中还没有典型应用和监控系统。结合国内外浮标发展情况，将浮标小型化，采用高强度成型聚酯泡沫为主支撑体，整个浮标具有质量轻、投放方便、提供浮力大及抗冲击等优点。在小型化浮标基础上，结合水文自动遥测系统，设计开发了湖泊水文浮标站应急监测装置。

水文浮标站应急监测装置示范点设置在江西省鄱阳湖水文局棠荫水文站的蛇山水量水质水生态自动监测站。由于棠荫岛远离湖岸，水位、水质监测不易受周边环境影响，研究鄱阳湖，该站点的水文资料极有代表性。棠荫是鄱阳湖水质监测最灵敏的“传感器”，每次鄱阳湖涨洪水，棠荫站收集的水文资料便成为水利部门准确决策的一杆重要标尺。

本文以鄱阳湖水文水生态信息作为研究对象，以浮标作为数据采集装置的载体，研究浮标作为湖泊或者海洋入海口等新型数据采集载体的关键技术，为水资源管理及应急抢险、灾害评估、风险预防、指挥调度等提供及时可靠的数据支持。

1 浮标系统设计

1.1 浮标系统结构

浮标系统由浮标体、传感器组、通讯设备、供电系统、锚系等组成。其中浮标体为监测系统的装载装置，为其提供环境相对稳定的工作平台，浮标体直径只有 1.2 m，总质量为 100 kg，不需要配备大型船只和重型起重设备，减少了安装成本；可搭载各种水文传感器进行水文监测，按照设定的时间将采集的水文数据传送至中心站；采用 GPRS，CDMA，电台或者卫星等陆地常用通讯设备进行通信；采用小型太阳能板与蓄电池混合供电，保证浮标长期在位运行的供电需要。

1.2 浮标体结构

浮标体是基于造波水池综合测试得出的动态响应与稳定性要求而设计的[2]，主要由上层支架、内壳体、弹性浮体、系留支架、系留锚系等组成，结构示意图如图 1 所示。

图1 浮标体结构和安装示意图

浮标体主体为弹性塑料浮体，选用高强度闭孔发泡技术制作，表层喷涂高耐磨弹性保护层。弹性浮体相对于传统钢制浮体，不仅可提供更大的浮力，而且可提高小浮标抗冲击、碰撞的性能；且由于浮体较轻，因此浮标的重心较低，极大增强了抗恶劣环境的能力。

浮标内壳体及支架等全部采用不锈钢材料，用于安装电池、遥测终端、通讯设备、避雷针等。通过密封圈、螺丝等密封措施，构建 1 个封闭的内壳体环境，能有效地防止内部设备受到环境的破坏，以及盗窃和破坏。

上层支架为不锈钢支架，实物图如图 2 所示，底部的圆盘为浮标内壳体的盖，支架上安装太阳能电池、通讯天线、锚灯、GPS 定位系统等设备；下层浮标底部的系留支架，用于安装水下接触式传感器，一般具备 3 套以上设备的安装位置。

图2 浮标体上层支架

系留锚系由丙纶缆绳、锚链、锚及浮球组成。丙纶缆绳密度比水小，可漂浮在水中，减少缆绳与水底摩擦的机会，从而延长缆绳的使用寿命。锚链和锚固定在水底，起到固定浮标的作用。

但当最终的强制购物降临到自己头上时，旅游者通常也会默认接受。为什么呢？因为游客的低价行为本来就有投机的成分，由于社会价值观和道德力量的约束，参与不合理低价游的旅游者通常知晓这种不合理低价不符合市场价值规律，不足以弥补旅行社的经营成本，会给旅行社带来利益上的损失，因此会产生内疚的心理。为了修复内疚心理，旅游者会在被强制购物时，在心理上将用于购物的费用看成是低价节省下来的，以此当作是对旅行社收益上的弥补。所以，我们把旅游者在不合理低价游活动中的购物行为当作是对旅行社的默认补偿。

2 监测仪器的选用

常用的测量流速的仪器较多，有转子式流速仪、声学多普勒点流速仪、电磁流速仪、电波流速仪、毕托管、声学多普勒剖面流速仪（ADCP 或称为ADP）、声学时差法流速仪、电磁剖面流速仪等[3]。经过比对，选用电磁流速仪[4]。

2.1 电磁流速仪工作原理

电磁流速仪是基于法拉第电磁感应定律工作的[5]，可用来测量多种导电液体的流速。电磁流速仪测速原理图如图 3 所示。

图3 电磁流速仪测速原理图

在与测量水流断面和磁力线相垂直的水流两边安装 1 对距离为 D 的检测电极。当水流（电导率 ＞5 us/cm）以流速ν流动时，水流切割磁力线产生感应电动势 E。E 由 2 个检测电极检出，数值大小与流速成正比，即：E = k B Dν，

式中：B 为磁场强度；ν为水流断面平均速度；k 为系数。根据公式可知，已知 D 和外加磁场 B，测得 E，由经过率定得到的 k 可计算出ν[4]。

2.2 电磁流速仪组成

电磁流速仪由传感器和控制测量仪组成，在贴近传感器的表面产生人造磁场，测量感应电动势的电极出露在磁场内，测量流速[6]；控制部分通过传感器部分测得两极间的感应电动势，换算成流速，并通过标准接口输出，用于与遥测终端或 PC 机通信传输。

2.3 电磁流速传感器

通过对国内外一些流速传感器进行现场比对测试，采用 AEM-RS 流速传感器，该传感器可测出湖泊水文的重要参数：流速、流向和水温，采用compact 格式，RS-232 通讯，波特率为 9 600[7-8]。

AEM-RS 流速传感器做成球形，外圆上有 6 个以上的测速点[7]，测速点附近有人造磁场，组成示意图如图 4 所示。球形及以下部分为传感器部分，以上的圆柱部分为控制部分。流速传感器悬吊或悬浮在水体中时，可同时测得 6 个流速分量，再合成相对于仪器本身坐标的流速矢量。仪器内装有自动罗盘和倾斜仪，根据自动测得的方向和倾斜，将基于仪器的流速矢量转换成地球坐标的流速矢量。该产品为单点测流传感器，体积小，灵敏度高，测量快速方便[7]，无需刷洗，并提供自动罗盘校正功能。

图4 AEM-RS 流速仪组成示意图

AEM-RS 流速传感器测速技术性能如下：测速范围为 0～±500 cm/s；速度分辨率为 0.02 cm/s；方向范围为 0～360°，分辨率 0.01°；水温范围为 -5～40 °C，分辨率为 0.001 °C[7]。

3 浮标遥测终端设计

浮标遥测终端是浮标监测系统采集和传输数据的关键部件，由于安装地点和方式的特殊性，高稳定性和低功耗便成为最重要的 2 个性能指标。稳定性通过纠错机制和硬件看门狗复位电路等方式实现；低功耗主要通过对系统的外围设备采取控电的方式，休眠状态时 CPU 处于停止状态，振荡器仍然工作，但大部分系统停止工作，静态功耗达到 0.3 mA。为了推广浮标，必须增强通用性，能够适应不同的环境和通讯方式，因此采用模块化和面向对象的思想设计。遥测终端硬件结构图如图 5 所示。

图5 遥测终端硬件结构示意图

主控芯片采用 S12 系列芯片，该芯片为军用级芯片[9-10]。遥测终端主要包含处理器、值守电源电路、传感器组、GPS 定位系统、存储器电路、通讯电路等。通信电路采用外接模块的方式，与主控芯片为串口（RS-232），能满足 GPRS，CDMA，GSM和超短波电台等多种通信方式，可以根据不同应用场合选用最优的通信方式进行通信组网设计。研究区地属偏僻地区，移动网络信号弱，而浮标安装地点离岸边只有 30 m，结合现场情况，采用超短波电台的方式。优点是性能可靠，费用低，不受移动网络影响，主要适用于近距离传输。

遥测终端与传感器组通信采用 RS-232 方式，AEM-RS 流速传感器容易受到周围磁场干扰。且通信设备采用超短波模式，发送方法采用即采即发的方式，通过实验对比发现发送数据时会对测速仪的采集产生干扰，因此遥测终端采用两者分离的方式，即在采集数据时，将电台断电，既减少功耗，又增强数据的稳定性和正确性。在数据处理时，采用每秒采集 1 次数据，采集 50 次，通过相关公式计算出流速，去掉最大和最小的数值各 10 个，剩余 30 个数据求平均值的方式，表 1 给出了 2013 年 1 月 13 日 10 点组 50 个数据中的部分实验数据（CH1～CH16 为传感器 6 个测速点测出的数据码），得到的数据经实验证明稳定，有效可靠。

4 应用效果与推广

通过 2012—2013 年的实验与示范，水文浮标站应急监测装置研究取得了以下一些成果：

1）完成了进口传感器组的引进、消化与吸收，使得小型浮标国产化，并建立了研发基地。

表1 实验数据

2）采集鄱阳湖水生态数据，为生态监测提供了数据依据；还及时采集与传输湖泊水文水资源监测数据。

3）节约人工，测验时无需动用水文测船，避免恶劣天气和夜间无法施测，数据缺失等问题，保障了水文测工的人身安全；节约时间，浮标测验即测即得，效率大大提高。

4）浮标应急监测系统免建站，系统功耗小。研发了适应于水体环境的监测遥测终端，实现了低功耗、可靠性高的目标。

通过项目实施，建立了水文浮标站应急监测装置生产研发基地，以江西省鄱阳湖水文局研究基地为应用示范基地，实现产品熟化和批量试生产，逐步推广应用于江河湖泊、水库、入海口、近海水文信息应急采集与传输，实现水上水文参数自动化采集与传输，便于国内水上应急建站，为应急决策和指挥调度服务，扩大应用需求。

[1] 李林奇，熊焰，张文泉. 海洋环境自动监测的重要手段——小型多参数海洋环境监测浮标[J]. 气象水文海洋仪器，2004 (3): 20-25.

[2] Pir Sentret.Datasheet_SW_MIDI185. Pir Sentret [EB/OL]. [2013-01-23 ]. http://www.oceanor.com/.

[3] 林祚顶，朱春龙，余达征，等. 水文现代化与水文新技术[M]. 2008: 74,100-103.

[4] 刘晓凤，张滨. 电磁流速仪在水文测验中的应用[J]. 气象水文海洋仪器，2008 (12): 47.

[5] 王凯，叶冬. 东海三定点周日海流观测的准调和分析[J].海洋科学，2007 (8): 61.

[6] 宁丽娟，吴桂才，宋启明，等. 便携式电磁流速仪设计初探[J]. 仪器仪表与检测技术，2012 (5): 68-71.

[7] JFE Advantech CO-Ltd Kobe Sales Department .Calibration sheet Instrument Cable-type Electromagnetic Current Meter AEM-RS [EB/OL]. [2013-01-23]. http://www.jfe-advantech.co.jp/eng/.

[8] JFE Advantech CO-Ltd Kobe Sales Department. compact 系列 RS 通讯协议 [EB/OL]. [2013-01-23].http://www.jfe-alec.com.

[9] 邵贝贝，宫辉. 嵌入式系统中的双核技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2008 (8): 2-12.

[10] 孙同景，陈桂友. Freescale 9S12 十六位单片机原理及嵌入式开发技术[M]. 北京：机械工业出版社，2008 (7): 1-24.