城市地下水质安全监测系统的设计与实现

文／杜瑞、杨丽茜 青海省水文水资源测报中心 青海西宁 810001

1、系统总体方案设计

1.1 系统需求分析

（1）传感器的选择。传感器在整个安全检测系统中占据重要地位，其主要负责收集水文数据，这些水文数据是判断城市地下水水质及其安全性的首要依据。因此，设计人员要根据该城市所处地域以及实际检测需要选择传感器。一般而言，城市地下水水质安全检测系统所需要应用到的传感器，包括氯离子选择传感器、电导率传感器、温度传感器、浊度计等数种，不过，不同城市的检测需求也有所不同，设计人员还是要给根据实际需要对传感器进行增减，以保证安全检测成效。

（2）嵌入式平台的选择。嵌入式平台可以对整个安全监测系统进行有效控制，同时还与无线通信网络相连接，对于城市地下水质安全监测系统的建设与管理具有极为重要的作用。而在选择嵌入式平台时，设计人员需要考虑到性能和功耗两方面因素，其性能必须要足以满足城市地下水质安全检测系统运行需要，而其功耗则要尽可能降低，以减少其运行所需要的能源，延长其运行周期和使用寿命，达到节能减排的效果。

（3）对系统架构的设计，系统结构是系统设计的重要内容，而要设计出一套具备针对性与实效性的系统架构，设计人员还需要对系统应用的实际环境加以研究，从而设计出最适合当前应用的系统架构。

（4）系统可靠性需求。安全监测系统最重要的就是要保证该系统的稳定性与可靠性，安全监测系统的运行成效直接决定着整座城市的用水安全，甚至关系到饮用水安全。一旦安全检测系统出现故障，且没有被及时发现，将会造成严重的公共卫生事件，因此在设计安全检测系统时，必须把系统的安全性与可靠性作为最主要的指标之一，在综合考虑之下再选择合适的设备与设施，并设置相应的安全防护程序，保证系统运行的安全与稳定。

（5）经济成本需求。这也是系统设计需求之一，设计人员在设计安全检测系统时，必须考虑到系统搭建所需要投入到的经济成本，要在保证系统性能的基础上，最大限度降低成本投入，选用最具性价比的设备，用最少的钱办最多的事。

1.2 系统功能模块划分及设计

（1）数据采集节点。数据采集节点的主要工作就是

2.3 系统特点

太阳能、市电、电池供电多种模式；长期、连续、定点在线监测，全自动无人值守工作；适合于各种水文地质类型含水层水文、水质监测；多通道数据采集传输设备，并有数据记录、处理、报警功能；根据野外环境，具备相应避雷保护、抗干扰功能，提高系统野外适应性；野外环境长期专用传感器，高精度、高稳定性；传感器多层抗生物污染设计；环境安全防垢部件和防垢涂层；独特的双清洗刷装置；标准化接口，模块化设计，安装简易、灵活，可根据需求扩展监测参数；采用光谱分析、电化学分析技术，对水体进行免试剂原位监测，不对环境产生二次污染。

3、地下水监测信息管理中心

3.1 系统架构

地下水监测信息管理系统集监控、报警于一体，支持局域网和广域网，用户可以在任何地方操作和使用，可实现地下水自动监测、无线传输的远程管理及浏览系统。系统主要包括监测孔信息管理、监测设备信息管理、通信设备的信息管理、用户及权限设置、日志记录、实时监测、数据查询、统计、报警及信息发布、人工置入数据等功能。系统具有响应召测的功能，可以随时在中心站的要求下，发送测得数据, 中心站随时控制现场及时响应。系统采用GIS 图集和传统数据格式相结合的展示方式，将各种设备的分布点显示在图上，每个点都有相应的数据信息，点击分布点就可以显示数据，方便用户的查看、操作。

3.2 测井信息管理

监测井管理的信息主要包括:统一编号、孔号、检测孔级别、检测孔类型、地理位置、经度、纬度、所属流域分区、所属水文地质分区、所属行政分区、地面标高、孔口标高、孔深、地下水类型、监测层位和建井时间等内容的添加、修改、删除及浏览、查询。

（1）该系统可以实时接收并显示现场的监测数据，并对监测参数的超标情况进行判断，发现异常及时报警，显示现场运行模式及故障状态。还可以结合电子地图对监测点位置进行直观展示。

（2）可以对接收到的数据进行某一个固定参数，与时间段和多个监测点的结果对比。展示的形式是以曲线图的形式进行展示，较为直观。

（3）可以对接收到的数据进行按时间段和参数的结果查询，展示的形式分为表格和曲线两种展示形式。还可以将查询的结果以定制的Excel 格式的形式进行输出。

3.3 数据的查询与统计

查询功能主要是方便用户快速检索监测井的基本信息、监测仪信息、通信设备信息等。

统计是对指定监测井指定时间段内的监测水位值进行统计，包括最大值、最小值和平均值等。统计功能主要是为了方便用户更全面地掌握井点的接收数据、水位标高和电量等信息。该功能将对井点的水位、水温及仪器电量等信息的平均值进行统计，方便用户了解井点情况。

3.4 水质数据的分析

通过对实时或历史的各类监测数据进行加工处理、分析。在对这些基础数据分析之前，平台会根据数据状态进行数据有效性检验，只有有效的数据才会成为业务分析的基础数据，其他故障数据将为监测设备的运行状态提供参考。

3.5 地下水水质评价

水质评价功能依据国家(GB3838- 2002)《地表水环境质量标准》、(GB/T 14848-93 )《地下水环境质量标准》及(GB 3097- 1997)《海水水质标准》，根据应实现的水域功能类别选取相应类别标准进行水体水质单因子评价。实时查看水质达标情况，并计算超标污染物的超标倍数，经过分析得出河流主要污染物类别、判定地下水水质主要污染物及海洋水环境质量状况等。

4、水质检测系统的运行

4.1 监测参数

监测参数功能可以使用户实时的了解到现场装有哪些传感器设备，都对哪些参数进行监测，通讯仪器的配置信息等。

4.2 设备状态

数采仪状态:远程监控到联网数据采集仪器的实时运行状况，及时了解到数采仪设备是否正常联网运行，如数据没有正常接收，可通过此处判断是否是数采仪故障。传感器状态:现场所安装的传感器实时运行状况是否正常，可以通过这里的参数运行值来实时地判断出来，如，判断仪器是否该清洗，是否在正常运行等情况。

4.3 数据自动回补

在日常现场仪器使用时，由于现场的情况所限，传输设备只能采用GPRS 无线传输技术，这种技术对现场网络信号要求较高。由于是在野外作业，现场的网络信号无法保证，可能会存在偶尔断网的情况，在这种情况发生时，会造成现场的数据没有正常上传，此时数据的自动回补功能就非常有必要，可以利用此功能要求现场的设备将数据重新上传一遍，从而保证了中心站的数据完整，不会因现场的网络状况不好，而引起中心站丢失数据的情况发生。

4.4 水站的GPS 定位

每个水站上都安装有GPS 定位设备，可以实时监控到当前浮标所在的位置，中心站软件平台上会结合地图的功能对位置进行展示，及时的确定浮标当前所处的位置，以及是否超出原有的既定范围。

4.5 设备远程控制

在各监控点、各托管站和环境监测中心实现双向操作、管理远程控制，实现水质监测站数据传输、现场工作状态、安全和参数超标报警等远程控制。可以对监测站现场的系统、仪器设备，进行远程参数设定和控制。

中心站远程向现场的仪器发送指令进行远程操控，完成中心站对远端的现场仪器的远程控制，做到监测者不用到现场也能完成对现场仪器的控制，极大方便了监测者的日常工作，提高了工作效率。用户进入系统时，需要进行身份验证，权限不同的用户对平台享有不同的访问权限。地下水水质自动监测系统的有效运行和效益发挥有赖于合理的运行方式和与之配套的管理制度。成立专业的队伍，制定严格的规章制度及其监督执行措施，是该系统正常运行的根本保证。系统运行、管理、维护要有明确岗位责任，按照实际需要定岗、定人、定责、定权。并由上一级管理部门负责考核，以确保岗位责任制的落实执行。

4.6 报警功能

报警功能是指对收到的传输信息进行预警，预警包括通信设备电量预警、水位异常预警、水温异常预警及通信设备所用SIM 卡信号等信息异常时进行报警。可以在后台设置数值预警界限，当监测数据到达一定标准时，会向管理者发送预警消息，可以第一时间了解情况。各区间统计工作完全由后台进行数据处理，无需人工进行相应操作，信息推送时间可以事先指定，内容包括:上一统计区间内用户所在站点综合数据信息、单项指标超限预警、首要污染物信息等。

4.7 移动终端访问

平台提供了移动终端访问服务，用户可以通过手机随时访问相关业务数据，及时地了解到监测点设备是否正常，以及当前监测的数据值是否有异常。

5、水质安全监测系统在水环境检查中的运用管理

随着人们的生活、生产水平得到满足,生活污水和工业废水对水资源的污染日益严重。为了监测地下水水质污染状况,水质监测站在此背景下应运而生。与国外先进国家相比,我国的水质自动监测系统还很薄弱，在水质自动监测站的管理以及质量控制方面存在一定的差距。由于不同地区的水资源及水质状况不同的,监测现场的实际情况也不相同,所以很难控制水质监测质量。因此,地下水安全监测系统的建立是发展的必然趋势,为了随时掌握水环境的水质变化规律,就要利用水质自动监测系统对被测水资源进行监测,观察水质的变化趋势,通过实验仪器对其进行数据分析,将监测结果作为环境管理、环境保护的重要依据,这是水环境监测过程进行质量控制的核心内容：（1）在进行水环境监测质量控制时,要做好事前控制工作。水资源监测质量的事前控制就是指预先控制,在监测之前进行预防控制，可以减少监测过程中出现的错误率,避免重复监测延误监测时间,浪费检测资源。（2）在水环境监测过程中进行质量控制。事中控制主要是对监测过程中的实验室和现场进行监测控制,保障在实验分析过程中遵守操作规程,保障水质样品质量的有效性。（3）对水资源监测进行后期的质量控制。在水资源监测过程完成后,要对其实验数据进行有效保存,以便后期使用, 完善质量控制体系。（4）为了保证监测仪器能够持续地提供有质量的数据，对监测仪器运营应建立质量保证程序。监测仪器的运营质量控制保证由维护、检修、校验、数据记录审核等几个阶段构成。

结语：

综上所述，城市地下水质安全检测系统在传感器选择、嵌入系统选择、系统架构设计、系统稳定性以及系统建设成本等五个方面具有较高的设计需求，为提高城市地下水质安全检测系统的设计成效，论文针对其设计需求从系统硬件平台设计、系统软件设计以及通信协议设计三个角度入手，提出多点具体的设计建议，可以有效提高系统设计水平。同时，为实现系统设计方案，论文还针对传感器、无线通信以及系统整体功能等三个角度提出具体的测试意见，对优化系统设计，实现系统功能具有重要意义。