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梧州-肇庆试验区地下水在线远程监测系统设计

范文

田斌杨泽远王威刘畅

摘要：针对珠江-西江经济带，梧州-肇庆流域的水域地质环境及地下水监测野外工作现状，研制一套环境适应性强的地下水动态在线监测系统。系统主要由监测传感器装置、远程数据传输装置及终端平台组成。地下水监测系统中的供电部分采用太阳能发电方式，解决了偏远地区取电困难的问题，实现自动化、智能化供电。监测数据采用GPRS传输方式，将采集到的数据传到监测平台。野外试验表明系统运行状况良好，实现了自动化采集及远程传输，提高了工作效率。

关键词：数据传输;传感器;自动化采集;地下水监测系统

DOI：10. 11907/rjdk. 182481 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP319文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2019）007-0112-03

The Groundwater On-line Remote Monitoring System of

Wuzhou-Zhaoqing Test Area

TIAN Bin1，2，YANG Ze-yuan1，WANG Wei2，LIU Chang2

（1. Hubei Video Image and High Definition Projection Engineering Technology Research Center， Wuhan Institute of Technology;

2. National Engineering Research Center of Phosphate Resources Development and Utilization，Wuhan 430077， China）

Abstract： Aiming at the situation of water geological environment and groundwater monitoring field work in the Zhujiang - Xijiang economic belt， Wuzhou-Zhaoqing river basin， a dynamic on-line groundwater monitoring system with strong environmental adaptability is developed. The system is mainly composed of monitoring sensor device， remote data transmission device and terminal platform， the power supply part of the groundwater monitoring system uses solar power to solve the problem of difficulty in obtaining electricity in remote areas and realizing automation and intelligent power supply. GPRS is used to transmit the collected data back to the monitoring platform， and the field tests show that the？system？runs？well， automatic acquisition and remote transmission of the system are realized， and work efficiency is improved.

Key Words： data transmission; sensor; automatic acquisition; groundwater monitoring system

基金项目：湖北省自然科学基金项目（2016CFC758）;武汉工程大学研究生教育创新基金项目（CX2017059）

作者简介：田斌（1975-），男，博士，武汉工程大学湖北省视频图像与高清投影工程技术研究中心、国家磷资源开发利用工程技术研究中心副教授，研究方向为地下水资源计算与评价。

0 引言

地下水因水质良好、水量稳定、开采便利，是城市用水、农业灌溉、工矿用水的优质供水水源[1]。随着经济的发展，人们对水资源的需求不断增长。由于长期的过度开采，处理失当，导致地下水水位持续下降，水质恶化，地下水资源受到破坏[2-3]。

随着环境保护意识的提高，地下水水质监测与研究得到重视，在线地下水监测系统因其方便应用、节省资源、数据实时采集上传等优点，在地下水环保工作中发挥着越来越重要的作用[4-5]。

美国和荷兰是地下水监测系统较为发达的国家，美国的地下水监测由内政部直属的地质调查局负责，大约建有16 000个地下水长期监测点[6]，约330km2有一个监测点[7-9]。荷兰对地下水的监测管理则由各省负责，而信息管理则由TNO应用地学研究所负责[10]，荷兰在很早之前就建立了全国的地下水自动监测网。

目前我国地下水监测系统研究远落后于发达国家，部分地区的监测还需要人工定期采样[11-12]。随着绿色可持续发展理念的普及，国家对自动化信息化的地下水监测也越来越重视。2017-2018年一年间，我国完成新建自动化地下水监测站点7 313个，老旧站点改造2 602个[13-15]。经过多年努力，我国地下水监测工程取得重大进展，90%以上的地下水监测站点建设完成[16-17]。基于网络的信息储存、發布、共享系统目前处于起步探索阶段，该系统结构简单、稳定性好、易于维护、安装简便。在设计数据库时留有可随意扩充的字段，扩展性强，针对不同监测需求能及时进行调整，对被测参数进行扩充，升级监测系统更加方便。

1 系统概述

地下水在线监测系统，通过监测设备采集监测点的水温、水位、PH值、溶解氧等水文相关数值，并实时传递给服务器，让监测人员在任何地方都能了解监测点最新数据。通过这些数据不仅能够了解区域内环境状况，还能对区域未来环境状况作出预测，对未来的经济开发、农业灌溉或环境保护作出合理规划[17-19]。

地下水在线监测系统设计原则如下：

（1）稳定性。由于地下水监测系统是全天候工作，而且大多数监测点地处偏远地区，存在环境恶劣、维护及供电困难等问题，所以地下水监测系统要求具有良好的稳定性，能够应对连续恶劣天气。

（2）实时性。系统要能实时采集传输处理可靠数据，使管理者及时了解地下水状况，对各种突发状况采取有效措施，便于管理者决策。

（3）可扩展性。地下水监测技术发展很快，监测系统要不断更新，同时，不同地区所需监测量不同，同一地区随着环境变化所需要监测的参数也会改变，所以，不论是硬件还是软件，系统都需要一定的可扩展性，以方便根据监测需求增加相应功能。

（4）操作简便性。在系统开发过程中需要从用户角度设计简单方便的操作系统。

2 系统设计

地下水在线监测系统由前端监测主机、监测平台等部分组成。前端主机根据需要采集水文资料，通过GPRS模块将数据发送到服务器保存，不同的监测点GPRS所使用的SIM卡不同，在监测平台设置好编号后用来区分各个监测点，服务器接收发回的数据后储存在监测系统数据库中，在线监测平台调用服务器中的数据，通过网页将数据呈现。

2.1 监测设备主机

系统采用太阳能供电的上位机，集成传感器采集模块和GPRS数据传输模块进行数据采集与传输。因为监测点大都地处偏远无电地区，所以使用太阳能电池板与可充电电池配合。太阳能供电方式受季节和监测点地理位置影响很大，经过测试最终选用100W、12V的单晶硅太阳能电池板和36AH的蓄电池进行观测站点循环供电，保证监测设备持续运行。

图1 系统结构

根据梧州-肇庆试验区地下水监测需求，对地下水水位、水温、PH值、溶氧度以及监测点雨量等5个参数进行监测。采用水位传感器、PH值传感器、溶解氧传感器（集成水温传感器）、雨量筒5个传感器分别对各项数据进行测量。

2.2 在线监测平台

系统采用B/S（Browser/Server）架构，也就是浏览器/服务器模式，用户不需要安装专门的客户端，只需在服务器上安装postgreSQL数据库即可通过浏览器访问监测平台，大大减轻了机器负担，技术维护人员也可把精力放在服务器程序的维护更新上。

在线监测平台网页集监测、报警于一体，支持局域网和广域网，用户通过网页界面完成相关功能操作，可以在线查询、插入和修改数据库中的相关数据。系统采用GIS图集和传统数据格式相结合的展现方式，将各个设备的分布点显示在地图上，每个点都有相应的数据信息，点击分布点就可显示该监测点的实际数据，方便用户查看、操作。

2.2.1 在线监测网站功能

监测网站的功能设计是软件开发非常重要的一步，结合用户使用习惯设计出合理的网站功能结构如图2所示。

图2 水功能管理模块

地下水监测系统功能分支较多，若全部关联在一起则较为复杂，所以将众多功能分开实现，既便于系统维护，又使界面简单明了，方便用户使用。系统分为水质监测管理、水质监测与统计、后台管理等功能，其下又分为详细的基础功能。

水质监测管理由自动工作站、监测点报警、地下水监测等基础功能组成。自动工作站实时记录所有监测点的总雨量、实时雨量、PH值、水位、溶解氧、水温等数据，将数据按照测量时间倒序排列，用户可选择时间段查询所需数据信息，选择详细信息后对所选信息进行修改和删除，可以Excel格式将所选信息下载到本地。监测点报警模块提前在数据库中设置警报阈值，当系统运行故障或所监测数据异常，在阈值范围外时，监测点报警记录异常数据，并发出警报以便采取相应的解决方案。

水质监测与统计主要是对监测数据进行查询，显示从系统启动时至当前时间的全部数据报表，可通过选择时间、数据类型、测量值范围对监测数据进行精确查询，可将这些数据以Excel格式导出。图形报表则是将监测数据以图形的形式展现出来，使用者能更加直观地了解监测点水质情况和变化趋势。

基础数据维护可对监测点信息、厂商信息、报表信息、设备字段名、报警等级数据等进行增加、修改、删除操作。

后台管理模块对用户信息及用户权限进行管理，对系统进行维护，主页还能设置新闻信息。

2.2.2 数据库设计

数据库设计的好坏直接关系到系统运行是否稳定以及后期维护是否方便，所以要根据用户要求建立合理的数据库，同时还要考虑后期的扩展维护问题。根据采集数据类型、采集设备和采集时间记录历史数据，如表1所示。

表1 历史数据

为使用户及时了解监测数据的异常，建立字段报警表格如表2所示。

表2 字段报警

3 结语

本文设计的地下水监测系统在珠江-西江流域实验地区进行了长时间测试和多次反复调试，积累了大量运行经验，解决了监测仪器设备供电不足、通讯中断、功耗过高等问题，完善了系统的准确性和稳定性，实现了地下水监测数据的实时动态远程传输。该系统在连续多日无阳光照射及阴雨天气状态下运行正常，特别是经受了封开二月份月平均日照时间仅有67.9小时的考验，达到在任何地方都可通过互联网远程访问地下水资源监测设备，进行远程管理、查看实时数据的设计要求，進一步验证了本系统的可靠性。

由于监测点复杂的地质环境和人类活动对地下水水质的巨大影响，水质变化对PH传感器等设备有一定影响，所以要针对不同监测点的水质状况调整PH传感器养护方案。

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（责任编辑：杜能钢）

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