水质监测采样点信息采集系统设计与实现

周史强　罗勇

摘要：文章针对目前水质监测点采样的实际情况及存在问题，设计了一套采信息采集系统，此系统能够把水质监测点现场可测参数数据、采样点位置以及相关背景数据等信息实时采集并传输到实验室相关信息管理系统（LIMS），并对采样点位置进行约束与监控，同时利用二维码技术，对样品进行登记，便于样品管理。

关键词：水质采样；传感器；GPSGPRS；二维码

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）10-0134-03

随着经济的发展、社会进步和人民生活水平的提高，社会各界对水资源短缺和水环境恶化的关注程度越来越高，水作为一种重要资源，已成为社会和经济发展的重要因素。水质信息已经成为政府决策不可或缺的重要信息。水质监测部门作为国家水资源保护系统的技术部门，肩负着采样点布控、样品采集、样品分析、数据采集、数据分析的重任，有责任为各级水利主管部门提供及时、准确和完备的信息支持，而要提供可靠的信息，采样点的布控与正确规范采样模式是前提，它决定着监测数据能否真正反映水体的状况。

由于水流域各个监测点分布范围广、数量多、距离远，地处偏僻，同时，由于突发性水污染事故的增加而导致不确定断面的增加，加上人力、物力等因素限制，不可能对所有监测点的所有监测量建立水质自动监测系统，同时移动监测系统也不可能覆盖全部水质监测参数。因此，大部分水质监测参数都是由采样人采集样品后运送到实验室进行集中检测，这就涉及到采样规范、准确、样品交接与管理以及采样点相关信息录入方便、及时的问题。

1 目前水质监测采样点信息采集方式

目前大部分水质监测部门进行水质监测点采样方式为：首先由监测人员到各流域进行采样点断面布置，然后按照采样计划由采样人员坐车船到各个采样点断面进行采样。对于要求现场监测的参数（如水温、溶解氧、pH值等），主要利用携带的玻璃温度计、pH计等一些简单仪器现场测出（如现场测量不方便，取样后到实验室立即测试），然后用笔记录在采样单上，同时记录诸如断面背景信息等一些相关信息后，带到实验室手工录入到实验室信息管理系统（LIMS是集现代化管理思想与计算机技术为一体的用于分析测试实验室信息管理和控制的一项崭新的应用技术，是计算机技术、管理科学与分析技术结合的产物。它集样品管理、质控管理、资源管理、数据管理、网络管理等于一体，通过它，实验室可以达到自动化运行、信息化管理和无纸化办公的目的，对实验室提高工作效率、降低运行成本及快速准确的提供信息起到至关重要的作用）；对于现场不能检测的参数，利用采样瓶采集水样然后贴上手写标签，送到实验室由样品管理人员向LIMS系统进行样品的交接、登记等处理，然后由检测人员领用后进行其它参数的集中检测，检测数据结果通过仪器接口直接传输到LIMS系统，然后数据汇总后进行数据的统一分析、处理。

2 问题分析

在这种模式的采样过程中存在着如下问题：采样点采样断面的位置确定不十分准确，仅靠肉眼观察，与有关参照物进行比较，偏差比较大，有可能影响检测结果是否具有代表性；水温、浊度、pH值等一些现场数据的现场手工记录不能轻松对接LIMS系统而导致的数据二次录入问题；样品编码手工填写，唯一标志不明确，不含关联信息，导致样品接收记录处理不清楚，重复录入问题；采样人员是否到正确地点进行了采样，如何对采样人员进行约束，确保数据的正确性问题；如何提高采样效率等问题。

这些都反映了人工管理采样模式已无法适应信息化对水质监测的需要，同时也给水环境监测部门提出了一个应引起重视的问题：如何建立起实用性强、覆盖面广、灵活性好且简单、经济、便于携带的水质监测采样点信息采集系统，从而达到最终满足各方面对水环境监测信息的需求。

3 系统设计

设计一套能够把水质监测采样点现场可测项目数据、采样点位置信息、以及相关背景数据等信息实时采集并无线传输到实验室接收系统的系统，这套系统还能对采集点进行约束与监控，确保监测样品的数据的能真正反映水体的状况，同时利用二维码技术，把样品信息与采样点信息进行关联，以便于样品的接收与领用。此系统主要由三部分组成，即中心接收系统、采样点采样系统、通讯系统。各采样点采样系统通过数据采集模板（由GPS、传感器等组成）采集相关信息，然后通过数据通信系统与中心接收系统（如LIMS）进行数据信息通信，向中心接收系统上传采样的时间、温度、经纬度、流速及现场测得水质数据、定位数据，中心接收系统实现动态及时显示、处理、存贮、汇总及指令回馈，同时，此系统设计应该灵活、简单、经济且便于携带。设想图如图1所示：

4 实现方案

4.1 用集成的一次传感器来解决现场的可测项目

目前传感器正向小型化、集成化和多功能化方向发展。一次传感器就是将众多同类型的单个传感器集合成一维线型或二维阵列型传感器，或将传感器与调理、补偿等电器集成一体化。由此实现多参数的检测，从而给人们的科学研究和日常生活带来更大的便利。

水质监测一次传感器（如多参数水质监测仪等）主要由可测量的基本水质参数（如PH值、DO、浊度、水温、电导）等各种传感器构成。现场采样时通过数据采集模块自动采集采样点信息，可采用多通道差分隔离模拟量输入采集模块，通过RS232接口与GPRS透明数据传输终端相连，通过GPRS透明数据传输终端内置嵌入式处理器对数据进行处理、协议封装后发送到GSM网络。中心系统接收现场监测点远程终端传送的数据传输的监测信息；通过接口与LIMS系统连接，汇总后形成各用户数据库。系统可显示各监测点的实时数据、历史数据，并可提供各种查询、统计功能，可根据用户要求形成各种趋势图，形成相应的报表打印，并负责对监测信息进行分类、筛选和综合分析。

4.2 用全球定位系统GPS技术进行定位，确定采样点的详细位置信息endprint

全球定位系统（Globa lPositioning System，缩写GPS）是美国第二代卫星导航系统。由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。在进行控制网观测时，一般均采用这种方式由几台接收机同时观测，它能最太限度地发挥GPS的定位精度，在水质采样过程中，由于每次的采样人都分成几个组，因此可运用相对定位来进行确定采样点的位置。

全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。同时，接收中心系统可以实时了解采样人的采样位置，对采样人是否在正确的采样地点进行采样进行约束，这样使采样地点的准确性得到保障。

4.3 采用GSM/GPRS移动数据传输网络，实现信息的实时传输

目前，中心与各采样点之间的数据通信主要采用手工抄录登记方式。即采样人把当时的可测信息记录完全后再送到中心实验室进行集中登记，这样时效性就无从谈起，也不能及时得知采样点的现场监测参数信息，并且与LIMS系统的接口无从谈起，只会增添重复劳动。同时，由于采样点数量多、距离远，地处偏僻的原因，不可能采用有线通讯方式，只能采用无线通讯。

GPRS在GSM基础上发展起来的一种无线分组交换的数据承载和传输网络，它将无线通信与因特网紧密结合，是一种先进的、全新的无线网络承载手段。采用GSM公网平台，具有组网灵活、速度快（其传输速度可达171.2kb/s）、运行费用低，维护简单、性价比高，且数据通信覆盖范围广，扩容无限制，接入地点无限制，安全性比较高，能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求，能很好解决由于采集点数量众多，分布范围广，地理位置分散、偏僻问题。

因此，可以考虑采用GPRS无线传输方式解决采样点监测数据的实时传输问题。由于GPRS通信是基于IP地址的数据分组通信网络，中心服务器申请配置固定IP地址，通过公网使用VPN接入到移动GPRS网。现场监控点采集的数据经GSM网络空中接口功能模块同时对数据进行解码处理，转换成在公网数据传送的格式，通过中国移动的GPRS无线数据网络进行传输，最终传送到中心IP地址。中心RADIUS服务器接受到GPRS网络传来的数据后先进行AAA认证，后传送到中心计算机主机，通过系统软件对数据进行还原显示，实现PH、溶解氧、温度等瞬时测量、超标自动报警、数据自动归档等功能，则可以第一时间初步掌握各采样点的水质情况，对水质超标断面及时采取措施，并进行数据处理，然后输入到LMIS系统。

这样，就很好的解决了手工数据录入问题，也很好的满足对数据采集和传输实时性的要求。

4.4 采用二维码技术，解决样品管理中样品信息重复手工录入问题

二维码是用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的；在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。同时还具有对不同行的信息自动识别功能、及处理图形旋转变化等特点。该技术一经产生，便迅速推广开来。采用二维码技术，实现物品的自动化管理已成为当今世界的大趋势和重要手段。

样品接收与管理是水质监测的重要一环。在样品管理中采用二维码技术，可以实现样品管理的自动化管理，提高管理的科学性、准确性和及时性。由于监测点水样具体资料经常改变，故建议采用二维条码。可以根据采样计划对每个断面进行编码，根据采样点把相关信息，如采样时间，送样人，采样人等关联在编码上，贴在没有现场检测参数的水样瓶上，在实验室通过PDA分辨样品标志，并与LIMS系统接口相联，直接把接收的样品信息录入到信息系统数据库中，来解决样品接收、领用等手工操作的多种工序，实现了一次扫描，多种输出的自动化功能，从而即能提高效率，又能解决样品唯一性标志问题。应用二维码技术的LIMS系统充分体现出计算机采集、存储、处理和交换信息的科学性、准确性和快速性，以及二维码扫描技术的快速、准确、低成本、高可靠性获取信息等优点。

5 结语

由以上介绍可以看出，采用世界领先的GPS卫星定位技术、GSM/GPRS全球移动通讯技术、二维码技术、传感器技术及计算机网络通信与数据处理技术，在现有GSM公众网的基础上开发的一套采样点数据采集综合系统，可以解决目前水环境监测水质采样中的一些问题，特别是对于位置偏远、非固定监测点的水样采集有着积极作用。此套方案同时还提供了与其它应用系统提供接口，系统成功应用将为各级水利主管部门提供及时、准确和完备的信息支持有着重要的意义。endprint