水質(zhì)監(jiān)測(cè)采樣點(diǎn)信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周史強(qiáng)　羅勇

摘要：文章針對(duì)目前水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采樣的實(shí)際情況及存在問題，設(shè)計(jì)了一套采信息采集系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠把水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)可測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)、采樣點(diǎn)位置以及相關(guān)背景數(shù)據(jù)等信息實(shí)時(shí)采集并傳輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室相關(guān)信息管理系統(tǒng)（LIMS），并對(duì)采樣點(diǎn)位置進(jìn)行約束與監(jiān)控，同時(shí)利用二維碼技術(shù)，對(duì)樣品進(jìn)行登記，便于樣品管理。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)采樣；傳感器；GPSGPRS；二維碼

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）10-0134-03

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和人民生活水平的提高，社會(huì)各界對(duì)水資源短缺和水環(huán)境惡化的關(guān)注程度越來越高，水作為一種重要資源，已成為社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。水質(zhì)信息已經(jīng)成為政府決策不可或缺的重要信息。水質(zhì)監(jiān)測(cè)部門作為國家水資源保護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)部門，肩負(fù)著采樣點(diǎn)布控、樣品采集、樣品分析、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析的重任，有責(zé)任為各級(jí)水利主管部門提供及時(shí)、準(zhǔn)確和完備的信息支持，而要提供可靠的信息，采樣點(diǎn)的布控與正確規(guī)范采樣模式是前提，它決定著監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能否真正反映水體的狀況。

由于水流域各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布范圍廣、數(shù)量多、距離遠(yuǎn)，地處偏僻，同時(shí)，由于突發(fā)性水污染事故的增加而導(dǎo)致不確定斷面的增加，加上人力、物力等因素限制，不可能對(duì)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的所有監(jiān)測(cè)量建立水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也不可能覆蓋全部水質(zhì)監(jiān)測(cè)參數(shù)。因此，大部分水質(zhì)監(jiān)測(cè)參數(shù)都是由采樣人采集樣品后運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行集中檢測(cè)，這就涉及到采樣規(guī)范、準(zhǔn)確、樣品交接與管理以及采樣點(diǎn)相關(guān)信息錄入方便、及時(shí)的問題。

1 目前水質(zhì)監(jiān)測(cè)采樣點(diǎn)信息采集方式

目前大部分水質(zhì)監(jiān)測(cè)部門進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采樣方式為：首先由監(jiān)測(cè)人員到各流域進(jìn)行采樣點(diǎn)斷面布置，然后按照采樣計(jì)劃由采樣人員坐車船到各個(gè)采樣點(diǎn)斷面進(jìn)行采樣。對(duì)于要求現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的參數(shù)（如水溫、溶解氧、pH值等），主要利用攜帶的玻璃溫度計(jì)、pH計(jì)等一些簡(jiǎn)單儀器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)出（如現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量不方便，取樣后到實(shí)驗(yàn)室立即測(cè)試），然后用筆記錄在采樣單上，同時(shí)記錄諸如斷面背景信息等一些相關(guān)信息后，帶到實(shí)驗(yàn)室手工錄入到實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)（LIMS是集現(xiàn)代化管理思想與計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的用于分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)室信息管理和控制的一項(xiàng)嶄新的應(yīng)用技術(shù)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、管理科學(xué)與分析技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。它集樣品管理、質(zhì)控管理、資源管理、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)管理等于一體，通過它，實(shí)驗(yàn)室可以達(dá)到自動(dòng)化運(yùn)行、信息化管理和無紙化辦公的目的，對(duì)實(shí)驗(yàn)室提高工作效率、降低運(yùn)行成本及快速準(zhǔn)確的提供信息起到至關(guān)重要的作用）；對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)不能檢測(cè)的參數(shù)，利用采樣瓶采集水樣然后貼上手寫標(biāo)簽，送到實(shí)驗(yàn)室由樣品管理人員向LIMS系統(tǒng)進(jìn)行樣品的交接、登記等處理，然后由檢測(cè)人員領(lǐng)用后進(jìn)行其它參數(shù)的集中檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果通過儀器接口直接傳輸?shù)絃IMS系統(tǒng)，然后數(shù)據(jù)匯總后進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一分析、處理。

2 問題分析

在這種模式的采樣過程中存在著如下問題：采樣點(diǎn)采樣斷面的位置確定不十分準(zhǔn)確，僅靠肉眼觀察，與有關(guān)參照物進(jìn)行比較，偏差比較大，有可能影響檢測(cè)結(jié)果是否具有代表性；水溫、濁度、pH值等一些現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)手工記錄不能輕松對(duì)接LIMS系統(tǒng)而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)二次錄入問題；樣品編碼手工填寫，唯一標(biāo)志不明確，不含關(guān)聯(lián)信息，導(dǎo)致樣品接收記錄處理不清楚，重復(fù)錄入問題；采樣人員是否到正確地點(diǎn)進(jìn)行了采樣，如何對(duì)采樣人員進(jìn)行約束，確保數(shù)據(jù)的正確性問題；如何提高采樣效率等問題。

這些都反映了人工管理采樣模式已無法適應(yīng)信息化對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的需要，同時(shí)也給水環(huán)境監(jiān)測(cè)部門提出了一個(gè)應(yīng)引起重視的問題：如何建立起實(shí)用性強(qiáng)、覆蓋面廣、靈活性好且簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、便于攜帶的水質(zhì)監(jiān)測(cè)采樣點(diǎn)信息采集系統(tǒng)，從而達(dá)到最終滿足各方面對(duì)水環(huán)境監(jiān)測(cè)信息的需求。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一套能夠把水質(zhì)監(jiān)測(cè)采樣點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)可測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)、采樣點(diǎn)位置信息、以及相關(guān)背景數(shù)據(jù)等信息實(shí)時(shí)采集并無線傳輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室接收系統(tǒng)的系統(tǒng)，這套系統(tǒng)還能對(duì)采集點(diǎn)進(jìn)行約束與監(jiān)控，確保監(jiān)測(cè)樣品的數(shù)據(jù)的能真正反映水體的狀況，同時(shí)利用二維碼技術(shù)，把樣品信息與采樣點(diǎn)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以便于樣品的接收與領(lǐng)用。此系統(tǒng)主要由三部分組成，即中心接收系統(tǒng)、采樣點(diǎn)采樣系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)。各采樣點(diǎn)采樣系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集模板（由GPS、傳感器等組成）采集相關(guān)信息，然后通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)與中心接收系統(tǒng)（如LIMS）進(jìn)行數(shù)據(jù)信息通信，向中心接收系統(tǒng)上傳采樣的時(shí)間、溫度、經(jīng)緯度、流速及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得水質(zhì)數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)，中心接收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)及時(shí)顯示、處理、存貯、匯總及指令回饋，同時(shí)，此系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該靈活、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且便于攜帶。設(shè)想圖如圖1所示：

4 實(shí)現(xiàn)方案

4.1 用集成的一次傳感器來解決現(xiàn)場(chǎng)的可測(cè)項(xiàng)目

目前傳感器正向小型化、集成化和多功能化方向發(fā)展。一次傳感器就是將眾多同類型的單個(gè)傳感器集合成一維線型或二維陣列型傳感器，或?qū)鞲衅髋c調(diào)理、補(bǔ)償?shù)入娖骷梢惑w化。由此實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的檢測(cè)，從而給人們的科學(xué)研究和日常生活帶來更大的便利。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)一次傳感器（如多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀等）主要由可測(cè)量的基本水質(zhì)參數(shù)（如PH值、DO、濁度、水溫、電導(dǎo)）等各種傳感器構(gòu)成。現(xiàn)場(chǎng)采樣時(shí)通過數(shù)據(jù)采集模塊自動(dòng)采集采樣點(diǎn)信息，可采用多通道差分隔離模擬量輸入采集模塊，通過RS232接口與GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端相連，通過GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端內(nèi)置嵌入式處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到GSM網(wǎng)絡(luò)。中心系統(tǒng)接收現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)程終端傳送的數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)信息；通過接口與LIMS系統(tǒng)連接，匯總后形成各用戶數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)可顯示各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)，并可提供各種查詢、統(tǒng)計(jì)功能，可根據(jù)用戶要求形成各種趨勢(shì)圖，形成相應(yīng)的報(bào)表打印，并負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行分類、篩選和綜合分析。

4.2 用全球定位系統(tǒng)GPS技術(shù)進(jìn)行定位，確定采樣點(diǎn)的詳細(xì)位置信息endprint

全球定位系統(tǒng)（Globa lPositioning System，縮寫GPS）是美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機(jī)三大部分組成。按定位方式，GPS定位分為單點(diǎn)定位和相對(duì)定位（差分定位）。單點(diǎn)定位就是根據(jù)一臺(tái)接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來確定接收機(jī)位置的方式，它只能采用偽距觀測(cè)量，可用于車船等的概略導(dǎo)航定位。相對(duì)定位（差分定位）是根據(jù)兩臺(tái)以上接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來確定觀測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位置的方法，它既可采用偽距觀測(cè)量也可采用相位觀測(cè)量，大地測(cè)量或工程測(cè)量均應(yīng)采用相位觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位。在進(jìn)行控制網(wǎng)觀測(cè)時(shí)，一般均采用這種方式由幾臺(tái)接收機(jī)同時(shí)觀測(cè)，它能最太限度地發(fā)揮GPS的定位精度，在水質(zhì)采樣過程中，由于每次的采樣人都分成幾個(gè)組，因此可運(yùn)用相對(duì)定位來進(jìn)行確定采樣點(diǎn)的位置。

全球定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應(yīng)用廣的特點(diǎn)，是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。同時(shí)，接收中心系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)了解采樣人的采樣位置，對(duì)采樣人是否在正確的采樣地點(diǎn)進(jìn)行采樣進(jìn)行約束，這樣使采樣地點(diǎn)的準(zhǔn)確性得到保障。

4.3 采用GSM/GPRS移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)傳輸

目前，中心與各采樣點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信主要采用手工抄錄登記方式。即采樣人把當(dāng)時(shí)的可測(cè)信息記錄完全后再送到中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行集中登記，這樣時(shí)效性就無從談起，也不能及時(shí)得知采樣點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)參數(shù)信息，并且與LIMS系統(tǒng)的接口無從談起，只會(huì)增添重復(fù)勞動(dòng)。同時(shí)，由于采樣點(diǎn)數(shù)量多、距離遠(yuǎn)，地處偏僻的原因，不可能采用有線通訊方式，只能采用無線通訊。

GPRS在GSM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種無線分組交換的數(shù)據(jù)承載和傳輸網(wǎng)絡(luò)，它將無線通信與因特網(wǎng)緊密結(jié)合，是一種先進(jìn)的、全新的無線網(wǎng)絡(luò)承載手段。采用GSM公網(wǎng)平臺(tái)，具有組網(wǎng)靈活、速度快（其傳輸速度可達(dá)171.2kb/s）、運(yùn)行費(fèi)用低，維護(hù)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高，且數(shù)據(jù)通信覆蓋范圍廣，擴(kuò)容無限制，接入地點(diǎn)無限制，安全性比較高，能滿足山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和跨地區(qū)的接入需求，能很好解決由于采集點(diǎn)數(shù)量眾多，分布范圍廣，地理位置分散、偏僻問題。

因此，可以考慮采用GPRS無線傳輸方式解決采樣點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸問題。由于GPRS通信是基于IP地址的數(shù)據(jù)分組通信網(wǎng)絡(luò)，中心服務(wù)器申請(qǐng)配置固定IP地址，通過公網(wǎng)使用VPN接入到移動(dòng)GPRS網(wǎng)。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)GSM網(wǎng)絡(luò)空中接口功能模塊同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼處理，轉(zhuǎn)換成在公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送的格式，通過中國移動(dòng)的GPRS無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，最終傳送到中心IP地址。中心RADIUS服務(wù)器接受到GPRS網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)后先進(jìn)行AAA認(rèn)證，后傳送到中心計(jì)算機(jī)主機(jī)，通過系統(tǒng)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行還原顯示，實(shí)現(xiàn)PH、溶解氧、溫度等瞬時(shí)測(cè)量、超標(biāo)自動(dòng)報(bào)警、數(shù)據(jù)自動(dòng)歸檔等功能，則可以第一時(shí)間初步掌握各采樣點(diǎn)的水質(zhì)情況，對(duì)水質(zhì)超標(biāo)斷面及時(shí)采取措施，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后輸入到LMIS系統(tǒng)。

這樣，就很好的解決了手工數(shù)據(jù)錄入問題，也很好的滿足對(duì)數(shù)據(jù)采集和傳輸實(shí)時(shí)性的要求。

4.4 采用二維碼技術(shù)，解決樣品管理中樣品信息重復(fù)手工錄入問題

二維碼是用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面（二維方向）分布的黑白相間的圖形記錄數(shù)據(jù)符號(hào)信息的；在代碼編制上巧妙地利用構(gòu)成計(jì)算機(jī)內(nèi)部邏輯基礎(chǔ)的“0”、“1”比特流的概念，使用若干個(gè)與二進(jìn)制相對(duì)應(yīng)的幾何形體來表示文字?jǐn)?shù)值信息，通過圖象輸入設(shè)備或光電掃描設(shè)備自動(dòng)識(shí)讀以實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)處理。同時(shí)還具有對(duì)不同行的信息自動(dòng)識(shí)別功能、及處理圖形旋轉(zhuǎn)變化等特點(diǎn)。該技術(shù)一經(jīng)產(chǎn)生，便迅速推廣開來。采用二維碼技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物品的自動(dòng)化管理已成為當(dāng)今世界的大趨勢(shì)和重要手段。

樣品接收與管理是水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重要一環(huán)。在樣品管理中采用二維碼技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)樣品管理的自動(dòng)化管理，提高管理的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和及時(shí)性。由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)水樣具體資料經(jīng)常改變，故建議采用二維條碼?？梢愿鶕?jù)采樣計(jì)劃對(duì)每個(gè)斷面進(jìn)行編碼，根據(jù)采樣點(diǎn)把相關(guān)信息，如采樣時(shí)間，送樣人，采樣人等關(guān)聯(lián)在編碼上，貼在沒有現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)參數(shù)的水樣瓶上，在實(shí)驗(yàn)室通過PDA分辨樣品標(biāo)志，并與LIMS系統(tǒng)接口相聯(lián)，直接把接收的樣品信息錄入到信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，來解決樣品接收、領(lǐng)用等手工操作的多種工序，實(shí)現(xiàn)了一次掃描，多種輸出的自動(dòng)化功能，從而即能提高效率，又能解決樣品唯一性標(biāo)志問題。應(yīng)用二維碼技術(shù)的LIMS系統(tǒng)充分體現(xiàn)出計(jì)算機(jī)采集、存儲(chǔ)、處理和交換信息的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和快速性，以及二維碼掃描技術(shù)的快速、準(zhǔn)確、低成本、高可靠性獲取信息等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)語

由以上介紹可以看出，采用世界領(lǐng)先的GPS衛(wèi)星定位技術(shù)、GSM/GPRS全球移動(dòng)通訊技術(shù)、二維碼技術(shù)、傳感器技術(shù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，在現(xiàn)有GSM公眾網(wǎng)的基礎(chǔ)上開發(fā)的一套采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)采集綜合系統(tǒng)，可以解決目前水環(huán)境監(jiān)測(cè)水質(zhì)采樣中的一些問題，特別是對(duì)于位置偏遠(yuǎn)、非固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水樣采集有著積極作用。此套方案同時(shí)還提供了與其它應(yīng)用系統(tǒng)提供接口，系統(tǒng)成功應(yīng)用將為各級(jí)水利主管部門提供及時(shí)、準(zhǔn)確和完備的信息支持有著重要的意義。endprint