一種基于北斗通導(dǎo)一體化的污水信息采集及處理方法

刁攀 李昕達(dá) 程建華 王婭 聶簡(jiǎn) 黃玥蕾 常樂

【摘 要】針對(duì)傳統(tǒng)污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在污水信息收集及處理效率較低的問題，論文提出了一種基于北斗通導(dǎo)一體化技術(shù)的污水監(jiān)測(cè)及信息處理方法。該方法利用布局在水域中的定點(diǎn)污水監(jiān)測(cè)浮標(biāo)和巡邏船動(dòng)靜結(jié)合的方式收集污水信息，并采用北斗短報(bào)文通信回傳信息。巡邏船采用北斗差分定位實(shí)現(xiàn)。污水監(jiān)測(cè)中心利用大數(shù)據(jù)分析采集到的污水信息，通過QT上位機(jī)進(jìn)行可視化處理。論文所提出的方法經(jīng)第一代污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證滿足實(shí)際需求。

【Abstract】Aiming at the problem of low sewage information collection and treatment efficiency in traditional sewage monitoring system， this paper puts forward a sewage monitoring and information treatment method based on BDS Integration technology of communication and navigation. This method uses association of activity and inertia that fixed point sewage monitoring buoys in water areas and the patrol ship to collect sewage information， and uses the short message communication back information of BDS. Patrol ship adopts BDS differential positioning. The sewage monitoring center uses big data analysis to collect sewage information， which is processed visually by QT upper computer. The method proposed in this paper is verified by the first generation of sewage monitoring system to meet the practical needs.

【關(guān)鍵詞】北斗短報(bào)文通信;污水監(jiān)測(cè)溯源;大數(shù)據(jù)處理;電源規(guī)劃

【Keywords】BDS short message communication; sewage monitoring and tracing; big data processing; power planning

【中圖分類號(hào)】TM76? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）06-0156-04

1 引言

目前，我國有超過30%的重要流域受到不同程度的污染[1]，水質(zhì)整治已迫在眉睫。就我國廣闊的海岸線以及內(nèi)陸復(fù)雜分布的河流而言，污水信息收集及處理方法是制約提升河流監(jiān)測(cè)能力的瓶頸所在[2]。

在污水信息收集方面，在內(nèi)陸河流、近岸海域等廣闊水域投放污水監(jiān)測(cè)傳感器的固定浮標(biāo)收集污水信息是目前國內(nèi)外常用的方法。固定浮標(biāo)配備pH識(shí)別、典型化學(xué)品濃度等傳感器設(shè)備，可通過傳感器監(jiān)測(cè)到的水質(zhì)信息有效監(jiān)測(cè)固定浮標(biāo)附近的污水信息[3]。但是對(duì)于水域中的白色垃圾等固體性質(zhì)的垃圾，卻難以有效識(shí)別。除此之外，傳統(tǒng)固定浮標(biāo)在數(shù)據(jù)傳輸方面，通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、短波電臺(tái)將浮標(biāo)的污水信息傳輸至數(shù)據(jù)處理中心。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)雖然實(shí)現(xiàn)成本相對(duì)較低，但是一方面無法脫離移動(dòng)基站的輔助，另一方面容易受到天氣等因素影響，容易形成通信盲區(qū)[4]。短波電臺(tái)作用范圍一般不超

50km，無法進(jìn)行超視距通信，大范圍的信息收集受到極大限制，因此有必要研究信息收集的新方法。

本研究鑒于傳統(tǒng)污水監(jiān)測(cè)方法的不足之處，采用浮標(biāo)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)與船體移動(dòng)監(jiān)測(cè)污水信息相結(jié)合的方法，獲取監(jiān)測(cè)水域全面實(shí)時(shí)的污水信息?；谝延袣v史數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)處理方法獲取同一時(shí)刻覆蓋全水域各點(diǎn)，全面的實(shí)時(shí)的污水信息。同時(shí)，利用我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱北斗系統(tǒng)）具有北斗技術(shù)通導(dǎo)一體化功能，即具有定位、定時(shí)和雙向簡(jiǎn)短報(bào)文通信三大功能，提高污水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力[5]。此方法為我國污水監(jiān)測(cè)提供了高效經(jīng)濟(jì)的新途徑，有效提高污水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)能力。

2 污水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸原理

本研究采用北斗短報(bào)文通信技術(shù)，彌補(bǔ)了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)及短波電臺(tái)污水信息傳輸?shù)牟蛔悖驹砣鐖D1所示。

北斗短報(bào)文通信系統(tǒng)由地球同步軌道（Geostationary Orbit， GEO）衛(wèi)星、主控站、污水信息中心處理站、污水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)組成，其中污水信息中心處理站接收機(jī)為指揮型接收機(jī)[6]。

北斗污水監(jiān)測(cè)短報(bào)文通信工作原理為：

①首先由浮標(biāo)或監(jiān)測(cè)船將包含接收方的ID和通信內(nèi)容的加密申請(qǐng)通信訊號(hào)通過GEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給北斗短報(bào)文主控站。

②中心控制站將申請(qǐng)通信訊號(hào)經(jīng)過脫密和加密處理加入持續(xù)廣播的出站廣播電文中，并經(jīng)由GEO衛(wèi)星進(jìn)行廣播。

③污水信息中心處理站接收機(jī)接收來自GEO的衛(wèi)星的廣播電文，通過ID匹配完成廣播電文的解調(diào)及信息提取。

3 大數(shù)據(jù)處理模型

在數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)的預(yù)處理又稱屬性值的規(guī)范化，屬性值有多種類型，包括效益型、成本型和區(qū)間型等[7]。這三種屬性，效益型屬性越大越好，成本型屬性越小越好，區(qū)間型屬性是在某個(gè)區(qū)間最佳。

在進(jìn)行決策時(shí)，一般要進(jìn)行屬性值的規(guī)范化，主要有如下三個(gè)作用：①屬性值有多種類型，上述三種屬性放在同一個(gè)表中不便于直接從數(shù)值大小判斷方案的優(yōu)劣，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，使得表中任一屬性下性能越優(yōu)的方案變換后的屬性值越大[8];②非量綱化，多屬性決策和評(píng)估的困難之一是屬性間的不可度性，在分析評(píng)價(jià)時(shí)，需要排除量綱的選用對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響;③歸一化，屬性值表中不同指標(biāo)的屬性值的數(shù)值大小差別很大，為了直觀，更為了便于采用各種多屬性決策和評(píng)估方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，需要把屬性值表中數(shù)值歸一化，即把表中數(shù)值均變換到[0，1]區(qū)間。

在本研究中，我們采用線性變換對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，本文SS，CIE，TDS為效益型屬性，pH，K，DO為成本型屬性。

原始的決策矩陣為A=（aij）m×n，變換后的決策矩陣記為B=（bij）m×n，i=1，…m;j=1，…，m。設(shè)是決策矩陣第j列中最大值，minaij是決策矩陣第j列中最小值，若x為效益型屬性，則

若xij為成本型屬性，則

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及構(gòu)成

基于北斗通導(dǎo)一體化理論和大數(shù)據(jù)處理理論，制作實(shí)物模型，設(shè)計(jì)并建立污水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)本研究提出的污水監(jiān)測(cè)及信息處理方法進(jìn)行驗(yàn)證。污水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)包括污水信息采集設(shè)計(jì)，北斗定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)、上位機(jī)設(shè)計(jì)。

4.1 污水信息采集設(shè)計(jì)

本研究采集污水信息所用載體是固定在江河上的定點(diǎn)浮標(biāo)以及巡邏船。定點(diǎn)浮標(biāo)固定在江河的某些位置，浮標(biāo)將會(huì)搭載多種污水監(jiān)測(cè)傳感器。巡邏船采用流線型外形，底部采用三階斷層式船底，減少運(yùn)行阻力，降低運(yùn)行能耗。定點(diǎn)浮標(biāo)設(shè)計(jì)參考圖2，移動(dòng)式船形污水監(jiān)測(cè)器如圖3。

污水信息采集使用pH傳感器、溫度傳感器、TDS離子濃度傳感器和濁度傳感器。pH傳感器檢測(cè)水的酸堿度，TDS主要檢測(cè)水中的Ca2+，Mg2+，Na+，K+等離子的濃度指標(biāo)，濁度傳感器檢測(cè)水中的懸浮顆粒，多種傳感器綜合反映水域的受污染程度。

巡邏船使用雙電池供電，其中動(dòng)力與傳感器被分開供電。工作系統(tǒng)使用開關(guān)+LDO兩級(jí)穩(wěn)壓的方式對(duì)模塊進(jìn)行穩(wěn)壓。應(yīng)用Altium Designer設(shè)計(jì)電路原理圖，Multisim印制電路板，電路原理圖如圖4所示。

使用Mutilsim進(jìn)行電源仿真并使用數(shù)字式萬用表進(jìn)行多次實(shí)際測(cè)量求取平均值，數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

4.2 北斗定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究使用北斗差分技術(shù)為巡邏船提供定位，空間部分GEO衛(wèi)星在發(fā)送基本導(dǎo)航信息的同時(shí)還可向用戶發(fā)送北斗系統(tǒng)的廣域差分信息、格網(wǎng)電離層信息和完好性信息。

用戶端的主要任務(wù)是通過解譯衛(wèi)星導(dǎo)航電文，同時(shí)接收導(dǎo)航衛(wèi)星的基本導(dǎo)航信息和差分修正、完好性以及電離層延遲等相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)，完成距離測(cè)量、定位解算、完好性分析等一系列計(jì)算分析工作，從而實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)航定位解算，可以滿足巡航船只內(nèi)陸航行的需求。

地面基站與巡邏船上的移動(dòng)站如圖5和圖6所示。

基準(zhǔn)站和移動(dòng)站的北斗接收機(jī)對(duì)北斗衛(wèi)星信號(hào)測(cè)量，并計(jì)算出差分校正量，然后將差分校正量播發(fā)給位于差分服務(wù)范圍內(nèi)的用戶（又稱流動(dòng)站）接收機(jī)，以提高用戶接收機(jī)的定位精度。

4.3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

使用QT進(jìn)行上位機(jī)的設(shè)計(jì)，從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理。該上位機(jī)只需要讀取定點(diǎn)浮標(biāo)與巡邏船的數(shù)據(jù)，通過調(diào)用QT自帶的Serial Port類進(jìn)行數(shù)據(jù)串口通信讀取數(shù)據(jù)。

使用UI設(shè)計(jì)上位機(jī)的交互界面，左上角是浮標(biāo)與船只的選項(xiàng)按鈕，左下方進(jìn)行浮標(biāo)和船只軌跡的顯示，右邊同步顯示浮標(biāo)的歷史污水?dāng)?shù)據(jù)曲線以及船只行進(jìn)軌跡線上的污水?dāng)?shù)據(jù)。該上位機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)（定點(diǎn)浮標(biāo)）到線（巡邏船軌跡）到面（巡邏船多次巡邏覆蓋水域）的污水?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，通過大數(shù)據(jù)分析，還能結(jié)合某點(diǎn)污水的歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行時(shí)間軸上的全方位分析。

上位機(jī)設(shè)計(jì)主界面如圖7所示。

圖7中浮標(biāo)的顏色為綠黃紅三色，依次表示污染情況越來越重。右上角表示不同類型傳感器采集污水信息隨時(shí)間變化的曲線圖，右下角為不同類型傳感器采集污水信息顯示區(qū)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)采用已建立基于北斗通導(dǎo)一體化理論和大數(shù)據(jù)理論的污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，主要驗(yàn)證污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正確性，大數(shù)據(jù)處理及可視化界面的性能。

5.1 污水采集實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在同一地點(diǎn)同一時(shí)刻，使用本污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集污水信息并進(jìn)行污水采樣，并記錄污水采集時(shí)間及地點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)采樣污水進(jìn)行檢測(cè)，記錄污水信息。污水檢測(cè)系統(tǒng)采集的污水信息、采集污水樣品實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的水質(zhì)信息與實(shí)驗(yàn)室采樣檢測(cè)結(jié)果基本相符，因此污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集端穩(wěn)定可靠。

5.2 北斗星基差分定位技術(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們將基準(zhǔn)站設(shè)置在距離移動(dòng)站1公里處，移動(dòng)站接收機(jī)上接收的數(shù)據(jù)如圖8所示。

對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到如圖9所示的經(jīng)緯度等定位信息，定位精度達(dá)到厘米級(jí)別。

對(duì)此處理后的定位數(shù)據(jù)使用MATLAB繪制出來，得到如圖10所示的圖形。

北斗定位系統(tǒng)定位結(jié)果與實(shí)驗(yàn)記錄的采樣點(diǎn)位置信息相符，證明了污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定位功能的正確性。

5.3 上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示

由圖11可知，可視化界面能夠清晰顯示污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息。

6 結(jié)論

傳統(tǒng)污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在污水信息收集及處理效率較低的問題，本文提出了一種基于北斗通導(dǎo)一體化技術(shù)的污水監(jiān)測(cè)及信息處理方法，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性，得到結(jié)論如下：

①本研究利用我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有北斗技術(shù)通導(dǎo)一體化功能，實(shí)現(xiàn)了污水信息大范圍高效收集，滿足了污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)距離傳輸需求，也為污水點(diǎn)定位提供了新方法。

②本研究采用可視化界面對(duì)污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理，一方面提高了污水信息的監(jiān)測(cè)效率，另一方面方便監(jiān)測(cè)人員對(duì)全水域的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

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