1.前言
水作为生命之源，是地球上生命必不可少的物质，也是人类赖以生存和发展的不可缺少的最重要的资源之一。地球上虽然水体众多，但大部分为海洋水，淡水资源仅占全部水资源的2.53%，其中68.7%的淡水资源以固体冰山的形式存在，部分淡水资源处于地下极深的地方，很难进行开采使用。真正可供人类使用的资源主要分为可开采的地下水源（如上层滞水、潜水、自流水、裂隙水、熔岩水、泉水等）和地表水源（如江河水、湖泊水、蓄水库水等）。地下水源往往水质较为清澈，在使用和饮用的过程中无需进行过多的澄清等处理，但开发地下水源时，勘察及开采工作量都较大，且地下水源水量往往比较有限，很难满足大规模使用的需求。地表水源一般属于开放水体，其水量非常充沛，能满足大量用水的需求，适合给如城市的人口密集处进行供水[1-4]。但地表水源非常容易受到外界因素的污染，水质会随外界温度、季节、天气等原因进行改变。人类的活动也会对地表水源水质产生巨大的影响，如耕种、畜牧、工业发展等。由此可见，淡水资源非常重要，但可供人类使用的淡水资源量非常有限，故对现存的淡水资源进行有效的监管是非常必要的。
2.基于C#的便携式多参数水质监测设备的运用
2.1 设备的总体设计
便携式多参数水质监测设备的主要应用场景为操作人员在水库采样船上进行投放。当操作人员乘坐水库采样船前往水库中指定采样点后，开启监测设备，并将传感器模块投放至水体中缓慢下放。该过程中，传感器模块会不断采集水体中的水质数据，并将数据通过线缆发送至上位机中。上位机完成对传感器模块发送回来的水质数据的采集、整理、存储及处理。最后将传感器模块进行回收并关闭监测设备以完成本次采样[5]。
从上述使用场景出发，对便携式多参数水质监测设备方案进行设计。监测设备主要分为传感器模块和上位机两大部分。如图1所示为监测设备的整体结构示意图。
图1 基于C#的便携式多参数水质监测设备整体结构示意图
上位机使用C#框架作为开发环境。C#是由Microsoft公司发布的一款面向对象的编程语言，其运行在.NETFramework上，具有安全稳定，简单易用，开发周期短等优点[7]。考虑到本节所设计设备的上位机的功能需求，C#完全可以满足上位机的功能需求。下面将对传感器模块结构设计、传感器选型及上位机设计进行详细说明。
2.2 传感器模块结构设计及传感器选型
考虑到基于C#的便携式多参数水质监测设备需要在水源水库环境中使用，而水源水库由于其蓄水量往往较大，其水位一般较高，根据季节、气候及不同水库的地形情况，水源水库的最大水位一般会在十米至数十米之间。由于水位较深，传感器模块承受的压强也就较大，水深每增加十米，水下的压强就会增加100KPa，故当传感器模块下放至库底时，最大需要承受数百千帕的压强。这就对设备的传感器模块提出了较高的要求，首先传感器本身需要有较强的抗压能力，其结构可以保证其在较大压强下不被损坏，其次传感器还需要具有较高的防水等级，至少需要达到IP68的防水等级，即其可以完全防止外物灰尘的侵入，并且其可以无限期地沉没在指定的水压下，不因浸水而造成损坏[8-9]。
（1）传感器模块结构设计
根据上述传感器模块设计需求分析，传感器模块结构需要满足以下要求：
具有较好的结构强度，能够抵抗水下压强；
能够较好地对传感器进行固定，防止传感器脱落；
能够将接线单元固定在传感器模块结构上；
能够容纳较多数量的传感器；
在此基础上，希望传感器模块能够方便快捷地对传感器进行增加和去除。综合以上传感器模块结构需要满足的要求，对传感器模块的结构进行设计，如图2所示为传感器模块总体结构示意图。
图2 传感器模块总体结构设计示意图
3.多层水质监测站应用方案
3.1 系统总体应用
（1）方案一：岸边固定式水文测站
岸边固定式水文测站根据待测点的位置，相应的安在河岸边，由水文测量仪器和钢结构等组合而成。主体部分用钢结构固定在河岸边，工作时将传感器模块部分放入待测水体中即可。其优点为设计结构简单，技术要求低。一般修建在待测河道岸边，修建位置根据测量位置确定。后期维护比较方便。
（2）方案二：浮标式水文站
浮标式水文站主要由水文测量仪器、漂浮体和沉石组成。水文测量仪器负责数据测量、漂浮体作为水文测量仪器的载体、沉石负责固定漂浮体和水文测量仪器的位置。浮标式水文站灵活，移植性高，工程效益高。浮标式水文站工作时基本河道中间，不会占用耕地且运行期间基本不存在人为破坏。河道水位变化时，传感器模块和水面的相对位置基本不变，测量数据可靠性高。但其结构设计较为复杂，技术要求较高，但是可以克服。
3.2 监测端应用方案
因方案选择为浮标式水文监测站建站思路，采用塑料船作为监测端的主要载体，将整套监测端系统搭建在船体上，并将船体固定在河道中。方案中主要分为以下几个部分：传感器模块、监测端下位机、太阳能供电系统及船体。监测端下位机和太阳能供电系统安装在船体上，传感器模块则通过船体边缘下放至水中。如图3所示，为多层水质监测站监测端的结构示意图。
图3 多层水质监测站监测端结构示意图
从图中可以看出，塑料船通过锚或配重固定在河流中，将监测端下位机、太阳能供电系统固定在船体上，水质传感器通过船沿下放至水中。船体的尺寸和形状根据仪器形状和布置要求确定，同时满足力学稳定要求。根据稳定要求确定沉石的尺寸和重量。本设计从实际出发，采用船作为漂浮体，以此设计。设计过程主要为：
（1）船舷两侧各5个孔，内部分隔带4个孔，用于固定外部结构、内部结构和船舷外围钢筋。（塑料船，可在船舷和内部分隔带开孔用于固定）；
（2）初步设计仪器的控制箱和配电箱布置在船间隔带两侧，采用钢结构立式布置；
（3）顶棚的材料选用钢筋作为圆滑支架，用帆布包裹。船身外边缘用帆布包裹，以起到遮盖和保护作用，预留加工和覆盖尺寸；
（4）固定仪器的主体材料选用规则角钢，固定太阳能的材料定做，计划使用不锈钢，固定船尾的传感器使用钢筋和角钢结合；
（5）钢筋用于包围船舷外部，在船尾部分预留弧形，和船尾形成部分空间，此空间留给仪器的传感器部分，钢筋为帆布的固定提供支架；
（6）为保证太阳能能够实地调节角度。设计支架底部结构为u型底板，底板和角钢支架固定。底板的两角和上部结构的采用圆板固定。通过圆板上不同的限位螺丝孔调节太阳能角度；
（7）为了更好地防雨，顶板帆布面积需要大于支架上部分宽度。帆布上部分固定在支架和顶板之间；
监测端下位机主要完成和传感器的通信，读取传感器测到的信息，将这些信息解析为水质数据，再将这些数据进行本地保存并将这些数据通过4G网络发送至远程服务器端。监测端下位机的核心部分使用两块STC89C52芯片，分别为主机芯片和从机芯片。
3.3 服务端应用方案
服务器端是运行在Windows系统中的一个软件系统，其主要功能为：
读取通过4G网络发送过来的水质数据；
存储读取到的水质数据；
可以对历史水质数据进行查询；
可将水质数据导出为excel表格形式；
可将水质数据进行打印；
服务器端的硬件开发平台为搭载有Windows系统的电脑，使用的开发环境为C#开发环境，主要采用Winform框架，使用C#三层模式进行开发，数据存储采用SQLServer数据库。
3.4 监测端下位机程序应用
下位机程序主要基于STC12C5A60S2单片机进行编写，使用Keil软件对下位机程序进行编辑和编译。根据上述监测端下位机功能需求，下位机主要由以下几个模块组成：
数据收发模块、数据处理模块、数据存储模块和服务器通信模块。下面将对这几个模块的具体功能实现进行详细说明。
（1）数据收发模块
数据收发模块作为主机上的模块，主要完成对传感器读取命令的发送和传感器返回命令的接收。程序使用DS1302芯片记录的时间作为判断是否到达采样时刻的依据，当DS1302芯片的时间的分钟的个位数字为0时，即每隔十分钟，数据收发模块对传感器模块的所有传感器以广播轮询的方式发送传感器读取命令。读取命令发送结束后，延时一段时间，若延时结束后收到传感器返回数据则本次收发成功。
同时数据收发模块负责将数据处理模块处理好的字符串通过串口发送给从机，以便从机对其水质数据进行保存。
（2）数据处理模块
数据处理模块作为主机上的模块，负责将数据收发模块接收到的传感器返回命令进行有效位的提取，并将所有传感器的有效位和当前采样时间拼接为一个长字符串，后续数据收发模块会将该拼接成的长字符串发送给从机进行存储。
（3）数据存储模块
数据存储模块作为从机上的模块，将接收到的主机发来的长字符串存储至SD中。由于每一个字符串即代表了一个采样时刻内采集到的所有数据，故数据存储模块将每个长字符串以txt文件格式存储，并以其对应的采样时刻进行命名。
（4）服务器通信模块
服务器通信模块作为从机上的模块，负责时刻监测远程服务器端是否发来下位机数据读取命令。当服务器通信模块收到远程服务器端是否发来下位机数据读取命令时，读取SD卡中数据，并将其通过串口发送给4GDTU模块，从而发送至远程服务器端。
4.结论
近年来，随着社会的进步和科技的发展，人民的生活水平越来越高，同时人民对生活质量和食品卫生也越加的重视，水源水库作为城市生活用水的主要来源，其水质问题就变得尤为重要。为了保证水源水库水质达标，相关人员需要定期前往水源水库进行水样的采集和化验，以测量水质参数。然而国内水库数量多，水样采集频率高，在对水库水质进行定期监测时浪费了大量的人力物力。因此，根据现存水库水质监测方法效率低下的问题，使用单片机、嵌入式和网络技术设计研制出能高效采集水源水库水质数据的水质监测系统是很有必要的。所研发的系统需要能够高效地、自动地对水源水库的水质数据进行采集，提高采样效率，节省人力物力，这对水源水库的水质监测具有现实意义与应用价值。
参考文献
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