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摘要：传统的岸边水质自动监测站已经不适宜现代水质监测的发展趋势，高昂的维护费用，化学试剂对环境的二次污染，监测数据的实效性，一台仪器测试一个数据时间长，并且采样点过于固定，代表性也不强，对于工作的环境也要求及高，在偏远环境恶劣的地方基本没有实现的可能。针对这一弊端，结合物联网技术，设计了一种用于河道的浮标式水质自动监测系统，介绍了系统的构成及硬件设计。实践证明，该系统在无人值守的条件下，进行长期、连续、同步、自动得实现从监测现场到数据管理中心的操作，操作方便，安全可靠，保证了监测数据准确、实时传输、系统可靠、安全操作。

关键词：物联网；河道；浮标；自动监测

1 系统总设计

浮标站由浮标体、监测传感器、供电设备、采集传输控制设备、防护设备和锚系设备等组成。管理平台负责对物联网数据展示、存储、分析平台等。两大部分通过4G技术进行数据无线传输，实时通讯。如图1所示。

2 现场采集终端的硬件设计

现场采集终端由4G模块、供电管理单元、GPS经纬度、在线传感器单元、浮标体倾斜角检测单元、光照度监测等组成。现场数据采集与传输示意图如图2所示。

2.1 单片机最小系统

目前，STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M4内核。其中 STM32L475VET6单片机嵌入了高速存储器（闪存高达 1 MB，高达到 128 KB 的 SRAM），三个 I2C、三个 SPI、三个USART、一个低功耗 RTC、ADC等资源，非常适合自动采集控制领域的使用。因此本系统的现场端采用STM32L475VET6作为核心控制芯片，其最小系统包括单片机、晶振电路、复位电路、RS485串口电路等。

2.2太阳能电池板和蓄电池控制单元

在本系统中，浮标站系统采用太阳能和蓄电池混合的供电方式，保证系统在无光照情况下正常运行至少 10天，主要用于传感器探头和遥测终端机供电，采用100AH/12V锂电池2片50W太阳能电池板供电，默认10分钟采集并上传一次数据至平台。接线如图3所示。

2.3无线传输模块

选用移远全网通EC20模块，该模块具有PCI Express Mini Card 1.2标准接口，UART接口，支持1.4MHz～20MHz射频带宽。通过GPS定位，远程对系统发出各类监测命令，对系统的故障进行分析和全面的监测，并显示监测结果。通过将该模块的引脚RXD、TXD直接和主控单片机的TXD、RXD相连，对于主控芯片来说，是透明传输，应用起来简单、方便，该模块还集成多星座GNSS接收机，满足不同环境下对快速、精准定位的需求。

利用蓝牙模块

2.4光照度和航标灯监测

系统通过MOS管开关航标灯电源，电源更稳，驱动能力强。光照度监测选用LXD-GB3-A1DPH，是一个光电集成传感器，典型入射波长为p=520nm，内置双敏感元接收器，可见光范围内高度敏感，输出电流随照度呈线性变化。通过光敏传感器自动监测，白天航标灯关闭，夜晚航标灯开启。

2.5 浮标体倾斜角和流速流向单元

为了监测浮标体漂浮状态，选用高精度的传感器MPU6050和HMC5983组合，采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够快速求解出模块当前的实时运动姿态，方便可靠。流速流向由超声波流速流向分析仪加九轴传感器组成，再经过一定算法得出实际河道的流速流向。

具体方案为：采用3.3V供电，MPU6050整合了三轴陀螺仪、三轴加速度，并通过第二个I2C端口连接磁力传感器的数位运动处理硬件加速引擎，由主要I2C端口以单一的数据流的形式，姿态测量输出完整的九轴融合。精度达到0.05度，x轴倾角（俯仰）-90～90度，y轴倾角（横滚）-180～180度，使用MODBUS协议485电平传输，数据传输稳定，抗干扰能力强。

TDC-GP22 是一款功能强大、高精度的时间测量芯片，适用于各种需要精确测量时间间隔的应用，基于TDC-GP22实现超声波测距。

3 现场采集终端的软件设计

采集终端采用的传感器输出信号485通讯，主要功能是处理和保存现场采集的相关数据，具有实时显示到手机端APP、数据查询等功能，并通过协议发送到中心平台。

4 结束语

结合环保要求，给出了一种从简单的水环境监测到河道污染溯源便捷的追查手段的实现方案。经过实际应用，系统应用方便可靠，为源头截污、点位治理、源头治理上形成高效、平台化、信息化的治理方法，为整个水系及河流水质情况实时监控和管理提供了新的技术手段。

参考文献

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[3] 于歆杰，朱桂萍，陆文娟.电路原理.清华大学出版社2007-3-1

[4] 束慧 陈卫兵等.单片机应用与实践教程[M].北京：人民邮电出版社，2014：50-180

基金项目：南通市科技计划（指导性）项目（NO.JCZ2023137） ，南通市科技计划（指导性）项目（NO.JCZ2022057）