一、產(chǎn)品背景及意義

1.1 背景

江河,、湖泊,、水庫、是地表水環(huán)境保護的重要內(nèi)容之一,，水質(zhì)水文數(shù)據(jù)是反映各水域的基本特征,，有關(guān)部門可以根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)安排，能夠準確性采取環(huán)境保護措施有效預(yù)防突發(fā)事件的發(fā)生,。在江河,、湖泊等地表水體的水文流量監(jiān)測中,，地表水體離岸監(jiān)測點位取樣一直是困擾環(huán)境監(jiān)測部門的難題。

傳統(tǒng)的環(huán)境水質(zhì)水文監(jiān)測是通過人工攜帶便攜式儀器親臨現(xiàn)場經(jīng)行監(jiān)測或者式固定站點的連續(xù)監(jiān)測,，費時費力,，自動化程度低，難以對水環(huán)境做出整體有效的評價與分析,。通過使用物聯(lián)網(wǎng)將幾種監(jiān)測手段結(jié)合起來,，充分利用無人船的便捷性，搭載不同的傳感器設(shè)備,，射頻技術(shù),，無線通訊技術(shù)等，快速有效的獲取大范圍的水文水質(zhì)等信息,，傳送到后臺并對這些信息經(jīng)行數(shù)據(jù)的整合和挖掘,，做出整體有效的評價分析。

水文水質(zhì)信息的快速獲取及數(shù)據(jù)的高效利用是水環(huán)境監(jiān)測中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用的關(guān)鍵.

1.2 意義

無人監(jiān)測船在線監(jiān)測系統(tǒng)可實施水質(zhì)自動監(jiān)測,，實現(xiàn)水文流量、水深測繪等的實時連續(xù)監(jiān)測和遠程監(jiān)控,，達到及時掌握主要流域重點斷面水體的水流流速狀況,、預(yù)警預(yù)報重大或流域性污水排放事故，監(jiān)督總量控制制度落實情況,、排放達標情況等目的,。

1.2.1）解決現(xiàn)有江河湖庫作業(yè)監(jiān)測裝備實際痛點（人工乘船采樣、效率低下,、危險,、作業(yè)時長有限等），為我省水環(huán)境監(jiān)測工作順利開展提供高效,、安全,、可靠技術(shù)手段，顯著提高水環(huán)境監(jiān)測的技術(shù)能力與技術(shù)水平,。

1.2.2）直接提升現(xiàn)有江河湖庫水文流量與監(jiān)測裝備行業(yè)的技術(shù)水平,，實現(xiàn)從有人采樣與監(jiān)測裝備到無人監(jiān)測裝備的替代與行業(yè)進步。

1.2.3）應(yīng)用現(xiàn)有無人監(jiān)測船在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺中的自主航行,、路徑規(guī)劃等技術(shù),，真正做到全天候、高精度,、自動化,、高效益的工作模式，大幅度提高采樣監(jiān)測水文測繪的作業(yè)效率,。

二. 無人船自動監(jiān)測系統(tǒng)-型號C120性能特點架構(gòu)和特點

無人監(jiān)測船在線監(jiān)測系統(tǒng)由水面機器人船體,、主控系統(tǒng)（含主控模塊及主控嵌入式軟件）,、供電系統(tǒng)、船載遙控器通信系統(tǒng)及水文監(jiān)測設(shè)備部分構(gòu)成,。從而建成一個局域網(wǎng)絡(luò),，實現(xiàn)遠程操控船體，并進行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊惑w化系統(tǒng),。

無人船自動監(jiān)測系統(tǒng)-型號C120性能特點系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如下：

系統(tǒng)工作條件

最小水深：≤0.15m,；

風(fēng)浪等級：≤3級風(fēng)，≤2級浪,；

投放方式：岸邊投放

適于電源220～240V/50Hz

1. 無人流船體

新型高強度復(fù)合材料作為船體材質(zhì),，該材料是由S級無堿玻璃纖維經(jīng)編復(fù)合氈、凱夫拉裝甲材料及良好的納米級碳素纖維等構(gòu)成,。船體小,，重量輕，方便攜帶,；具有防撞,，防磨損，防腐等特性,。

設(shè)計形態(tài)：M型體流線式設(shè)計,，重心低、阻力小,、航行穩(wěn)

船體安全防護及防沉設(shè)計：雙氣囊獨立隔離設(shè)計,，耐撞擊，穩(wěn)定性好,，船體帶有警示裝置,。全封閉防水和防沉設(shè)計。

2. 動力系統(tǒng)

可插拔涵道式推進器

可拆卸涵道式推進器,，與船殼底齊平形狀一致,，放置與行駛可以很好的避免碰傷、撞擊,、有效的防止水草纏繞,，安全可靠性高、安裝維護攜帶方便,。

動力裝置：2組涵道式推進器,，與船底齊平，可淺水投放,，具有防水草纏繞設(shè)計,。安全可靠性高、易于安裝維護及便于攜帶,。

3. 主控系統(tǒng)

船只可以接受遙控器的指令并執(zhí)行,，通過遙控器完成全部的航行任務(wù)和工作任務(wù),；

船只可在船控控制下根據(jù)GPS定位，遙控行駛,，完成任務(wù)后可手動返航,。

方向控制方式：支持無舵機轉(zhuǎn)向功能和“倒車”航行技術(shù)。

系統(tǒng)組成如下圖：

4. 供電系統(tǒng)

采用高能鋰離子聚合物電池,；續(xù)航能力,，2小時；支持備用電池直接更換,。船體外部有預(yù)留接口可直接進行充電,；支持大電流充電器，充電電流可達10A,；

技術(shù)指標

電池容量：29.4V   20Ah *2組

電池充放電次數(shù)：≦200次

大電流充電器：電流10A

5. 通訊系統(tǒng)

船載天線及安裝基座,、數(shù)據(jù)無線發(fā)送/接收模塊、因搭載儀器通信系統(tǒng)所需屏蔽等處理,。

無人船與遙控器采用RF無線射頻點對點通信方式,，進行數(shù)據(jù)通訊功能

工作頻率：2.4G。 開闊地段通訊距離：≦1公里,；遙控器天線類型：全向型玻璃鋼天線,。

無人船與地面基站采用RF無線射頻點對點通信方式，進行數(shù)據(jù),、視頻通訊功能,。

工作頻率：5.8G,。 段通信距離:≦2公里（理論空曠無干擾環(huán)境中）,；天線類型：全向型玻璃鋼天線。

6. 手持遙控器

遙控器可以控制無人船行駛,，與地面基站對無人船控制權(quán)交互轉(zhuǎn)換,；

遙控器可手動編輯工作任務(wù)：隨時控制，隨時中斷或隨時改變工作任務(wù),；

重量：≦1公斤 ,，防水防塵等級：IP65；

搖桿數(shù)量：2個 ,，搖桿范圍：360°

通訊模塊：2.4G全向型天線

遙控距離：≦1公里

7. 遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)

高清攝像機和視頻傳輸模塊,，過視頻監(jiān)控，可人工遠程操縱無人船,，使其姿態(tài)調(diào)整更平穩(wěn)有效保證測量精度和準確性,，船體航行更安全。

攝像界面：

8. 定位系統(tǒng)

高精度 GPS/北斗定位系統(tǒng),，需要接收機,、導(dǎo)航系統(tǒng)軟件模塊組成,。

9. 遠程控制系統(tǒng)

與遙控器對無人船控制權(quán)交互轉(zhuǎn)換；支持Windows等主流操作系統(tǒng),；搭載視頻圖傳模塊,，遠程操作。

可下載工作水域離線衛(wèi)星地圖,，并存儲和管理,。可設(shè)置船只行駛路線,、采樣監(jiān)測點順序,、及返航路線等任務(wù)編輯。常規(guī)采樣,、監(jiān)測,、測流、測繪等任務(wù)存儲及調(diào)用,、歷史數(shù)據(jù)的存儲,；

接收和顯示無人船信息，實時顯示水質(zhì)在線監(jiān)測結(jié)果,；圖形動態(tài)顯示無人船工作狀態(tài)（即移動,、監(jiān)測）、位置狀態(tài)（或經(jīng)緯度）,、朝向,、顯示船只剩余電量、行駛速度,、等各類信息,；

10. 業(yè)務(wù)單元

（1）船載測掃聲吶

StarFish 453 OEM聲吶

StarFish 453 OEM由2塊換能器和1塊電路板組成，用戶可使用它OEM到自己的產(chǎn)品中,。

使用了StarFish的數(shù)字CHIRP聲學(xué)技術(shù),，453 OEM系統(tǒng)水平波束寬度0.5度，耐壓3000米,，可在100米量程時提供高分辨率的海底圖像,。

電路板支持9－28VDC電源，可使用USB連接到電腦,。另外,，提供Scanline軟件包，和SDK開發(fā)包,，用于輔助用戶開發(fā)自己的聲吶系統(tǒng),。

主要特點：

1. 獨立式船體安裝的換能器；

2. 0.5度的水平波束寬度，提供高分辨率的海底圖像,；

3. 電子波束腳印小,，165mmx 100mm x23mm；

4. USB連接,；

5. 耐壓300米,。

技術(shù)參數(shù)：

尺寸：

長：432mm

寬：41mm

高：18mm

空氣中重量：0.35kg

殼體：

結(jié)構(gòu)：黑色聚乙稀

耐壓：300m

電纜長：可定制

電纜結(jié)構(gòu)：黑色聚乙稀外套，內(nèi)含凱夫拉加強物質(zhì)

聲學(xué)：

水平波束寬：60°@ -3dB 信號級別

垂直波束寬：0.5°@ -3dB 信號級別

頻率：450kHz中央頻率（430－470kHz  Chirp）

量程：1m~100m單側(cè)

工作模式：Chirp 脈沖壓縮模式

脈沖長度：典型400us

發(fā)射能量級別：<210dB re 1µPa @ 1m

StarFish Scanline軟件：

Scanline軟件是一款用戶界面友好的專為StarFish海底側(cè)掃聲吶系統(tǒng)使用的采集和記錄軟件,。軟件兼容32位或64位Windows操作系統(tǒng),，包括windows 2000, xp, vista, win7,win8，win10,，軟件實時顯示和記錄側(cè)掃聲吶的數(shù)據(jù),，同時它也可記錄其它輔助傳感器的數(shù)據(jù)，如GPS,，羅盤,，速度計等，所有采集的數(shù)據(jù)都可以記錄并導(dǎo)出,。

用戶通過軟件可控制左舷,、右舷或兩側(cè)的通道同時工作。海底的圖像可以放大,，改變目標物的比例更好的識別物體,，軟件同時也支持多種顯示方式，如從頂?shù)降?，從左到右,，或反之亦然。在使用時,，用戶也可以隨時調(diào)節(jié)工作的增益,、對比度和量程。為長期連續(xù)監(jiān)測設(shè)計的EXO2s,，是一款多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀,，可以監(jiān)測常規(guī)五參數(shù),，根據(jù)應(yīng)用需求還可測定氨氮,、藍綠藻、葉綠素a等參數(shù),。

儀器采用防腐蝕,，耐沖擊、具有高化學(xué)穩(wěn)定性的Xenoy塑料外殼,，采用加強結(jié)構(gòu)設(shè)計,，具備同時監(jiān)測水溫、溶解氧、電導(dǎo)率,、濁度和酸堿度,、氨氮，總藻（葉綠素+藍綠藻+藻藍蛋白）等7個參數(shù)的功能,。

主機采樣頻率高達4Hz,。主機電纜半雙工RS485通訊，主機和顯示器之間支持藍牙無線通訊,；藍牙通訊技術(shù)以用于校準,、通訊和下載數(shù)據(jù)時無電纜操作；配置應(yīng)包括內(nèi)置的磁開關(guān)和外帶的用于無線控制藍牙的激活物件,。

傳感器均應(yīng)該是“智能”的并存貯了其校準數(shù)據(jù)在其中,。傳感器應(yīng)可在不同EXO主機間交換，亦可在同一臺主機的不同接口間轉(zhuǎn)移,，主機接口自動識別探頭改變,，且無需要校準即可準確測量；光學(xué)傳感器工作面采用藍寶石材料,。

除深度傳感器外,，所有傳感器可以濕拔插，可以現(xiàn)場拆卸,、更換和維修,；所有傳感器采用鈦合金材質(zhì)，滿足深度達250米的運行環(huán)境,；所有探頭內(nèi)置溫度探頭,，實現(xiàn)溫度補償。

智能接口可自動識別故障,，自動關(guān)閉故障探頭或接口,。

數(shù)據(jù)存儲功能，主機存儲器:512MB,；存儲量不得小于100萬個測量數(shù)據(jù),。

ROX溶解氧傳感器采用熒光壽命檢測技術(shù)，是當今可靠的溶解氧傳感器,，維護量極低,；在高硫化氫（H2S）與低氧環(huán)境也能長時間工作，并獲得可靠數(shù)據(jù),，亦不受流速限制,。也是能反映湖泊、河道等水體黑臭主要的指標,。

藍綠藻傳感器可幫助用戶監(jiān)測其目標水域的葉綠素和藍綠藻數(shù)量,，從而知道河道的富營養(yǎng)化程度,。YSI藍綠藻傳感器均能提供高靈敏性、高可靠性的現(xiàn)場數(shù)據(jù),。

1．技術(shù)規(guī)格：

1.1. 工作條件:

1.1.1 環(huán)境溫度：-5℃～+50℃,；

1.1.2 相對濕度： 0%～100%

1.2 分析方法、功能,、技術(shù)參數(shù)要求

1.2.1 分析方法要求

多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀的測量方法應(yīng)與國家標準方法或行業(yè)標準方法一致,，性能穩(wěn)定、工作可靠,、可控性好,。具體如下表所示：

1.2.2 系統(tǒng)基本功能

1.2.2.1  具備同時監(jiān)測水溫、濁度,、pH,、溶解氧、電導(dǎo)率,、葉綠素和藍綠藻（總藻）等7個參數(shù)的功能,。

1.2.2.2  所有探頭都可以現(xiàn)場拆卸、更換和維修

1.2.2.3  傳感器配清潔刷,，可以消除附著物和氣泡的影響,，延長維護周期。

1.3 儀器技術(shù)參數(shù)

1.3.1 水溫

量程：-5-50℃

分辨率：0.001 ℃

準確度：±0.01℃

響應(yīng)時間: T63<1 sec

1.3.2 pH

量程：0～14

分辨率：0.01

準確度: ±0.1,，校準溫度±10℃范圍內(nèi);±0.2 ,，全溫度量程

探頭分為底座和前端，探頭前端可更換

1.3.3電導(dǎo)率

量程：0～200mS/cm（自動量程選擇）

分辨率：0.001mS/cm～0.1mS/cm（視量程而定）

準確度：讀數(shù)之±0.5%

自動溫度補償

1.3.4濁度

量程：0-4000 NTU

分辨率：0-999 NTU:0.01 NTU,；1000-4000 NTU:0.1 NTU

準確度：0-999 NTU：0.3 NTU或讀數(shù)之±2%,； 1000-4000 NTU：讀數(shù)之±10%

響應(yīng)時間: T63<5sec

1.3.5溶解氧

量程：0～50mg/L

分辨率：0.01mg/L

準確度：0 - 20 mg/L：±0.1 mg/L或讀數(shù)之1%，以較大者為準,；20 - 50 mg/L: 讀數(shù)之±5%

響應(yīng)時間: T63<5sec

1.3.6 總藻類傳感器：單一傳感器的雙熒光通道可同時測量葉綠素和藍綠藻藻藍蛋白,；

1.3.6.1總藻類傳感器-藍綠藻藻藍蛋白

測量方法：熒光法

量程：0- 100 μg/L；0-100 RFU,；0-1,100,000 細胞/mL

線性: R2 > 0.999,，與羅丹明WT連續(xù)稀釋相關(guān)（0 - 100,000μg/mL ）

檢出限：300 細胞/mL ；0.1 μg/L PC

分辨率：0.01 μg/L,；1 細胞/mL,；0.01 RFU

1.3.6.2  總藻類傳感器-葉綠素

測量方法：熒光法

量程：0-400 μg/L Chl 0-100 RFU

分辨率：0.01 μg/L Chl；0.01 RFU

線性：R2 > 0.999,，與羅丹明WT連續(xù)稀釋相關(guān)（0 - 400μg/mL）

檢出限： 0.1 μg/L Chl

Scanline軟件顯示的部分窗口

水質(zhì)監(jiān)測（水質(zhì)多參數(shù)分析儀）

EXO2s多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀