基于北斗的湖泊水环境观测浮标设计开题报告
2022-01-11 04:01
全文总字数：3045字
1. 研究目的与意义及国内外研究现状
我国是淡水资源极其丰富的国家，但近年来随着全球气候变暖和人类的过度开发，湖泊环境在逐渐恶化。内陆湖泊的水质日益恶化，对水环境的监测及后续改善治理工作迫在眉睫[1]。 表层漂流浮标由于具有观测方式直观有效、成本低廉、布放方便、便于搭载其他传感器等优势，故广泛应用于水环境监测等方面[2]。目前运行的观测浮标通常采用GPS定位，这项技术一直由国外垄断，我国没有属于自己的卫星定位系统，在技术上受制于人。而我国自主研发的北斗卫星系统具有导航、通信和授时功能[3]，如果可以研究基于北斗系统的观测浮标，不仅可以拓展北斗系统的应用，也为观测浮标的设计提供了新思路[4]。针对我国湖泊环境恶化、淡水资源遭到严重污染等问题，本文旨在设计一种基于北斗系统的湖泊观测浮标系统。利用观测浮标有效地监测湖泊环境，对湖泊环境的改善具有重要意义。
国内外研究现状
从应用层面来看，观测浮标可分为通用型和专用型[5]。通用型浮标功能齐全，拥有较多的传感器，用于对湖泊的综合监测。通用型浮标观测技术应用的优秀代表是美国国家海洋和大气管理局的国家资料浮标中心。其管理的观测浮标遍布全球，长期工作于海洋提供大量珍贵数据[6]。我国在1965年研制成第一个观测浮标。我国的通用型浮标发展虽然起步较晚，但到目前为止，已经取得了丰硕的成果，关键核心技术已经基本掌握，总体上达到了国际先进水平[7]-[8]。专用型浮标主要对湖泊某几种环境参数进行监测，专业性较强。专用型浮标主要分为：观测海水参数变化的海洋剖面浮标、观测海上低空风场剖面的海上风剖面浮标、预测海啸发生的海啸浮标、测量波浪参数的波浪浮标、监测海冰热力及动力过程的海冰浮标等。我国在专用型浮标的研究上也取得了丰厚的成果，“十五”期间，国家海洋技术中心研制了利用马达驱动的海洋剖面观浮标[9]。2005 年，在 863 计划的支持下，中科院海南所研制成功了我国第一台光学浮标[10]。我国的波浪浮标代表成果山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制的球形测波浮标，其观测结果精度与国外产品相当[11]。
2. 研究的基本内容
本文设计并实现一种基于北斗导航系统的内陆湖泊观测浮标样机。浮标系统是集短信收发、数据传输、卫星定位、位置服务、气象观测为一体的内陆湖泊水环境监测系统。浮标内部主要由太阳能供电模块（先期测量采用了移动电源或蓄电池）、雨滴测量模块、气压检测模块、浊度测量模块、水位测量模块、北斗定位模块、无线通信模块、主控STM32单片机以及上位机组成。为了更准确的测量整个湖泊水环境，浮标工作方式为抛投式。主控器通过传感器采集湖水的浊度、水位、水面气压，通过北斗模块获得浮标位置、海拔、速度及时间信息，定时通过无线通信模块向上位机发送水环境气象和位置信息，上位机通过软件显示和分析采集到的数据。
3. 实施方案、进度安排及预期效果
实施方案：浮标结构主要由标体和配重组成，其中浮标标体后续拟为圆柱形密封壳体，主要用来封闭内部传感器，防止内部受潮。壳体材料采用具有良好防水特性的非金属塑料材料，降低了浮标的自身重量，方便布放和取回。标体内部装有STM32主控单片机、北斗定位模块、气压测量模块、雨量测量模块、浊度测量模块、有害气体检测模块，用于测量水环境各要素。单片机需要把测量到的数据传送到上位机上，所以在标体外部安装无线通信模块，用于单片机和上位机进行通信。这种设计可以使无线通信模块露出海面的部分较高，可以减少模块受到海浪等的干扰。配重与标体下端连接使得浮标具有良好的随流性，确保系统在水上运行的稳定性。硬件电路包括浊度测量模块，BMP180气压传感器，MQ135空气质量检测模块，雨量模块，北斗定位模块，无线通信模块，主控单片机STM32F103组成。浊度测量模块是测量水质的传感器模块，它通过测量水中悬浮颗粒物的光透过率和散射率，检测悬浮颗粒物含量，用单片机的模数转换器读取数据；MQ135空气质量检测模块可以测得空气中有害气体含量，利用输出电压的大小来表征空气质量好坏；雨滴模块是检测是否降雨的传感器模块，其输出高低电平给单片机显示是否降雨，从而预测湖泊水位是否上升；气压传感器BMP180可以同时测得气压和温度，通过I2C协议向单片机传送气压和温度；北斗定位模块通过串口配置，完成经纬度、海拔、速度、时间的测量，确定浮标的位置；上位机可以和浮标通讯，采用了无线通信模块，利用无线通信协议实现远距离信息传输；为了更好的进行节能增加浮标工作时间，电源管理部分可以测量系统电池的续航时间，从而提前进行预警。进度安排：2017年12月1日-2018年1月15日：对国内外海洋观测浮标的研究现状进行调研，查阅相关背景资料，确定技术方案。2018年2月1日-20日：完成器件选型和硬件搭建。完成硬件组装和单个调试，最后是整体联调，测试相关系统功能是否满足设计要求。2018年2月21日-30日：进行系统性能测试，记录测试数据并完成比对校验工作。2018年3月1日-30日：对前期系统性能测试后暴露出的问题进行优化，并完成论文的撰写。
预期效果：按照设计目标，浮标能够通过传感器采集湖水的温度、水面气压、浊度、空气质量和雨量这些准确数据信息，通过北斗模块获得浮标位置、海拔、速度及时间信息，通过无线串口模块向上位机发送水环境气象和位置信息，串口读取软件获得并解析数据，将采集到的信息显示在上位机上。长时间浮标位置不变，可以通过人为干预重新抛投。浮标能够实现测量数据传输有效性高，功耗低，及时性高，定位精度高，将来批量生产后用于环境保护、生态治理、气象监测预报等领域。
4. 参考文献
[1] 王圣瑞，李贵宝．国外湖泊水环境保护和治理对我国的启示[J]．环境保护，2017(10)：62-68．[2] 卢少磊， 孙朝辉，刘增宏，等．COPEX和HM2000与APEX 型剖面浮标比测试验及资料质量[J]．海洋技术学报，2016， (1)： 84–92． [3] 周露，刘宝忠．北斗卫星定位系统的技术特征分析与应用[J]．全球定位系统，2004（4）：12-16．[4] 吴维，齐久成，张静，李清，郭淑芳．基于北斗系统的ARGO浮标设计[J]．气象科技，2013，41（3）459-463．[5] 彭科军．浮标水声信号处理平台硬件设计．哈尔滨工程大学硕士论文，2012(2)：16-13．[6] 王波，李民，刘世萱，陈世哲，朱庆林，王红光．海洋资料浮标观测技术应用现状及发展趋势[J]．仪器仪表学报，2014，35（11）：2401-2414.[7] 李民，盛岩峰， 袁新，等．国内大型海洋水文气象资料浮标的现状及发展方向[J]．气象水文海洋仪器,，2002，2: 1-4.[8] 朱心科，金翔龙，陶春辉，初凤友，赵建如，李一平．海洋探测技术与装备发展探讨[J]．机器人：2013(03).[9] 李墨，李永军．系缆式剖面测量平台的试验及分析[J]．海洋技术，2008，27(2)：1-4.[10] 杨跃忠，卢桂新，柯天存，等．光学浮标控制系统硬件设计[J]．热带海洋学报，2010，29(2)：7-11.[11] 毛祖松．我国近海波浪浮标的历史、现状与发展 [J]．海洋技术，2007，26(2)：23-27.
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