姜景晟，陳鶴翔*，汪 露，張凱文，詹瀘成，郁張睿龍

（1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 淮安 223100）

本研究設(shè)計(jì)了一種多功能野外水生態(tài)環(huán)境實(shí)時(shí)在線監(jiān)測裝置，實(shí)現(xiàn)以可控頻率監(jiān)測所需水質(zhì)指標(biāo)和氣象指標(biāo)，同時(shí)實(shí)時(shí)拍攝水下藻類圖像，監(jiān)測結(jié)果可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)云端上傳與存儲，用戶可通過直接訪問IP 地址查看并下載數(shù)據(jù)。連續(xù)、可控、可操作的數(shù)據(jù)流為河湖生態(tài)環(huán)境問題的研究、評估與治理提供支持［1-2］。

本文將介紹實(shí)驗(yàn)的主要裝置組成和功能，給出實(shí)驗(yàn)裝置基本操作步驟，并通過一次野外實(shí)驗(yàn)得到的案例數(shù)據(jù)結(jié)果，分析實(shí)驗(yàn)裝置的工作性能。

1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)

多功能野外水生態(tài)環(huán)境實(shí)時(shí)在線監(jiān)測裝置主要包括水生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、水文氣象監(jiān)測系統(tǒng)和控制與網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)3個(gè)部分（圖1），整個(gè)裝置系統(tǒng)通過立桿連接并插于河床中完成固定。水生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要針對所需要的水質(zhì)指標(biāo)選擇相應(yīng)的傳感探頭，布置于水面下方并可調(diào)節(jié)深度，同時(shí)配備自主研發(fā)的藻類攝像裝置，實(shí)時(shí)拍攝水下藻類圖像，實(shí)現(xiàn)了藻類圖像的原位連續(xù)拍攝；水文氣象監(jiān)測系統(tǒng)主要包括對湖區(qū)水面以上環(huán)境指標(biāo)的監(jiān)測；控制與網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)通過電壓的輸入與輸出控制系統(tǒng)工作環(huán)境，同時(shí)通過內(nèi)部配置的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)模塊完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，控制與網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)安裝在防水箱中固定在立桿水面以上的位置，系統(tǒng)檢修時(shí)打開防水箱進(jìn)行操作。

圖1 多功能野外實(shí)時(shí)在線水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測裝置示意圖

整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置配備太陽能發(fā)電裝置，同時(shí)配備三元聚合鋰電池，盡可能減少能耗的同時(shí)保證裝置系統(tǒng)能夠勝任任何天氣條件下的野外連續(xù)工作。

1.1 水生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

集成傳感探頭用于監(jiān)測特定的水質(zhì)指標(biāo)，所有傳感探頭通過外徑50 cm、內(nèi)徑10 cm 的聚酯環(huán)固定，沿徑向排布。傳感探頭的尾部的連接線沿圓環(huán)分布，并通過2根半徑方向的通道進(jìn)入立桿，沿立桿向上穿過防水箱底部的打孔與轉(zhuǎn)換模塊相連，一方面保證工作供電，另一方面將監(jiān)測數(shù)據(jù)向主板傳輸。聚脂環(huán)與立桿之間通過豎直方向上的電動滑軌連接，可帶動傳感探頭沿立桿上下移動，滿足不同水深處的監(jiān)測需要。調(diào)節(jié)水深時(shí)，使用者只需訪問IP 地址即可遠(yuǎn)程設(shè)置，輸入預(yù)期深度后將由PID算法換算出對應(yīng)壓強(qiáng)并控制單片機(jī)輸出信號，控制電機(jī)帶動聚脂環(huán)移動。當(dāng)壓強(qiáng)傳感探頭中的MIKP3000高精度單晶硅壓力變送器所反饋的壓強(qiáng)與信號相符時(shí)，則裝置停止移動。

獨(dú)立開發(fā)了藻類的水下原位攝像裝置。攝像頭固定在防水箱中，正對的防水箱面選用可透光的玻璃纖維材料，其余5 個(gè)箱面均選用不可透光的ABS 樹脂材料。箱外距玻璃纖維面外壁面0.5 mm處設(shè)置等大、平行的ABS 樹脂壁面，兩壁面之間形成一個(gè)狹窄夾室，夾室入流側(cè)和出流側(cè)分別設(shè)置蠕動泵，將水流泵入和泵出夾室。攝像頭只拍攝夾室內(nèi)的藻類，最大限度地減少水體環(huán)境對成像的影響，且由于夾室極窄，直接起到了防止外部雜質(zhì)進(jìn)入的作用，同時(shí)可以認(rèn)為在極短的時(shí)間內(nèi)藻類是靜止的，從而降低了成像難度。防水箱中設(shè)置不同倍率的光學(xué)鏡頭，可實(shí)現(xiàn)5～80倍之間的放大。實(shí)時(shí)采集的藻類顯微圖像上傳至大數(shù)據(jù)引擎可進(jìn)行有害藻類識別。首先利用大津法去噪和直方圖拉伸的對比度增強(qiáng)相結(jié)合，進(jìn)行水下顯微圖像的預(yù)處理；之后基于專門用于藻類顯微圖像識別的網(wǎng)絡(luò)模型RN-Algae迅速提取藻類形狀特征，并與決策庫對比進(jìn)行藻種識別；最后綜合RN-Algae 模型、可識別景深和藻細(xì)胞面積-體積轉(zhuǎn)化方法，推算水體中各類藻細(xì)胞的個(gè)數(shù)和質(zhì)量濃度。批量獲取的藻類圖像可以為基于人工智能等信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)藍(lán)藻水華預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持，從而為更高效治理湖泊富營養(yǎng)化搶時(shí)間。

1.2 水文氣象監(jiān)測系統(tǒng)

風(fēng)速計(jì)裝置固定于整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置頂部的左端，其葉片長20 cm，內(nèi)部安裝有風(fēng)速傳感器與風(fēng)向傳感器，裝置穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)。風(fēng)速計(jì)裝置上的右端安裝有太陽輻射測量儀。在太陽輻射測量儀右側(cè)安裝溫度計(jì)、濕度計(jì)以及避雷針，溫度計(jì)量程-10～50 ℃，溫度計(jì)和濕度計(jì)內(nèi)置傳感芯片，通過數(shù)據(jù)線將環(huán)境溫度和環(huán)境濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳；系統(tǒng)配備雨量筒，容積20 L，放置在實(shí)驗(yàn)裝置附近的岸上，與主體裝置之間通過纜線連接。纜線外包防水橡膠，穿過防水箱底部的開孔與轉(zhuǎn)換模塊相連。為防止雨水濺入，雨量筒口呈內(nèi)直外斜的刀刃形，筒內(nèi)置有儲水瓶和漏斗，降雪季節(jié)取出儲水瓶，換上不帶漏斗的筒口，雪花可直接儲入雨量筒底。

1.3 控制與網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)

圖2 所示的控制與網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，主要承擔(dān)2 個(gè)功能：實(shí)驗(yàn)裝置供電與監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)驗(yàn)裝置供電以太陽能控制器（MPPT）為核心，外接太陽能電池板和三元聚合鋰電池作為電源。光照良好時(shí)，太陽能發(fā)電直接用于系統(tǒng)供電，多余電能可以儲存在鋰電池中。光照發(fā)電不足時(shí)，通過鋰電池直接供電保證實(shí)驗(yàn)裝置正常工作。太陽能電池板和鋰電池的輸出電壓均為12 V，MPPT 分別通過不同電壓的接口直接輸出5 V 支持主板工作、輸出12 V 電壓支持傳感設(shè)備工作。傳感設(shè)備之間并聯(lián)，與MPPT 之間設(shè)置USB-485轉(zhuǎn)換模塊，同時(shí)該模塊還通過數(shù)據(jù)線與主板相連，轉(zhuǎn)換接口類型，保證數(shù)據(jù)信號的傳輸。電動滑軌、雨量筒等同樣與傳感設(shè)備并聯(lián)連接，由MPPT供電。

圖2 控制與網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)示意圖

主板上安裝無線網(wǎng)卡，通過MQTT傳輸協(xié)議，將USB-485 轉(zhuǎn)換模塊數(shù)據(jù)線串口發(fā)送的Raw 數(shù)據(jù)流發(fā)送到服務(wù)器端，并且實(shí)現(xiàn)Python Flask 后端接口，從而允許前端通過Ajax的方式獲取近期數(shù)據(jù)，并提供網(wǎng)絡(luò)下載數(shù)據(jù)功能。通過FRP 將VNC 端口暴露到公網(wǎng)，為用戶提供遠(yuǎn)程桌面服務(wù)。網(wǎng)卡上通過IPEX-SMA 轉(zhuǎn)接線與吸盤天線相連，吸盤天線布置于防水基箱外部最上方，用于增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)信號。除了太陽能電池板和吸盤天線外，全部工作裝置均集成封裝在基箱內(nèi)，基箱防水、耐用、抗腐蝕，保證實(shí)驗(yàn)裝置的核心部分能夠勝任連續(xù)的野外工作條件，同時(shí)使得野外試驗(yàn)更加自動化、高效化、靈活化。

2 實(shí)驗(yàn)操作基本步驟

（1）根據(jù)實(shí)測水域的水深，調(diào)節(jié)太陽能電池板，使其置于水面以上；通過伸縮架調(diào)節(jié)太陽能電池板的角度，盡可能多地利用光能；

（2）將立桿插于水中，立桿底部錐形插入部和腳撐均插入河床或湖底底泥之中，保證立桿穩(wěn)定；

（3）打開防水基箱蓋，檢查電路連接情況，確認(rèn)無誤后打開MPPT，開始系統(tǒng)供電，關(guān)閉防水基箱蓋；

（4）通過訪問IP地址輸入指令或手動調(diào)節(jié)傳感探頭的深度；將雨量筒置于岸邊合適位置，保證穩(wěn)定、安全，且四周空曠無遮擋；確保藻類水下攝像裝置在工作期間不會距離岸邊過近；

（5）通過訪問IP 地址輸入指令，設(shè)定傳感探頭數(shù)據(jù)監(jiān)測和上傳的時(shí)間步長，設(shè)定藻類水下攝像裝置拍攝和上傳的時(shí)間步長，打開主板網(wǎng)關(guān)模塊開始數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)驗(yàn)裝置開始運(yùn)行；

（6）通過訪問IP 地址查看預(yù)實(shí)驗(yàn)期間拍攝得到的藻類顯微圖像，根據(jù)圖像質(zhì)量輸入指令調(diào)節(jié)光學(xué)鏡頭的放大倍率，直至拍攝的圖像滿足應(yīng)用要求；

（7）如需進(jìn)行裝置維護(hù)與檢修，直接關(guān)閉MPPT可停止裝置整體供電，也可通過在IP地址中輸入指令，停止某個(gè)具體裝置的供電，進(jìn)而有序、安全地進(jìn)行裝置的拆卸與檢查。

2.1 實(shí)驗(yàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

將實(shí)驗(yàn)裝置布設(shè)在洪澤湖某點(diǎn)位，于2021 年9 月28 日至2022 年6 月17 日期間開展野外實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)傳輸與記錄從第一天15：40 開始，至最后一天20：36 結(jié)束，記錄步長為5 min，其中在2022 年1 月27日至2月14日進(jìn)行裝置的維護(hù)與檢修，期間沒有數(shù)據(jù)的記錄。因此監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)質(zhì)上可分為2 個(gè)階段，第一階段的截止時(shí)間為2022 年1 月27 日8：35，第二階段的開始時(shí)間為2022年2月14日15：11。將下載得到的野外實(shí)驗(yàn)連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分別繪制時(shí)序變化結(jié)果，見圖3。

圖3 野外實(shí)驗(yàn)監(jiān)測時(shí)序數(shù)據(jù)

將水溫與氣溫監(jiān)測時(shí)序數(shù)據(jù)繪制在圖3（a）中。實(shí)驗(yàn)期內(nèi)水溫和氣溫整體呈現(xiàn)先降低后升高的變化規(guī)律，每天24 h內(nèi)則呈現(xiàn)先降低再升高再降低的規(guī)律。水溫的變化幅度明顯小于氣溫，且水溫的變化相較于氣溫的變化往往滯后。

2021 年9 月末至11 月末和2022 年3 月末至實(shí)驗(yàn)結(jié)束2 個(gè)時(shí)段內(nèi)水體濁度明顯偏高，然而高濃度的葉綠素則集中于2021年10月末至2022年1月末和2022 年2 月 末 至2022 年3 月 末2 個(gè) 時(shí) 段，并 在2022年3月28日前后有一個(gè)暴發(fā)。2項(xiàng)指標(biāo)的變化規(guī)律并不相同，說明藻類和浮游植物只是水體中懸浮物質(zhì)的一部分。圖4 給出2021 年11 月13 日17：00～17：20 拍攝得到的一組水下藻類顯微圖片，能較為清晰地辨別出藻類的形態(tài)特征。隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增多，根據(jù)獲取的圖片質(zhì)量對裝置進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)試，從而獲取更清晰、質(zhì)量更高的藻類圖像。

圖4 水下藻類圖片（一組）

實(shí)驗(yàn)期間雨量主要集中在4 個(gè)時(shí)段，其中超過50%的雨量集中在2022年3月中旬至4月中旬。風(fēng)向數(shù)據(jù)記錄角度，在此以指示方向的矢量圖的方式來表示，展示的3 個(gè)時(shí)段分別為2021 年10 月7 日19：07-19：53、2022 年2 月24 日18：50-19：36 和2022年5月28日13：30-14：15。第一個(gè)時(shí)段內(nèi)風(fēng)向沒有明顯規(guī)律，第二個(gè)時(shí)段內(nèi)以西風(fēng)為主，第三個(gè)時(shí)段內(nèi)以東北風(fēng)為主。湖面附近風(fēng)浪擾動會抑制藻類生長［3］，但風(fēng)速處于較高區(qū)間的時(shí)段與葉綠素濃度處于較高區(qū)間的時(shí)段并無明顯聯(lián)系，推測是因?yàn)榻端w的影響因素較為復(fù)雜，一方面風(fēng)浪往往帶動藻類或其他浮游植物沿岸周聚集，另一方面風(fēng)可能使得湖岸附近的有機(jī)質(zhì)進(jìn)入水體，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)布設(shè)點(diǎn)位附近葉綠素濃度并不隨風(fēng)浪擾動的增強(qiáng)而增大。

2.2 系統(tǒng)工作環(huán)境參數(shù)記錄

實(shí)驗(yàn)期間對系統(tǒng)的工作環(huán)境參數(shù)以同樣的時(shí)間步長進(jìn)行了記錄，確保實(shí)驗(yàn)裝置處于正常的工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)正常寫入期間CPU 溫度高于工作系統(tǒng)溫度，二者基本同步變化。CPU溫度在10.5～61.2 ℃之間變化，平均溫度為34.0 ℃；工作系統(tǒng)溫度在16.0～48.0 ℃之間變化，平均溫度為23.7 ℃。系統(tǒng)工作電壓也較為穩(wěn)定，基本在11.4～12.6 V 之間變化，處于MPPT所輸出的12 V電壓的正常區(qū)間。系統(tǒng)基本保持了穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置性能分析

本裝置由多系統(tǒng)集成，可靈活地針對多項(xiàng)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)多功能野外實(shí)時(shí)在線水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，同時(shí)充分利用自然資源供能。通過實(shí)驗(yàn)裝置介紹和一次野外實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，總結(jié)實(shí)驗(yàn)裝置主要的性能特點(diǎn)：

（1）野外原位連續(xù)工作。當(dāng)實(shí)驗(yàn)裝置完成搭建和布設(shè)，即可實(shí)現(xiàn)對環(huán)境指標(biāo)以設(shè)定頻率進(jìn)行監(jiān)測與上傳，海量時(shí)序數(shù)據(jù)和藻類顯微圖像只需訪問IP地址即可遠(yuǎn)程下載，省略了水體監(jiān)測的中間環(huán)節(jié)，提高應(yīng)對效率，為水生態(tài)環(huán)境的研究、預(yù)警與修復(fù)提供數(shù)據(jù)支持。

（2）適用性與自動化。使用者可根據(jù)自身需要選擇對應(yīng)的傳感設(shè)備，集成于本裝置后可實(shí)現(xiàn)不同指標(biāo)的靈活監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)安全可靠，并對系統(tǒng)工作環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自我監(jiān)測，能夠勝任長時(shí)間的野外工作。環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測與傳輸均通過算法自動完成，除了裝置的檢修與維護(hù)期間，和雨量筒需要定時(shí)傾倒積水外，幾乎無需額外的人工參與。

（3）成本與節(jié)能環(huán)保。裝置可充分利用太陽能，建成之后幾乎沒有額外支出，幾乎無需人工勞動力。與遙感監(jiān)測技術(shù)［4］相比，在監(jiān)測較大時(shí)間尺度上的成本優(yōu)勢明顯，又可連續(xù)、重復(fù)使用，推廣應(yīng)用難度更低。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一套水生態(tài)環(huán)境實(shí)時(shí)在線監(jiān)測裝置，并給出了實(shí)驗(yàn)裝置的具體操作方法。通過對洪澤湖某點(diǎn)位的一期野外實(shí)驗(yàn)獲得到的時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了以下結(jié)論：

（1）與傳統(tǒng)人工監(jiān)測方法對比，本裝置提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和時(shí)效性，提高了監(jiān)測效率和自動化程度。與遙感監(jiān)測技術(shù)對比，本裝置有效控制了數(shù)據(jù)獲取成本，特別是監(jiān)測時(shí)間尺度越長，優(yōu)勢越明顯。

（2）通過集成不同的傳感設(shè)備可以根據(jù)自身需要實(shí)現(xiàn)水質(zhì)指標(biāo)的有效監(jiān)測。本裝置解決了藻類數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，有效彌補(bǔ)了水質(zhì)監(jiān)測仍主要依賴人工取樣、分析，數(shù)據(jù)稀疏、孤立性明顯，藻類生長狀態(tài)監(jiān)測、有害藻類識別仍無法擺脫實(shí)驗(yàn)室顯微圖像的依賴等缺陷。實(shí)驗(yàn)裝置根據(jù)實(shí)際需要以一定頻率獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)上傳，使用者可遠(yuǎn)程查看并下載監(jiān)測結(jié)果。

（3）本裝置對系統(tǒng)工作環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，保證裝置能夠完成連續(xù)野外工作任務(wù)，滿足不同使用者針對不同河湖水體的監(jiān)測需要，監(jiān)測取得的時(shí)序數(shù)據(jù)可為河湖生態(tài)環(huán)境的研究、預(yù)警、修復(fù)、治理提供有力支持。