海洋环境参数监测传感器的稳定性评价研究

海洋环境参数监测传感器的稳定性评价研究

陈雯雯

烟台市蓬莱区海洋环境监测中心 山东烟台264000

摘要：随着海洋强国、质量强国和海洋生态文明的建设，海洋观测预报、防灾减灾、生态修复和生态文明建设等活动更加重视海洋环境参数监测数据的准确和可靠。利用各种性能优异的传感器是获取实时和连续海水环境参数的最直接和最有效的方法，可提供各种海洋环境参数的时空分布和变化规律，因此传感器是海洋调查仪器的基础，其各方面性能是评价仪器质量的关键，同时是调查数据质量的保障。海洋传感器的使用环境复杂多变，会受到风、流、浪、盐雾和生物附着等各类环境因素的影响，再加上海洋数据种类多和采集成本较高，因此为获得高质量的海洋环境监测数据，须经常校准和评价传感器的性能。

关键词：海洋环境；参数监测传感器；稳定性评价

引言

海洋观测是认识、研究、开发、利用海洋的基础。我国早期海洋监测采用人工釆集海水样品带回实验室分析的方法。该方法不但费时费力,而且样品在釆集和运输的过程中很有可能已经被污染,造成最终测量结果不准确。随着计算机网络与通信技术的不断发展,我国普遍采用部署物联网的方式,通过无线传感器实时采集海洋数据。但由于海洋范围较广且海上通信条件苛刻,无线方式难以保证较高的传输效率,并且专用的无线传感器部署及维护成本较高,并不能满足整体海洋环境监测的要求。

1海洋环境监测系统的总体架构

该系统采用物联网技术设计。采用无线传感器网络技术的数据采集子系统主要负责系统监控数据的采集，监控终端通过无线网络通信实现监控数据的传输。海洋环境监测信息管理次级系统提供了一个储存和分析监测数据的平台，并根据分析结果，通过因特网传送和分析监测数据。系统底板由部署在监视区域的各种传感器节点组成。传感器节点主要包括:传感器驱动器、处理器驱动器、无线通信驱动器、电源驱动器。地面监控终端位于上方，主要包括接收传感器节点数据的传输设备、监控区视频采集模块和发送监控数据的无线通信模块。最终数据被传输到监测中心，主要包括用于数据传输的无线通信模块、用于数据接收和数据预处理的工业计算机以及用于数据存储、计算和发布的服务器。

2监测站功能

监测站主要用于监测海洋环境。其中,每个串口接的设备都是确定的。工控机通过RS-232/485通信接口,采用Modbus-RTU通信规约与设备进行通信。数据帧中包括地址码、功能码、数据码、循环冗余校验(cyclicredundancycheck,CRC)位,以保证数据传输的准确性、可靠性。设备串口信息为PLC控制器(COM1)、CSS3传感器(COM2)、电参数传感器(COM3)、温湿度传感器(COM4)、WIZ传感器(COM5)、HYC5传感器(COM6)。监测站界面可实时显示阀门的当前状态,并可手动控制阀门的开关。界面中包括气象数据、营养盐数据、水质仪数据以及站房环境参数等模块内容。系统显示采用实时更新的方式。当系统完成对应数据的采集后,会及时更新页面,显示最近1次存入的数据,并更新下次的采集时间。手动模式用于管理人员手动控制功能。系统采用设置对应的标志位来改变手动和自动模式。用户可以在主界面进行模式切换。当PLC内部标志位“M500”设置为1时,系统将进入手动控制模式。在手动控制模式中,用户可以通过操作界面查看图中当前各个阀门的状态以及水槽中水位的高低位置,并通过点击阀门、水泵、分析仪等图标实现设备的启停控制。此外,考虑到站房会有断电的特殊情况发生,系统会将系统参数存储到本地数据库,并通过重启从数据库中读取上次的参数配置,从而实现系统状态保护。

3传感器的漂移系数和漂移率

利用最近一次校准的传感器电信号值与标准值进行线性回归，得出新的拟合公式；将往年的传感器电信号值代入该拟合公式，计算每年校准的传感器示值和误差；根据每年校准的传感器示值和对应标准值计算每年传感器的漂移系数。传感器的漂移系数（ｓｌｏｐｅ）的计算公式为：

式中：Ｙｉ示和Ｙｉ标分别表示传感器在第ｉ个校准点的示值和标准值；ｎ表示校准点个数。对于数据漂移严重的传感器，计算每年传感器的漂移率（δ），计算公式为：

式中：ｓｌｏｐｅｐｏｓｔ和ｓｌｏｐｅｐｒｅ分别表示最近一次和上一次校准的传感器漂移系数；Δｔ表示２次校准的时间间隔。

4传感器的稳定性

传感器的稳定性是指传感器在一定时间内输出信号的复现性程度，该指标是与时间有关的真正影响因素。受海水不断运动变化的影响，由于测量时间不同，同一测量点上各传感器测量的海洋环境参数监测数据不尽相同，无法考察仪器的长期稳定性。传感器校准是在同一实验室和同一环境条件下，由同一批实验人员采用同一种方法和同一种计量标准器，在不同时间进行的重复性实验，其校准数据具有可比性。

5系统主要硬件设计

传感器节点通常由功能模块组成，如数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元。图中的箭头方向表示节点中数据的流向。设计节点硬件时，主要考虑系统成本、开发程度、资源处理能力、基本通信协议能力、二次开发能力和传感器节点通信可靠性的电路设计。本系统选用MSP430F149模块，主要执行以下功能:①操作无线收发芯片，向CC2420提供运行状态控制线路和两条单向串行传输数据线路；②实现传感器数据的管理和采集实现加速度、温度、声光强度的检测；③本地数据处理–消除冗馀数据，以减少网络传输负担，并封装和验证无线传输数据；④回答遥控中心询问进行数据转发和存储；⑤区域内节点的路由维护功能；⑥节点电源管理，合理设置待机状态，节省功耗，延长节点寿命。智能无线传感器网络是采用分布式处理策略的网关节点(检测数据收集中心、汇点)。网关节点是将无线传感器网络连接到外部网络的中间站。它负责发送上级命令(如查询、ID地址分配等)。并接收来自底层节点的请求和数据。数据集成、请求仲裁和路由。

6数据库设计

系统采用SQLServer搭建数据库。关系型数据库系统,是1个可扩展的、高性能的、为分布式客户机/服务器计算所设计的数据库管理系统数据库中包括设备表、气象表、营养盐表、参数表、状态表以及水质仪表,用于存储设备的信息以及盐度、pH、溶解氧等环境参数。数据库结构如图2所示。

图2数据库结构图

在数据库的支持下,系统具有查询和删除历史数据功能,并支持查看数据曲线和将数据导出到Excel,以便用户管理实时数据。

7传感器的稳定性

在计量学上，测量仪器的稳定性是指测量仪器的计量特性随时间恒定不变的能力，通常需要通过多个周期的测试才能确定。海洋计量检测机构利用同一传感器连续多年的校准数据来分析海洋传感器的稳定性。同一传感器每年定期送至海洋计量检测机构校准，在相同的计量标准装置、相同的校准方法、相同的操作程序、相同的操作条件和相同的地点对同一被测仪器进行重复性测量，传感器的测量值具有一定的可比性。因此，按照同一回归公式，将各传感器历年电信号值转化为传感器测量值，再比较传感器测量值与对应标准值的差即传感器测量误差的重复性，即可评价传感器的稳定性。由于每年的标准值基本不变，即传感器的测量值重复性较好；电导率和叶绿素传感器历年测量误差整体正向漂移，表明传感器的测量值低于标准值；浊度传感器历年测量误差整体负向漂移，表明传感器的测量值高于标准值。因此，当传感器历年测量误差均为正向或负向误差，即误差向同一个方向变化时，表明传感器数据发生漂移即性能不稳定；当传感器历年测量误差在０附近轻微波动时，表明传感器测量值稳定即传感器性能稳定。

结束语

系统的通信稳定性、通信效率以及自动化程度较高,并且具备长时间自动工作的能力,具有较高的可靠性。所设计的海洋环境多参数在线传感系统实现了实时监测海洋环境的功能,有效提高了海洋水质环境的监测效率,丰富了海洋科学研究方法,有很高的实用价值。

参考文献

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[2]杨祯明.基于海洋环境数据的物联网动态监测系统设计[J].舰船科学技术,2018

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