水体透明度远程监测系统的研究与应用
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Ｋａ＝ Ｉ ｎＥｓ
（） ２
常规监测方法是基于萨氏盘的人工测 量方法。萨氏盘是直径 为 ２ ｍ ０ｃ 、黑自各半 的圆盘 ，将其沉入水中 ，以刚好看不到 它时的水深表 示透 明度 。
光线进 入水 中会受到 由纯水、黄色物质 、悬浮颗粒及浮 游植物的吸收和 散射 ，透 明度和光学衰 减系数 同为反映湖水
（） ４
由式（） 以看 出， 光照强度恒定 时即 一定 时， 明 ４可 在 透 度就变成关于 Ｅ 的线性 函数。传播前 的辐照度 可 以在无 １
水环境下测得 ，因此 ，在恒定光照强度下的水体透 明度测量 只需测量传播后的辐照度 巨 即可。
３ 透明度传摩器设计原理
透明度传感器 由一个无线模块、一个 电源模块 、一个小 功率半导体激光模组、一块光 电池以及水密壳体等组成 ，传
ｓ ｃ ｓｔ ｅｍｅ ｓ ｒ ｉ ｎｄ ｗｅ ｔｅ ｃ ｒ ｉｇ ｔ ｈ ｔｍｅｒ ， ｉ ａ ｅ ｅ ｉｎ ｒｎ ｐ ｒ ｎ ｙ ｍ ｅ ｓｒｎ ｅ ｓ ｒｂ ｓｎ ａ ｅ ｄ ｌ ｄ ｕ ｈ ａ ｈ ａ ｕｅ ｔ ｍｅ ａ ａ ｇ Ａｃ ｏ ｄｎ ｏ ｐ ｏ ｏ ｔｙ ｔ ｓｐ ｐ ｒｄ ｓｇ ｓａ ｔａ ｓ ａｅ ｃ ａ ｕ ｇ ｓｎ ｏ ｙ ｕ ｉｇ ｌｓｒｍｏ ｕｅ ａ ｈ ｈ ｉ ｎ ｐ ｏｏｃ ｌ Ｂｙ ｕ ｉｇｔ ｓｓｎ ｏ ， ｉ ｐ ｒｄ ｓｇ ａ ｓ ａｅ ｃ ａｕ ｎ ｙ ｔｍ ｉｈｉ ａｅ ｎｇ ｎ ｒｌｐ ｃ ｅ ａ ｉ ｅｖｃ ． ｉｇ ｔｅｗａｅ ｈ ｔ ｅ１ ． ｓｎ ｅ ｓ ｒ ｔ ｓｐａ ｅ ｅｉｎｓａｔｎ ｐ ｒｎ ｙ ｍｅ ｓ ｒ ｇｓ ｓｅ ｗｈｃ ｂ ｓ ｄｏ ｅ ｅａ ａ ｋ ｔｒｄｏ ｓｒ ｉｅ Ｕｓｎ ｔｒ ｈｉ ｈ ｒ ｉ ｓ ｈ ｔａ ｓ ａｅ ｃ ｏ ｍｕ ａｏ ｒ ｐ ｒｎ ｙ ｆｒ ｌ ｆ山ｅ Ｔ ｉ ｋ ．ｈ ｓｓ ｓｅ ｓｆ ｌ ｌｅ ｅｍｅ ｓｒ ｍｅ ｔｏ ｅｔｉ ｒａｏ ｅＴ ｉ ｋ ｅ Ｒｅ ｕｔ ｈ ｗ ａ ｈ ｓｍｅ ｄ ｉ ｎ ａ Ｌａ ｅ ｔｉ ｙ ｔｍ ｉ ｕｆ ｌｄ ｔ ａｕ ｅ ｎ ｆａｃ ｒａｎ ａｅ ｆｔ ａ ｉ ｈ ｈ Ｌａ ． ｓ ｌｓｓｏ ｔ ｔｔｉ ￣ｏ ｓ ｈ ｆ ａｉｌ， ｅｓ ｎ ｏ ｓａ ｃ ｒ ｔ ｄｒｌ ｂｅ ｔｅｅ ｔ ｅｓ ｓｅ ｉ ｔｂｅａ ｄＣ ｒ ｖｄ ａ ｉ ｄ ｉｅｆ ｒ ｎ ｉｏ ｍｅ ｔｄ ｐ ｒｍｅ ｔ ｅ ｓｂｅ ｔ ｅ ｓ ｒ ｃ ｕ ａｅａ ｅｉ ｌ， ｎｉ ｙ ｔｍ ｓａ ｌ ａ ｐ ｏ ｉｅａｂ ｓｃａ ｖｃ ｏ ｖｒ ｎ ｎ ｅ ａｔ ｎ ． ｈ ｉ ｎ ａ ｈ ｒ ｓ ｎ ｎ ｅ
第３ ７卷 第 １ 期 ６
、 １ ７ 厂 ． ０ ３ Ｎｏ １ ．６
计
算
机
工
程
２ １ ８月 ０ １年
Ａｕ ｕ ｔ ２ １ ｇ ｓ ０ １
Ｃｏ ｕ ｅ ｇ ｎ ｅｉ ｇ ｍｐ ｔ ｒＥｎ ｉ ｅ ｒｎ
・ 工程应用技术与实现 ・
文 ■ ０ － ４ （ １１ －２ － ４ 文 识 章 号ｔ ０ － ２２ １ ６－６－ １ ０ ３ ８０ ）－ ３－ ０ － ０ 蜊幕 码ｔ Ａ
光学性质的重要参数 ，它们之间存在一定的经验关系［。不 ４ 】
但是测试环境（ 如光线强度、 湖面反射光、水体周围环境
光线的散射） 测试人员的视力等在客观上对此方法下的水体 、 透明度的测定有较大影响。对此，一些学者提出一种激光测 量 方法 ，避免了上述 问题【。但 其设计 方案为针对 面向现场 １ １
广播的有限转发机制 。无线节点被 固定 ８ 网络号和 ８ 位 位节 点号唯一确定 。节点收到数据后将 目的地址与本节点地址 比 较 ，若不为本节点地址 ，则继续判 断是否 已经转发过该帧 ， 若没转发过则转发并置转发标志 。由于转发标志 的限制 ，因 此不会产 生转发 回路 。为 了保证节点之 间能稳定通信 ，必须 约定唤醒 时间，当定 时器到达指定 时间时，所有传感器节点 同时醒来进行数据采集和传输。其通信流程如图４ 所示。
点在水体 中会有相对移动 ，为保证系统不会 因为个别节点漂
移和损坏而影响整个系统 的可靠性和健壮性 ，系统采用基于
圈 １ 逢啊度传■番结构
下端光 电池接收上方激光模组发射的平行光 ，当光线射 到光 电池表面时 ，入射光会在光 电池界面上产 生光 电效应 。 产生电位差的大小与光 电池受光表面上的照度有一定的比例 关系。此时，光电池两端的 电位差经放大 电路放大后测量此 时电压值（ 前先与照度计进行 标定） 时的电压值大小 测量 。此 即可反映传播后的照度值大小 。透明度不 同的水体其透射后 的光照强度也会不同 ，所采集到的 电压值也会不同 ，因此 ， 可 以通 过无线模块采集到的 电压 的大小反映水体 的透 明度 。 图 ２中展示 了透 明度传感器 的无线模块通过通用输入输 出端 口控制 激光模组 发射 激光到另一端 的光 电池 。
其 中， 为透 明度 ； ｒ
为光学衰减系数。由式（ 可 知， 明 ３ ） 透
度与光学衰减系数呈反相关 。 结合式（） ２、式（） ３可得太湖水体透明度为 ：
Ｔ：
ｌ ， ｎＬ １—０ ０ ６ ９
．
给每个传感器节 点 ； 传感器节 点接 收到采集命令 后进行透 明 度采集 ，然 后回传给 网关节点 ，网关节点通过 ＧＰ Ｓ传输 给 Ｒ 远端服 务器 ，服 务器接 收数据 并保 存到 本机数据库 ，水质 监 测 人员通 过监测软件访问服务器并获取监测数据 ［。远程 水 ６ １ 质监测系统结构如 图 ３ 所示 。
离后， 其光能流与原来光能流之比【 。
文 献［ 通过对内陆湖水 的研究 ，得出衰 减系数 ： ３ 】
ｌｌ
＝
ｎ
鲁 （Βιβλιοθήκη Ｉ ） 其中 ，Ｋ 光学衰减系数 ；Ｚ 为深度 ；Ｅ 为深度处 的辐照 为 ｚ
度 ； Ｅ 为起始面辐照度 。 ｏ
由式（） １可知 ，当选取深度值 ｚ为 １ 时，有 ： ｍ
中 分 号 Ｐ９ 圈 类 ｔ ３ Ｔ ３
水体 透 明度 远程 监 测 系统 的研 究 与应 用
杜承虎 ，李云飞 ，王宜怀 ，刘树东
（ 大学计 算机科学与技术学院 ，江苏 苏州 ２５０ ） 苏州 １０６ 摘 要 ：传统湖泊水体透明度测量方法为面向现场的测量方法，容易受 时间、天气等客观 因素 的影响。为解决该问题 ， 用光度学原理设 利
计 由激光模组 、光 电池等组成的透明度传感器，实现一种基于通用分组无线业务的湖泊水体透 明度远程监测系统 。在研究太湖水 域的光学 衰减与透 明度关系 的基础上 ，根据太湖水体透明度的计算公式实现对 太湖某水域 的实 际测量 。结果表明，该测量方法实时性好 ， 传感器准 确可靠 ，整个系统运行稳定 ，为监测部 门提供决策依据 。 ｒ
同的水域水体各种物质含量有所区别，对光的衰减速度也不
尽相 同。
一
些学者根据测得的太湖水体透明度的倒数和光学衰减
系数进行线性回归【， 得到太湖水域的光学衰减系数与透明
度的关系：
＝
０９＋．２ ． ６ 丁 ５ ０ １ ８
（ ７５４） ６ ７０５ ０
基 金项 目：国家 自然科学基金资助项
［ ｂｔ ｔ ｒｄ ｉ ａ ｍ ｔ ｄｏ ａ ｒ ｒ ｓａ ｎｙｍ ￣ｕ ｍ ｎ ｉ ｆ ｌ ｏ ｅ ｔ ｅ ｏ ， ｎ ａ ｅ ａｉ ｆ ｃ ｄ ｙｏｊｃ ｖ ｃ ｒ Ａｓ ￣ｃ］Ｔａ ｉ ｎ ｌ ｅ ｏ ｆ ｔ ａ ｐｒ ｃ ｅ ｒ ｅ ｔｓ ｉ ｄ ｒ ｎ ｄｍ ｔ ｄ ａｄ ｉＣｌｂ ｓｙａ ｅｔ ｂ ｔ ｅｆ ｔ ｓ ｔ ｈ ｏ ｗ ｅ ｔｎ ｅ ｅ ｅ — ｉ ｅ ｈ ｔ ｌ ｅ ｌ ｅｂ ｅ ｉ ａ ０．
ＤＯＩ １．９ ９ｊｓｎ１０ —４ ８２ １ ． ．８ ： ０３ ６ ／ｉｓ．０ ０３２ ． １１ ０ ９ ． ０ ６
ｌ 概述
水体透明度监测是水质评价 与水污染 防治 的主要依据 ， 随着水体污染问题的 日渐严重 ，水体透 明度监测成为社会经 济可持续发展必须解决的重大问题。湖泊水体 的水质与 国民 生产和人们的生活息息相关，因此，快捷 准确 的湖 泊水体透 明度监测显得尤为重要。 目前 ，湖泊水体透明度的测量方法主 要有铅字法 、十字
ＤＵ ｅ ｇ ｈ ， ｕ ・ｅ ， ＡＮＧ － ｕ ｉ ＬＩ Ｓ － ｏ ｇ Ｃｈ ｎ － ｕ ＬＩＹ ｎ ｆ ｉ Ｗ Ｙｉｈ ａ ， Ｕ ｈｕ ｄ ｎ
（ｃｏ ｌ ｆ ｏ ｕｅ ｃｅ ｃ Ｔｃ ｎ ｌｇ ， ｏ ｃ ｏ ｉｅｓｙＳ ｚｏ １０ ６ Ｃ ｉａ Ｓ ｈ ｏ ｍｐ ｔｒ ｉ ｅ＆ ｅｈ ｏｏ ｙ Ｓ ｏｈ ｗＵｎｖｒｉ ， ｕｈ ｕ２ ５ ０ ， ｈｎ ） ｏＣ Ｓ ｎ ｔ
法和萨氏盘法。前 ２种方法采用透明度计或带刻度 的玻璃筒 对取样水进行 目视测量 ，由于 受透明度计 或玻璃筒长度 的限 制 ，对于透明度超过筒长的水样 。不能测量 出具体 的透 明度 值 ，因此前 ２种测量 方法不常 用。太湖流域的水体透 明度的
２ 太湖水域透明度计算
透 明度 的光度学定义为 ：一平行 光束在水中传播一定距
感器结构如图 １ 所示。
田 ３ 水质监 系统 总体架 相
一
一
一
数
一 一 一
一 一
一
一
层
４ 系统组成 ． ２ 在逻辑功能 上划分 ，系统主要 由数据采集层 、通信层 、 服务层和监测层组成 。数据采集层主要负责光照强度采集工 作 ，位于整个系统 的最底端 ；通信层主要实现无线传感节点 之 间通信和 网关节点与服务器通信 ，为服务层和采集层建立 数据通信管道；服务层主要负责数据的存储和数据的共享； 监测层运行监测软件监测 当前水体透 明度 ，用户按照一定权 限可 以观察监测 区域的水质透明度状况。 系统主要难点在于无线传感节点之 间通信机制 。由于节
［ ｅ ｏｄ ｌｗ ｔ ａｓａ ｎ ｙ ｔ ｎｐ ｅ ｃ ｎｏ； ｐ ｃｌｔ ｎ ａ ｏ ｅ ｃ ｎ ｒ ｏｅ ｏ ｉ ｒ ｇ ｙｔ Ｋ ｙ ｒ ｓ ａ ｒｒ ｐ ｅ ｃ ； ａｓａ ｎｙｓ ｓｒｏ ｔ ａ ａ ｅｕ ｔ ｎ ｏｆ ｉ ｔ ｅ ｔｍ ｎｔ ｉ ｓ ｍ ｗ ｅ ｔｎ ｒ ｒ ｒ ｅ ｉ ｔ ｉ ｃ ｉ ｅ；ｍ ｏｎ ｓ ｅ
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常规监测方法是基于萨氏盘的人工测 量方法。萨氏盘是直径 为 ２ ｍ ０ｃ 、黑自各半 的圆盘 ，将其沉入水中 ，以刚好看不到 它时的水深表 示透 明度 。
光线进 入水 中会受到 由纯水、黄色物质 、悬浮颗粒及浮 游植物的吸收和 散射 ，透 明度和光学衰 减系数 同为反映湖水
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由式（） 以看 出， 光照强度恒定 时即 一定 时， 明 ４可 在 透 度就变成关于 Ｅ 的线性 函数。传播前 的辐照度 可 以在无 １
水环境下测得 ，因此 ，在恒定光照强度下的水体透 明度测量 只需测量传播后的辐照度 巨 即可。
３ 透明度传摩器设计原理
透明度传感器 由一个无线模块、一个 电源模块 、一个小 功率半导体激光模组、一块光 电池以及水密壳体等组成 ，传
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光学性质的重要参数 ，它们之间存在一定的经验关系［。不 ４ 】
但是测试环境（ 如光线强度、 湖面反射光、水体周围环境
光线的散射） 测试人员的视力等在客观上对此方法下的水体 、 透明度的测定有较大影响。对此，一些学者提出一种激光测 量 方法 ，避免了上述 问题【。但 其设计 方案为针对 面向现场 １ １
广播的有限转发机制 。无线节点被 固定 ８ 网络号和 ８ 位 位节 点号唯一确定 。节点收到数据后将 目的地址与本节点地址 比 较 ，若不为本节点地址 ，则继续判 断是否 已经转发过该帧 ， 若没转发过则转发并置转发标志 。由于转发标志 的限制 ，因 此不会产 生转发 回路 。为 了保证节点之 间能稳定通信 ，必须 约定唤醒 时间，当定 时器到达指定 时间时，所有传感器节点 同时醒来进行数据采集和传输。其通信流程如图４ 所示。
点在水体 中会有相对移动 ，为保证系统不会 因为个别节点漂
移和损坏而影响整个系统 的可靠性和健壮性 ，系统采用基于
圈 １ 逢啊度传■番结构
下端光 电池接收上方激光模组发射的平行光 ，当光线射 到光 电池表面时 ，入射光会在光 电池界面上产 生光 电效应 。 产生电位差的大小与光 电池受光表面上的照度有一定的比例 关系。此时，光电池两端的 电位差经放大 电路放大后测量此 时电压值（ 前先与照度计进行 标定） 时的电压值大小 测量 。此 即可反映传播后的照度值大小 。透明度不 同的水体其透射后 的光照强度也会不同 ，所采集到的 电压值也会不同 ，因此 ， 可 以通 过无线模块采集到的 电压 的大小反映水体 的透 明度 。 图 ２中展示 了透 明度传感器 的无线模块通过通用输入输 出端 口控制 激光模组 发射 激光到另一端 的光 电池 。
其 中， 为透 明度 ； ｒ
为光学衰减系数。由式（ 可 知， 明 ３ ） 透
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给每个传感器节 点 ； 传感器节 点接 收到采集命令 后进行透 明 度采集 ，然 后回传给 网关节点 ，网关节点通过 ＧＰ Ｓ传输 给 Ｒ 远端服 务器 ，服 务器接 收数据 并保 存到 本机数据库 ，水质 监 测 人员通 过监测软件访问服务器并获取监测数据 ［。远程 水 ６ １ 质监测系统结构如 图 ３ 所示 。
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水体 透 明度 远程 监 测 系统 的研 究 与应 用
杜承虎 ，李云飞 ，王宜怀 ，刘树东
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计 由激光模组 、光 电池等组成的透明度传感器，实现一种基于通用分组无线业务的湖泊水体透 明度远程监测系统 。在研究太湖水 域的光学 衰减与透 明度关系 的基础上 ，根据太湖水体透明度的计算公式实现对 太湖某水域 的实 际测量 。结果表明，该测量方法实时性好 ， 传感器准 确可靠 ，整个系统运行稳定 ，为监测部 门提供决策依据 。 ｒ
同的水域水体各种物质含量有所区别，对光的衰减速度也不
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一
些学者根据测得的太湖水体透明度的倒数和光学衰减
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基 金项 目：国家 自然科学基金资助项
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水体透明度监测是水质评价 与水污染 防治 的主要依据 ， 随着水体污染问题的 日渐严重 ，水体透 明度监测成为社会经 济可持续发展必须解决的重大问题。湖泊水体 的水质与 国民 生产和人们的生活息息相关，因此，快捷 准确 的湖 泊水体透 明度监测显得尤为重要。 目前 ，湖泊水体透明度的测量方法主 要有铅字法 、十字
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法和萨氏盘法。前 ２种方法采用透明度计或带刻度 的玻璃筒 对取样水进行 目视测量 ，由于 受透明度计 或玻璃筒长度 的限 制 ，对于透明度超过筒长的水样 。不能测量 出具体 的透 明度 值 ，因此前 ２种测量 方法不常 用。太湖流域的水体透 明度的
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透 明度 的光度学定义为 ：一平行 光束在水中传播一定距
感器结构如图 １ 所示。
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