一、產品背景及意義

1.1 背景

江河、湖泊、水庫、是地表水環境保護的重要內容之一，水質水文數據是反映各水域的基本特征，有關部門可以根據相關的數據做出相應安排，能夠準確性采取環境保護措施有效預防突發事件的發生。在江河、湖泊等地表水體的水文流量監測中，地表水體離岸監測點位取樣一直是困擾環境監測部門的難題。

傳統的環境水質水文監測是通過人工攜帶便攜式儀器親臨現場經行監測或者式固定站點的連續監測，費時費力，自動化程度低，難以對水環境做出整體有效的評價與分析。通過使用物聯網將幾種監測手段結合起來，充分利用無人船的便捷性，搭載不同的傳感器設備，射頻技術，無線通訊技術等，快速有效的獲取大范圍的水文水質等信息，傳送到后臺并對這些信息經行數據的整合和挖掘，做出整體有效的評價分析。

水文水質信息的快速獲取及數據的高效利用是水環境監測中物聯網技術運用的關鍵.

1.2 意義

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

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

1.2.2）直接提升現有江河湖庫水文流量與監測裝備行業的技術水平，實現從有人采樣與監測裝備到無人監測裝備的替代與行業進步。

1.2.3）應用現有無人監測船在線監測系統平臺中的自主航行、路徑規劃等技術，真正做到全天候、高精度、自動化、高效益的工作模式，大幅度提高采樣監測水文測繪的作業效率。

二. 無人船自動監測系統-型號C120性能特點架構和特點

無人監測船在線監測系統由水面機器人船體、主控系統（含主控模塊及主控嵌入式軟件）、供電系統、船載遙控器通信系統及水文監測設備部分構成。從而建成一個局域網絡，實現遠程操控船體，并進行無線數據傳輸的一體化系統。

無人船自動監測系統-型號C120性能特點系統總體架構圖如下：

系統工作條件

最小水深：≤0.15m；

風浪等級：≤3級風，≤2級浪；

投放方式：岸邊投放

適于電源220～240V/50Hz

1. 無人流船體

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

設計形態：M型體流線式設計，重心低、阻力小、航行穩

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

2. 動力系統

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，具有防水草纏繞設計。安全可靠性高、易于安裝維護及便于攜帶。

3. 主控系統

船只可以接受遙控器的指令并執行，通過遙控器完成全部的航行任務和工作任務；

船只可在船控控制下根據GPS定位，遙控行駛，完成任務后可手動返航。

方向控制方式：支持無舵機轉向功能和“倒車”航行技術。

系統組成如下圖：

4. 供電系統

采用高能鋰離子聚合物電池；續航能力，2小時；支持備用電池直接更換。船體外部有預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；

技術指標

電池容量：29.4V   20Ah *2組

電池充放電次數：≦200次

大電流充電器：電流10A

5. 通訊系統

船載天線及安裝基座、數據無線發送/接收模塊、因搭載儀器通信系統所需屏蔽等處理。

無人船與遙控器采用RF無線射頻點對點通信方式，進行數據通訊功能

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，進行數據、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交互轉換；

遙控器可手動編輯工作任務：隨時控制，隨時中斷或隨時改變工作任務；

重量：≦1公斤 ，防水防塵等級：IP65；

搖桿數量：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. 遠程視頻監控系統

高清攝像機和視頻傳輸模塊，過視頻監控，可人工遠程操縱無人船，使其姿態調整更平穩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

高精度 GPS/北斗定位系統，需要接收機、導航系統軟件模塊組成。

9. 遠程控制系統

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

可下載工作水域離線衛星地圖，并存儲和管理。可設置船只行駛路線、采樣監測點順序、及返航路線等任務編輯。常規采樣、監測、測流、測繪等任務存儲及調用、歷史數據的存儲；

接收和顯示無人船信息，實時顯示水質在線監測結果；圖形動態顯示無人船工作狀態（即移動、監測）、位置狀態（或經緯度）、朝向、顯示船只剩余電量、行駛速度、等各類信息；

10. 業務單元

（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到自己的產品中。

使用了StarFish的數字CHIRP聲學技術，453 OEM系統水平波束寬度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開發包，用于輔助用戶開發自己的聲吶系統。

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。

技術參數：

尺寸：

長：432mm

寬：41mm

高：18mm

空氣中重量：0.35kg

殼體：

結構：黑色聚乙稀

耐壓：300m

電纜長：可定制

電纜結構：黑色聚乙稀外套，內含凱夫拉加強物質

聲學：

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

工作模式：Chirp 脈沖壓縮模式

脈沖長度：典型400us

發射能量級別：<210dB re 1µPa @ 1m

StarFish Scanline軟件：

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

用戶通過軟件可控制左舷、右舷或兩側的通道同時工作。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，如從頂到底，從左到右，或反之亦然。在使用時，用戶也可以隨時調節工作的增益、對比度和量程。為長期連續監測設計的EXO2s，是一款多參數水質監測儀，可以監測常規五參數，根據應用需求還可測定氨氮、藍綠藻、葉綠素a等參數。

儀器采用防腐蝕，耐沖擊、具有高化學穩定性的Xenoy塑料外殼，采用加強結構設計，具備同時監測水溫、溶解氧、電導率、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；藍牙通訊技術以用于校準、通訊和下載數據時無電纜操作；配置應包括內置的磁開關和外帶的用于無線控制藍牙的激活物件。

傳感器均應該是“智能”的并存貯了其校準數據在其中。傳感器應可在不同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，可以現場拆卸、更換和維修；所有傳感器采用鈦合金材質，滿足深度達250米的運行環境；所有探頭內置溫度探頭，實現溫度補償。

智能接口可自動識別故障，自動關閉故障探頭或接口。

數據存儲功能，主機存儲器:512MB；存儲量不得小于100萬個測量數據。

ROX溶解氧傳感器采用熒光壽命檢測技術，是當今可靠的溶解氧傳感器，維護量極低；在高硫化氫（H2S）與低氧環境也能長時間工作，并獲得可靠數據，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測其目標水域的葉綠素和藍綠藻數量，從而知道河道的富營養化程度。YSI藍綠藻傳感器均能提供高靈敏性、高可靠性的現場數據。

1．技術規格：

1.1. 工作條件:

1.1.1 環境溫度：-5℃～+50℃；

1.1.2 相對濕度： 0%～100%

1.2 分析方法、功能、技術參數要求

1.2.1 分析方法要求

多參數水質監測儀的測量方法應與國家標準方法或行業標準方法一致，性能穩定、工作可靠、可控性好。具體如下表所示：

1.2.2 系統基本功能

1.2.2.1  具備同時監測水溫、濁度、pH、溶解氧、電導率、葉綠素和藍綠藻（總藻）等7個參數的功能。

1.2.2.2  所有探頭都可以現場拆卸、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 儀器技術參數

1.3.1 水溫

量程：-5-50℃

分辨率：0.001 ℃

準確度：±0.01℃

響應時間: 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;±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或讀數之±2%； 1000-4000 NTU：讀數之±10%

響應時間: 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或讀數之1%，以較大者為準；20 - 50 mg/L: 讀數之±5%

響應時間: 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連續稀釋相關（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連續稀釋相關（0 - 400μg/mL）

檢出限： 0.1 μg/L Chl

Scanline軟件顯示的部分窗口

水質監測（水質多參數分析儀）

EXO2s多參數水質監測儀