基于GPRS的在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

劉 捷,官洪運(yùn),王志亮

（東華大學(xué) 信息學(xué)院，上海 201620）

在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種自動(dòng)檢測(cè)儀器，它能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)以TI公司16位超低功耗單片機(jī)MSP430F149為核心，通過(guò)GPRS模塊進(jìn)行無(wú)線通信，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿|(zhì)監(jiān)控中心，監(jiān)控中心軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、存儲(chǔ)。

1 系統(tǒng)工作原理與總體構(gòu)架

本系統(tǒng)是針對(duì)目前在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的市場(chǎng)現(xiàn)狀，分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展要求而設(shè)計(jì)出的一種基于GPRS的多參數(shù)實(shí)時(shí)在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)的主體部分是基于單片機(jī)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能即時(shí)或定時(shí)進(jìn)行水質(zhì)數(shù)據(jù)采集，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)GPRS模塊傳輸至水質(zhì)監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)通信、中心管理三部分構(gòu)成。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)部分是在選定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)用數(shù)據(jù)采集單元對(duì)水質(zhì)傳感器進(jìn)行水質(zhì)各參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)絡(luò)通信部分基于中國(guó)移動(dòng)公司的GPRS平臺(tái)，將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)剿|(zhì)監(jiān)控中心；中心管理部分是由監(jiān)控中心軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù)器組成的管理平臺(tái)，監(jiān)控中心軟件用VC結(jié)合SQL server進(jìn)行編寫，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、存儲(chǔ)，并在水質(zhì)指標(biāo)出現(xiàn)異常時(shí)報(bào)警。系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

由于水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)比較分散，分布范圍也較廣，而且大多設(shè)置在野外，因此，低功耗與無(wú)線傳輸是在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須考慮的問題。本系統(tǒng)選用TI公司的MSP430F149作為控制核心，選用BENQ公司的M22模塊進(jìn)行無(wú)線傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。

采集終端采用MSP430F149單片機(jī)。這款單片機(jī)是TI公司生產(chǎn)的16位超低功耗單片機(jī)，其低電源電壓范圍為 1.8 V～3.6 V,在 1 MHz時(shí)鐘條件下工作時(shí)，工作電流為 0.1 μA～400 μA；共有 5 種低功耗模式，6 μs 內(nèi)從待機(jī)模式喚醒;具有60 KB+256 B的閃速存儲(chǔ)器和2 KB的RAM；具有豐富的片上資源，包括最多8路12位的快速A/D轉(zhuǎn)換，兩個(gè)內(nèi)置16位定時(shí)器,兩個(gè)通用串行同步/異步通信接口(USART)和48個(gè)I/O引腳。這些都比較符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采用無(wú)線傳輸,基于其設(shè)計(jì)要求，選擇GPRS作為無(wú)線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，M22作為GPRS通信模塊。

2.1 電源模塊

由于系統(tǒng)設(shè)備安裝在野外，沒有可靠的交流電保證，電池也不易進(jìn)行頻繁更換，而系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合要求該系統(tǒng)能夠在連續(xù)20天陰天的情況下依然能正常供電，因此，采用蓄電池加太陽(yáng)能的供電方法。

白天在光照條件下，太陽(yáng)能電池組產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)充放電控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，整個(gè)系統(tǒng)由蓄電池進(jìn)行供電；另外，本系統(tǒng)具有智能的電源管理，能夠根據(jù)電池的容量對(duì)數(shù)據(jù)采集、無(wú)線傳輸?shù)饶K進(jìn)行電源的分級(jí)管理與控制。這樣設(shè)計(jì)為系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性提供了可靠保障。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)的指標(biāo)有多種，包括pH、溫度、電導(dǎo)、溶解氧、COD、TOC、葉綠素、礦物油、色度、濁度、酸度、氯鹽、溶氧硫化合物、重金屬含量等。但常規(guī)的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)僅包括5個(gè)參數(shù)：pH值、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度和溫度。本系統(tǒng)只對(duì)最基本的5個(gè)水質(zhì)參數(shù)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。

而合適的水質(zhì)傳感器是水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重要的組成部分。本系統(tǒng)選用美國(guó)GLOBAL WATER公司的WQ系列水質(zhì)傳感器作為整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前端。WQ系統(tǒng)水質(zhì)傳感器的輸出電流均為標(biāo)準(zhǔn)的 4 mA-20 mA，因此，信號(hào)調(diào)理電路較為簡(jiǎn)單，只要將標(biāo)準(zhǔn)輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓，并使該電壓信號(hào)在單片機(jī)的轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)即可，具體電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2所示是其中一路水質(zhì)信號(hào)的調(diào)理電路。該電路通過(guò)一個(gè)電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。選用精度為1%的金屬膜電阻來(lái)提高采樣精度。由于選用的A/D轉(zhuǎn)換范圍為0～2.5 V，選用 124 Ω的電阻，簡(jiǎn)單計(jì)算可知將4 mA～20 mA電流轉(zhuǎn)換成了0.496 V～2.48 V的電壓，在電壓轉(zhuǎn)換范圍之內(nèi)。另外，為了防止ESD（靜電釋放），提高電路的抗干擾能力，采用二極管D1作為ESD保護(hù)電路，并且用電容C1進(jìn)行濾波處理。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路

2.3 串口通信電路設(shè)計(jì)

在基于GPRS的在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，串口通信部分具有雙向通信功能，它既能將采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，同時(shí)還可以接收水質(zhì)監(jiān)控中心發(fā)出的控制命令。本系統(tǒng)選用MAX3232作為串口通信芯片。它能夠完成TTL電平和232電平間的轉(zhuǎn)換，外部電路比較簡(jiǎn)單。具體的電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3中0.1 μF的電容能夠?qū)崿F(xiàn)充電作用，以滿足相應(yīng)的充電泵的要求。另外，考慮到減小電源的干擾，還需要在芯片的電源輸入管腳加一個(gè)0.1 μF的瓷片電容和一個(gè)10 μF的電解電容來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波，以減小輸入端受到的干擾。

2.4 擴(kuò)展SD卡（Secure Digital Card）電路設(shè)計(jì)

雖然本系統(tǒng)是基于GPRS的在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，水質(zhì)參數(shù)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)似乎無(wú)需存儲(chǔ)而直接遠(yuǎn)程傳輸至水質(zhì)監(jiān)控終端，但是必須考慮到特殊情況。如果無(wú)線鏈路出現(xiàn)中斷，就要先將水質(zhì)參數(shù)各項(xiàng)數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)介質(zhì)中。因此，本系統(tǒng)預(yù)留了足夠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。

基于SD卡小巧、容量大、傳輸速度快、安全性高等特點(diǎn)，本系統(tǒng)選用其作為存儲(chǔ)介質(zhì)。SD卡與MCU連接的電路如圖4所示。

SD卡支持兩種傳輸模式：SPI模式和SD模式。SPI接口協(xié)議首先是由Motorola公司提出來(lái)的，是一種同步串行外設(shè)接口，能使單片機(jī)與其外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。MSP430F149有現(xiàn)成的SPI接口硬件模塊，另外考慮本系統(tǒng)需節(jié)省電路空間的要求，因此設(shè)計(jì)采用SPI模式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 SD卡接口電路

2.5 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，時(shí)間作為測(cè)量的參考數(shù)據(jù)是必不可少的一部分，因此，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中選用的DS3231作為本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。該芯片具有+3.3 V的工作電壓，能保存秒、分、時(shí)、星期、日期、月和年信息，能進(jìn)行閏年補(bǔ)償與老化修正，是一款低成本、低功耗、高精度的I2C實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。

DS3231能夠提供商用級(jí)和工業(yè)級(jí)溫度范圍,采用16引腳、300 mil的SO封裝。其各個(gè)模塊可以劃分為四個(gè)功能組：TCXO（溫補(bǔ)晶體振蕩器）、電源控制、按鈕復(fù)位功能和RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）。實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的硬件電路如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集終端MCU程序設(shè)計(jì)。

單片機(jī)部分的程序?qū)崿F(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換與串口通信，該部分程序用C語(yǔ)言編寫,在IAR Embedded Workbench For MSP430平臺(tái)上進(jìn)行代碼編寫。水質(zhì)監(jiān)控中心軟件用VC結(jié)合SQL server編寫。

3.1 下位機(jī)部分

通信部分是連接水質(zhì)監(jiān)控中心和數(shù)據(jù)采集終端的紐帶，其通信的可靠性和穩(wěn)定性直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。下位機(jī)的軟件部分主要介紹單片機(jī)與M22的通信過(guò)程。

對(duì)M22模塊的控制是通過(guò)AT指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在MCU發(fā)送AT指令前首先要對(duì)串口進(jìn)行初始化,再通過(guò)AT指令與M22模塊進(jìn)行通信。利用AT指令控制M22模塊建立無(wú)線信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E如下：

(1)AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”：是設(shè)置 GPRS接入網(wǎng)關(guān)的 AT命令，其中“1”是定義 PDP(分組數(shù)據(jù)協(xié)議類型)上下文，“IP”表示采用IP協(xié)議，接入點(diǎn)名稱(APN)為 CMNET。

(2)AT%CGPCO=1，“PAP，，”，1：用于上下文激活的PCO字符串，表示采用PAP驗(yàn)證，默認(rèn)的用戶名和密碼。

(3)AT$NOSLEEP=1：設(shè)置模塊處于非休眠狀態(tài)。

(4)AT$DESTINFO=“219.228.79.10”，1，8080：設(shè)置登錄的 IP 地 址和端口 號(hào) ，其 中 “219.228.79.10”是為了調(diào)試本設(shè)備所申請(qǐng)的公網(wǎng)IP地址，“1”表示支持TCP協(xié)議，若為“2”則表示支持 UDP協(xié)議，“8080”為所用的端口號(hào)。

為了方便以后更改IP地址，并不將IP直接寫入程序，而是將IP存入SIM卡的電話本里，通過(guò)一條讀電話本的命令來(lái)獲取所設(shè)置的IP地址。因此需先通過(guò)AT+CPBR=1這條AT指令來(lái)查詢電話本中索引號(hào)為1的電話號(hào)碼的相關(guān)信息。

(5)ATD*97#：發(fā)送撥號(hào)命令連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸模式。

按以上步驟與水質(zhì)監(jiān)控中心進(jìn)行連接后，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸了。

3.2 上位機(jī)部分

水質(zhì)監(jiān)控中心軟件對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)接收、顯示、存儲(chǔ)和統(tǒng)計(jì)分析等，總體實(shí)現(xiàn)以下功能：實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)測(cè)終端各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的當(dāng)前值；實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)測(cè)終端監(jiān)測(cè)設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)；對(duì)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、編輯、統(tǒng)計(jì)分析等。上位機(jī)軟件的功能框圖如圖6所示。

4 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

由于該系統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端均處于野外環(huán)境，因此對(duì)系統(tǒng)可靠性要求很高。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案主要從以下幾方面采取相關(guān)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

(1)由于水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端沒有可靠的交流電保證，因此設(shè)備均選用低功耗設(shè)備。另外，出于低功耗考慮，該系統(tǒng)還具有智能的電源管理，能夠根據(jù)電池的容量對(duì)數(shù)據(jù)采集、無(wú)線傳輸?shù)饶K進(jìn)行電源的分級(jí)管理與控制，以保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 上位機(jī)軟件功能框圖

(2)該系統(tǒng)還采用了防潮、防雷擊措施。由于系統(tǒng)設(shè)備可能安裝在空氣濕度大的地方，測(cè)量終端設(shè)備要求在高濕度環(huán)境保證系統(tǒng)正常運(yùn)行；又由于設(shè)備處于湖面，雷電較多，水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端所有接口都有雷電保護(hù)和防浪涌措施。

(3)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是系統(tǒng)運(yùn)行和管理的基礎(chǔ)，因此該系統(tǒng)建立后，確保數(shù)據(jù)的完整性非常重要。在該系統(tǒng)中，當(dāng)無(wú)線鏈路中斷時(shí)，可先將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)時(shí)間保存于本地SD卡中；當(dāng)恢復(fù)鏈路連接時(shí)，再分時(shí)將SD卡中保存的數(shù)據(jù)傳回監(jiān)測(cè)終端；另外，所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在中心服務(wù)器中都存有數(shù)據(jù)備份，所有寫入水質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)也均有備份。

(4)單片機(jī)的復(fù)位電路一般采用R-C復(fù)位電路，然而這種方式雖然成本低，但可靠性不高。本設(shè)備要求長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，因此系統(tǒng)中采用MAX809作為復(fù)位芯片，以提高系統(tǒng)的可靠性。

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