基于GPRS的無(wú)線水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

崔永良，李 霞

（萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院，萊蕪 271100）

0 引言

隨著人類工農(nóng)業(yè)活動(dòng)的增加，水體污染種類及毒性危害日益復(fù)雜化[1]。目前，環(huán)保部門主要通過(guò)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)來(lái)采集檢測(cè)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)一定的水質(zhì)模型對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理監(jiān)控河流水質(zhì)狀況。而這些站點(diǎn)比較分散，所采集的數(shù)據(jù)存在片面性；此外，傳送分析手段落后，監(jiān)測(cè)結(jié)果滯后，不能及時(shí)反映河流水質(zhì)的動(dòng)態(tài)狀況[2]。因而，建立一套完善的水質(zhì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，克服理化檢測(cè)的局限性、片面性，并縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的反映水質(zhì)變化，保證工農(nóng)業(yè)用水安全及疾病的防控，勢(shì)在必行。基于此，本文設(shè)計(jì)了基于GPRS的無(wú)線水質(zhì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

本系統(tǒng)主要由各類分站傳感器（如溫度、PH值、溶解氧DO、生化需氧量BOD、化學(xué)需氧量COD及水文參數(shù)流速和流量等）、若干分站下位機(jī)、無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)、總站工控機(jī)等多級(jí)數(shù)據(jù)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)組成。分站檢測(cè)點(diǎn)與檢測(cè)中心的系統(tǒng)框圖如圖1。

圖1 分站檢測(cè)點(diǎn)系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)工作原理是將各分站傳感器采集到的信號(hào)首先轉(zhuǎn)化為可識(shí)別的電壓信號(hào)，然后通過(guò)信息融合把同類傳感器在空間或時(shí)間上可冗余的信息[3]，依據(jù)“加權(quán)平均法”融合算法進(jìn)行融合，得出初步結(jié)果，并把初次處理得到的數(shù)據(jù)送入下位機(jī)，下位機(jī)通過(guò)DTU無(wú)線傳輸單元與上位機(jī)進(jìn)行通訊，最后把得到的數(shù)據(jù)再進(jìn)一步傳送到工控機(jī)進(jìn)行分析處理。

2 部分系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1）下位機(jī)

下位機(jī)由微控制器、無(wú)線收發(fā)設(shè)備及顯示單元組成。微控制器采用廣泛使用的AT89C51芯片，它是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的一種帶4K字節(jié)ROM的低電壓，高性能CMOS8位微處理器[4]。下位機(jī)主要用于數(shù)據(jù)采集等初步處理，打包后通過(guò)無(wú)線傳輸單元傳送給監(jiān)控中心。

2）溫度傳感器

溫度傳感器采用DS18B20。在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊，操作方便。測(cè)溫范圍－55℃～+125℃，固有測(cè)溫分辨率0.1℃。

3）PH值傳感器

PH值傳感器采用ph復(fù)合電極。本PH分析儀的測(cè)量原理是電位測(cè)定法，是通過(guò)測(cè)量電池電動(dòng)勢(shì)來(lái)確定待測(cè)離子活度的方法。測(cè)量電池是由測(cè)量電極、參比電極和被測(cè)溶液構(gòu)成，參比電極的電極電位不隨被測(cè)溶液活度的變化而變化，指示電極對(duì)被測(cè)溶液中的待測(cè)離子很敏感，其電極電位是待測(cè)離子活度的函數(shù)，所以測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì)與待測(cè)離子的活度有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。所以，測(cè)量電池的作用就是把難以直接測(cè)量的化學(xué)量(離子活度)轉(zhuǎn)換成容易測(cè)量的電學(xué)量(測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì))[5]。

圖2中，PH電極輸出信號(hào)通過(guò)ina116pa進(jìn)行放大，信號(hào)范圍為-400mv～400mv。為適應(yīng)AD轉(zhuǎn)換器的測(cè)量范圍，進(jìn)行電平抬升，Ina116pa的基準(zhǔn)電壓采用1.25V，使得ina116pa輸出電壓為825mv～1625mv?；鶞?zhǔn)電壓采用mc161403高精度基準(zhǔn)電壓源，并通過(guò)高精度、低溫漂電阻分壓得到，保證基準(zhǔn)的穩(wěn)定性；AD轉(zhuǎn)換器采用ad7705 16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，保證測(cè)量的精度；Ad7705采用4m晶振，內(nèi)部分頻，測(cè)量頻率20Hz。

4）數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸

采用DTU數(shù)據(jù)傳輸模塊。DTU提供了串行通信接口，包括RS232，RS485，RS422串行通信方式。在設(shè)計(jì)上將串口數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)“透明轉(zhuǎn)換”的方式，也就是說(shuō)DTU可以將串口上的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳送，而不需要改變?cè)械臄?shù)據(jù)通信內(nèi)容，而接收上位機(jī)軟件能將TCP/IP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包還原成串口數(shù)據(jù)。DTU的主要功能是把遠(yuǎn)端設(shè)備的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線的方式傳送回后臺(tái)中心。要完成數(shù)據(jù)的傳輸需要建立一套完整的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中包括：DTU、客戶設(shè)備、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和后臺(tái)中心。在前端，DTU和客戶的設(shè)備通過(guò)232或者485接口相連。DTU上電運(yùn)行后先注冊(cè)到移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)，然后去和設(shè)置在DTU中的后臺(tái)中心建立SOCKET連接。后臺(tái)中心作為SOCKET的服務(wù)端，DTU是SOCKET連接的客戶端。

3 下位機(jī)部分程序設(shè)計(jì)

編程時(shí)采用模塊化編程。其中測(cè)溫采用的元件對(duì)時(shí)序要求比較嚴(yán)格，編程時(shí)采用時(shí)間觸發(fā)和狀態(tài)機(jī)的編程思路。

圖3 監(jiān)控中心系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

4 監(jiān)控中心系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心的軟件系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)管理模塊、系統(tǒng)管理模塊、決策信息服務(wù)模塊和系統(tǒng)維護(hù)模塊6個(gè)模塊。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

1）數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊主要包括對(duì)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及分類數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，歷史數(shù)據(jù)的查詢、編輯、修改和刪除等[6]。

2）系統(tǒng)管理模塊

該模塊提供監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息管理功能，傳感器的采樣周期的設(shè)定及通信端口的設(shè)置等。

3）決策支持服務(wù)模塊

該模塊主要提供歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表、分析、歸納與綜合；根據(jù)預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)水質(zhì)變化趨勢(shì)或水質(zhì)參數(shù)，為領(lǐng)導(dǎo)層制定決策提供依據(jù)。

4）系統(tǒng)維護(hù)模塊

系統(tǒng)的維護(hù)任務(wù)主要包括用戶管理、權(quán)限設(shè)定，備份與恢復(fù)、安全管理、日志和審計(jì)等。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4是2011年9月6日在某市高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)汶河孝義段測(cè)試點(diǎn)“COD濃度—時(shí)間曲線”歷史查詢結(jié)果。

從圖4可以看出，COD監(jiān)測(cè)的警戒線為30PPM，當(dāng)前時(shí)間段檢測(cè)結(jié)果都在警戒線以下，符合國(guó)家設(shè)定的環(huán)境質(zhì)量四類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，也就是說(shuō)所排放的水可以作為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、景觀、漁業(yè)等用水。同時(shí)圖中顯示的結(jié)果，曲線波動(dòng)低，說(shuō)明在這段時(shí)間內(nèi)河水的COD濃度變化不大。

圖4 采樣水質(zhì)COD濃度—時(shí)間曲線

6 結(jié)束語(yǔ)

該水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已初步完成，正處于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試階段，初步測(cè)試表明，該系統(tǒng)可以完成各種水質(zhì)參數(shù)的檢測(cè)任務(wù)，具有功耗小、成本低、實(shí)時(shí)在線、不受地理位置限制等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用推廣前景。

[1]彭強(qiáng)輝.在線水質(zhì)毒性監(jiān)測(cè)儀開(kāi)發(fā)研究[D].安徽理工大學(xué),2009.

[2]徐遙令,羅大庸,張航.基于GIS的河流水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電器時(shí)代,2005,(9).

[3]曾文波,鄭國(guó)軍.基于VB的煤礦瓦斯?jié)舛葻o(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)械,2010,(5).

[4]李增祥,李田澤.無(wú)線傳輸技術(shù)在煤礦氣體檢測(cè)中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械,2010,(5).

[5]史慧.基于電位測(cè)定法的智能在線PH分析儀設(shè)計(jì)[D].鄭州大學(xué),2007.

[6]張玨.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].重慶大學(xué),2010.