基于PIC單片機(jī)的多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)

潘春麗，蒙建波，吳 杉，劉一兵，張 能，汪 明，王設(shè)計(jì)

(1.重慶大學(xué) 自動化學(xué)院，重慶400044;2.重慶工業(yè)自動化儀表研究所，重慶401123)

0 引言

目前，我國主要的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)采用現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集——實(shí)驗(yàn)室分析的方法、采用有線電話撥號通信、無線MODEM通信以及SMS短消息通信的自動監(jiān)測系統(tǒng)［1］。但這些方法存在水質(zhì)采樣不足、缺乏自動測報(bào)能力、水質(zhì)監(jiān)測信息處理時(shí)效性差、沒有對突發(fā)性污染事故的預(yù)警能力等問題，而且有線電話撥號系統(tǒng)受自然條件限制，無線MODEM系統(tǒng)網(wǎng)路覆蓋范圍有限，數(shù)據(jù)傳輸慢，SMS短消息系統(tǒng)運(yùn)行成本高，不能實(shí)現(xiàn)真正實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和傳輸［2］。因此，針對中國廣大村鎮(zhèn)供水水廠現(xiàn)狀，為中國農(nóng)村飲水安全目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要設(shè)計(jì)出一種解決方案，能有效、可靠地對水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測已成為一個(gè)必須解決的問題。

有線通信受固定位置限制，根據(jù)業(yè)務(wù)需要隨時(shí)需要增減數(shù)據(jù)傳輸點(diǎn)，極大地拓展了通信的領(lǐng)域，而中國移動的通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，可全國漫游而不增加額外費(fèi)用，特別適合中小用戶以低成本方式在短時(shí)間內(nèi)組建自己的跨區(qū)域性數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò);另外，GPRS比較適用于頻繁傳送小數(shù)據(jù)量的場合和偏遠(yuǎn)地區(qū)，架設(shè)通信線路困難的地方。鑒于以上情況，水質(zhì)監(jiān)測環(huán)境比較復(fù)雜，而水利部門又希望實(shí)時(shí)得到管轄供水站點(diǎn)的水質(zhì)信息，以便加強(qiáng)對水質(zhì)的監(jiān)控力度，預(yù)防水質(zhì)惡化。因此，可利用GPRS技術(shù)來解決地理位置受限的問題。

為此，設(shè)計(jì)了基于PIC18F6722單片機(jī)與GPRS的水質(zhì)自動實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的方案。該系統(tǒng)利用單片機(jī)為核心對水質(zhì)進(jìn)行采樣，并借助現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)GPRS對分散的水廠水質(zhì)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測，具有不受地理環(huán)境、氣候等因素限制，監(jiān)測范圍廣，實(shí)時(shí)性好，運(yùn)行成本低等優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。

1 系統(tǒng)組成

多參數(shù)水質(zhì)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示，多參數(shù)的多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，通過GPRS技術(shù)，構(gòu)成多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)。每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的上位機(jī)與監(jiān)測儀及信號板之間的數(shù)據(jù)傳輸用RS—485總線進(jìn)行，且實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的采樣。上位機(jī)的數(shù)據(jù)通過GPRS技術(shù)與監(jiān)控中心進(jìn)行傳輸，組成了多點(diǎn)采集、統(tǒng)一監(jiān)測的自動化遠(yuǎn)程多參數(shù)水質(zhì)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig 1 Block diagram of system structure

位于現(xiàn)場的監(jiān)測儀由PIC18F6722單片機(jī)、EEROM模塊、內(nèi)部時(shí)鐘電路、通信系統(tǒng)、報(bào)警電路、LCD顯示器等元件構(gòu)成。監(jiān)測儀終端數(shù)據(jù)采集框架圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集終端總體框架圖Fig 2 Overall frame work of data acquisition terminal

監(jiān)測儀將多種傳感器置于水中，一體化智能傳感器、水壓、水位傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，直接送往PIC18F6722單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。監(jiān)測儀具有Modbus現(xiàn)場總線和GPRS遠(yuǎn)程通信功能，通信接口電路定期把信號傳到控制室中。此外，如果水環(huán)境的參數(shù)超標(biāo)，報(bào)警電路便會發(fā)出聲光警報(bào)告知工作人員，并在LCD顯示器上具體參數(shù)超限的報(bào)警標(biāo)志圖片。PIC18F6722單片機(jī)自帶看門狗功能，在運(yùn)行程序的時(shí)候看門狗便發(fā)揮巨大的作用，它可以有效地防止程序的“跑飛”，并通過復(fù)位等措施使之返回正常的程序流程，使系統(tǒng)正常工作保證連續(xù)監(jiān)測。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)選型

本設(shè)計(jì)選用單片機(jī)是美國Microchip公司的PIC18F6722單片機(jī)，PIC18系列單片機(jī)是高性能CMOS集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的全靜態(tài)MCU系列它采用先進(jìn)的精簡指令集RISC(reduced instruction set computing)架構(gòu)支持Flash和一次性編程器件PIC18系列具有增強(qiáng)型內(nèi)核32級堆棧和多種內(nèi)部和外部中斷源哈佛結(jié)構(gòu)，使得16位指令總線與8位數(shù)據(jù)總線完全分離兩級流水線，使得除跳轉(zhuǎn)指令外其余指令都是在一個(gè)周期內(nèi)執(zhí)行。內(nèi)置有128 k字節(jié)可串行下載Flash存儲器，3936字節(jié)片內(nèi)RAM，7個(gè)8位的雙向可尋址I/O口，1024個(gè)字節(jié)的EEROM，2個(gè)全雙工UART的串行接口，4個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，多個(gè)優(yōu)先級的嵌套中斷結(jié)構(gòu)，以及一個(gè)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路［3］。本系統(tǒng)中利用了PIC18F6722既可永久保存實(shí)時(shí)監(jiān)控中的各種信息，也可方便地反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)可以編入不同的程序，以此保證用戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)，而且隨用戶的需要和發(fā)展還可以進(jìn)行修改，使系統(tǒng)能不斷符合用戶的最新要求。

2.2 傳感器的選型

設(shè)計(jì)中的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)，需要對幾個(gè)有代表性參量進(jìn)行監(jiān)測，一些常用的傳感器大多數(shù)不適用于水下的信號提取，即使有這樣的傳感器也必須對其進(jìn)行密閉封裝，成本大大提高［4］。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一體化智能傳感器，具有獨(dú)特的流通池，把余氯、濁度、溫度等傳感器巧妙地結(jié)合在一起;它的精度可靠性都能滿足村鎮(zhèn)水廠的需求，而價(jià)格相對較低。

系統(tǒng)中所選用的水位傳感器型號為CYB500液位傳感器，它自帶的敏感芯片輸出的電信號與作用在芯片上的液深壓力有著良好的線性關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)對液深的準(zhǔn)確測量，具有體積小、精度高等特點(diǎn)。水壓傳感器選用HDP503水壓傳感器，采用不銹鋼整體構(gòu)件，進(jìn)口彈性體原件，高精度應(yīng)變計(jì)及先進(jìn)的貼片工藝，具有高靈敏度、穩(wěn)定的性能、良好的抗沖擊能力。

2.3 通信電路設(shè)計(jì)

2.3.1 GPRS通信單元

系統(tǒng)中GPRS模塊采用CM3160P GPRS DTU模塊，采用移動 GPRS網(wǎng)絡(luò)，串口/RS—232接口，工業(yè)級設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)TCP/UDP透明數(shù)據(jù)傳輸;內(nèi)置TCP/UDP透明數(shù)據(jù)傳輸;支持多種工作模式;智能防掉線，支持在線檢測，在線維持，掉線自動重?fù)?，確保設(shè)備永遠(yuǎn)在線，是一種性能比較穩(wěn)定的工業(yè)級GPRS模塊。

2.3.2 RS—485 通信

系統(tǒng)中采用了RS—485半雙工異步通信總線，是EIA(美國電子工業(yè)聯(lián)合會)在1983年公布的新的平衡傳輸標(biāo)準(zhǔn)，具有抑制共模干擾、抑制線路噪聲的能力，加上接收器具有高靈敏度，能檢測低達(dá)200 mV的電壓，數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)千米之外［5］。RS—485總線接口適合于多站互連，一個(gè)發(fā)送驅(qū)動器最多可連接32個(gè)負(fù)載設(shè)備，它以其高速遠(yuǎn)距離傳送和多站互聯(lián)方便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測綜合自動化系統(tǒng)的串行通信中。本裝置的 RS—485通信接口由PIC18F6722單片機(jī)、RSM系列隔離RSM485CT收發(fā)器組成，通信電路如圖3所示。

圖3 通信電路圖Fig 3 Circuit of communication

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，主要考慮軟件的靈活性，實(shí)現(xiàn)程序的模塊，為其他的產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了方便。軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)主程序、數(shù)據(jù)處理程序、鍵盤以及LCD顯示子程序，報(bào)警子程序，通信程序，EEROM數(shù)據(jù)及設(shè)備相關(guān)信息存儲程序等。

主程序開始后，先對單片機(jī)PIC18F6722核心芯片以及CS5524數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行初始化設(shè)置，例如:開中斷，寄存器初始化等，再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，在采樣過程中采用中斷優(yōu)先的原則，如果發(fā)生中斷進(jìn)入中斷程序，沒有中斷發(fā)生，則循環(huán)重復(fù)采樣。一旦發(fā)生中斷，關(guān)閉RS—485接收功能，以防在對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析的時(shí)候受到其他中斷的干擾。如果解析正確，則根據(jù)應(yīng)用協(xié)議要求發(fā)送數(shù)據(jù)，解析有誤，則重新啟動AD采樣，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖Fig 4 Flow chart of system main program

中斷程序子程序主要包括RS—485串口發(fā)送和接收，及對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。中斷程序流程圖如圖5所示。當(dāng)系統(tǒng)中斷標(biāo)志位置1，表明發(fā)生中斷，為了防止數(shù)據(jù)解析錯(cuò)誤，關(guān)閉中斷，從RS—485總線接收數(shù)據(jù)，依次對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，包括設(shè)備特征解析，CRC校驗(yàn)，內(nèi)部地址，命令異常，數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)等進(jìn)行解析。

圖5 中斷子程序流程圖Fig 5 Flow chart of interruption subprogram

4 系統(tǒng)性能測試與分析

監(jiān)控中心子系統(tǒng)軟件主要包括GPRS數(shù)據(jù)接收/發(fā)送、數(shù)據(jù)庫、報(bào)表、曲線圖、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。監(jiān)控中心保持連接在專網(wǎng)上，接收各水質(zhì)采集子系統(tǒng)發(fā)回的數(shù)據(jù)，根據(jù)特定的規(guī)約解析數(shù)據(jù)包。所解析數(shù)據(jù)指導(dǎo)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行水質(zhì)數(shù)據(jù)的分析處理以及根據(jù)水質(zhì)變化情況適時(shí)啟動緊急預(yù)案、發(fā)出預(yù)警信息。數(shù)據(jù)庫功能用以保存和管理各個(gè)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

為測試系統(tǒng)的綜合性能，在重慶幾個(gè)水廠對該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。系統(tǒng)對水廠中水質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣、傳輸、分析處理。在系統(tǒng)測試時(shí)，考慮到可能影響系統(tǒng)傳輸性能的各方面因素，針對不同時(shí)間段、數(shù)據(jù)長度及監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量，進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸記錄實(shí)驗(yàn)和性能分析。監(jiān)控中心子系統(tǒng)某一時(shí)刻監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 監(jiān)控中心系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab l Monitoring data of monitoring center

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)對農(nóng)村村鎮(zhèn)水廠的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，性能測試表明:該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測與報(bào)警，準(zhǔn)確性、精度、安全性都能滿足村鎮(zhèn)水廠的需求，且應(yīng)用方便。一體化多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)還可根據(jù)用戶需求隨時(shí)更改程序，可優(yōu)化系統(tǒng)性能，具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］蔣建虎，張振江.基于GPRS和GPS的移動水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2006，25(8):66-68.

［2］萬眾華，武云志.水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用解決方案［J］.水資源管理，2004(1):32-33.

［3］劉向宇，秦 龍.PIC單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)實(shí)例精粹［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［4］秦明宏，荻山正生，木村豐.PIC單片機(jī)基礎(chǔ)與傳感器應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2010.

［5］錢顯毅，唐興國.傳感器原理與檢測技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1994.