基于GPRS的多參數(shù)分布式水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張開驍，張 森，王成杰，邰 非，胡立群，陳敦軍

(1.河海大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京210098;2.南京大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210093)

水質(zhì)污染的變化，將影響水生生物的生長(zhǎng)和水體生態(tài)系統(tǒng)的平衡，因此監(jiān)測(cè)水質(zhì)污染指標(biāo)的變化尤為重要，其已被廣泛應(yīng)用于環(huán)保監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)流程污染監(jiān)控等領(lǐng)域，而對(duì)于一個(gè)廣闊區(qū)域內(nèi)的多個(gè)不同測(cè)量點(diǎn)的某些參數(shù)或狀態(tài)長(zhǎng)期持續(xù)地監(jiān)測(cè)，需在對(duì)應(yīng)位置部署相應(yīng)的傳感器，不同傳感器測(cè)量到的數(shù)據(jù)向系統(tǒng)平臺(tái)傳送匯總，系統(tǒng)平臺(tái)接收數(shù)據(jù)后首先對(duì)數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行判斷分析，然后將對(duì)應(yīng)傳感器的參數(shù)數(shù)據(jù)分別推送到程序后臺(tái)對(duì)應(yīng)的傳感器分析程序，每個(gè)傳感器分析程序?qū)⒎治龀龅臏y(cè)量結(jié)果返還給系統(tǒng)平臺(tái)，并通過對(duì)其測(cè)量結(jié)果的綜合分析，得出準(zhǔn)確的綜合測(cè)量結(jié)果，為下一步預(yù)警工作的實(shí)施提供依據(jù)。

1 參數(shù)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳送方式的選擇

在上述分布式多參數(shù)系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)采集與處理過程中，數(shù)據(jù)傳送方式較為重要，通常數(shù)據(jù)的傳送為3種方式:(1)采用人工巡查方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送匯總，但該方式相對(duì)較為初級(jí)，易受到自然條件等各方面因素的影響。(2)采用有線傳送，該種方式的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸較為穩(wěn)定，但易受到距離限制。(3)采用無線傳送方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，不僅可降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)省布線成本、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，且還具有便捷、靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，適用于對(duì)廣闊區(qū)域內(nèi)的多個(gè)不同測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送，故以此方式構(gòu)建平臺(tái)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多通道分布式水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)由以下模塊構(gòu)成:中心主控計(jì)算機(jī)、分布較廣的智能傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)等組成的分布式探測(cè)器系統(tǒng)。其是由光學(xué)、電學(xué)、化學(xué)、生物等多種測(cè)量方式所構(gòu)成的智能傳感器。而連接智能傳感器端與中心控制計(jì)算機(jī)端的系統(tǒng)平臺(tái)為無線數(shù)傳模塊，以下對(duì)各系統(tǒng)模塊的組成與功能進(jìn)行了分析。

2.1 系統(tǒng)主要模塊功能

分布在監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傳感器和帶有CPU的本地控制器形成一個(gè)“智能傳感器”系統(tǒng)，除了可獲取探測(cè)信號(hào)外，還能對(duì)探測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行初步處理，并與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。中心主控計(jì)算機(jī)用于接收和處理來自不同測(cè)量點(diǎn)的智能傳感器所傳送的數(shù)據(jù)，同時(shí)可向其發(fā)送控制指令。而無線通訊則是為中心主控計(jì)算機(jī)與各智能傳感器之間的溝通提供條件。

2.1.1 智能傳感器模塊

水環(huán)境監(jiān)測(cè)智能傳感器，以紫外光電傳感器為例，該傳感器主要以光學(xué)方式對(duì)水中成分進(jìn)行采樣，提取光譜信息，該智能傳感器由以下幾部分組成:本機(jī)控制單元、光學(xué)傳感器組、信號(hào)調(diào)理單元、數(shù)據(jù)發(fā)送/接收單元。其中本機(jī)控制單元:由單片機(jī)STC12C5610AD擔(dān)任，負(fù)責(zé)電源管理、接通傳感器、啟動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、控制數(shù)據(jù)的發(fā)送接收等。其主要特點(diǎn)為:1 T周期、10 kB Flash ROM、786 kB RAM、15 I/O、片上帶有10 bit 8路A/D轉(zhuǎn)換器、UART接口且低功耗運(yùn)行等。傳感器組包含:光電發(fā)光管、光電接收管等。信號(hào)調(diào)理單元含有:程控制放大器等，可將接收到的信號(hào)進(jìn)行放大、整形。調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)數(shù)字化，從而方便數(shù)據(jù)保存和傳送。數(shù)據(jù)發(fā)送接收單元，將來自傳感器的數(shù)據(jù)以無線方式進(jìn)行發(fā)送或接收來自控制中心的遠(yuǎn)程命令。同時(shí)將多個(gè)智能傳感器分布在廣闊的江、河、湖面上，中心控制計(jì)算機(jī)隨時(shí)接收來自這些傳感器的測(cè)量信息，從而對(duì)區(qū)域內(nèi)的水環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

智能傳感器將獲取的本地測(cè)量信號(hào)定時(shí)向遠(yuǎn)端的控制中心傳送，通常采用無線方式發(fā)送。常用的無線發(fā)射模塊有:嵌入式無線射頻數(shù)傳模塊、GSM短信模塊、GPRS模塊。

(1)嵌入式無線射頻數(shù)傳模塊，一般含有高速單片機(jī)和高性能的射頻芯片，具有UART接口，采用GFSK的調(diào)制方式，工作頻率418～455 MHz，空中傳輸速率2 400～9 600 bit·s－1，可方便嵌入到測(cè)量系統(tǒng)中，測(cè)量系統(tǒng)與射頻模塊通過UART口連接，數(shù)據(jù)傳送透明，軟件開銷小。但無線射頻數(shù)傳模塊數(shù)據(jù)傳輸距離相對(duì)較短，一般只有幾百到幾千米的距離。

(2)GSM(Global System for Mobile communication)短信模塊，具有UART接口，本地測(cè)量系統(tǒng)中的CPU通過UART口，以AT指令操作GSM模塊，并以短消息的方式與中心計(jì)算機(jī)建立聯(lián)系，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，因利用的是GSM網(wǎng)絡(luò)，所以數(shù)據(jù)傳送距離幾乎不受限制，只要有手機(jī)信號(hào)便可互傳數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)是通過短信息中心間接傳送，具有數(shù)據(jù)非及時(shí)傳送的特性，因此適合應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求較低的數(shù)據(jù)傳送。此外，利用GSM短信傳遞數(shù)據(jù)，必須按要求將數(shù)據(jù)翻譯成GSM網(wǎng)絡(luò)所能識(shí)別的格式，因此需要增加額外的軟件開銷。

(3)通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service，GPRS)，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，該技術(shù)以分組交換為基礎(chǔ)，能夠在移動(dòng)用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)間提供一種鏈接，這便可為移動(dòng)用戶提供無線IP和X.25服務(wù)，然后用戶可通過GPRS使用各種高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，GPRS模塊以TCP/IP協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)，因此通過GPRS傳送的數(shù)據(jù)可以方便地與互聯(lián)網(wǎng)對(duì)接，本地測(cè)量系統(tǒng)通過UART口連接GPRS模塊，并以擴(kuò)展的AT指令操作GPRS模塊，向因特網(wǎng)上的中心主控計(jì)算機(jī)發(fā)起連接，一旦建立聯(lián)系后，始終保持在線，且數(shù)據(jù)傳輸速度快、實(shí)時(shí)性好。目前，大多數(shù)GPRS模塊內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議，這為編程開發(fā)提供了便利，該方式要求中心控制計(jì)算機(jī)有獨(dú)立的IP地址，可以方便地接入互連網(wǎng)。

2.1.2 無線模塊

無線模塊一端連接智能傳感器，另一端連接中心控制計(jì)算機(jī)。智能傳感器系統(tǒng)中CPU帶有UART口，而無線模塊一般也帶有1～2個(gè)UART口，因此兩者通常以UART口直接連接交換數(shù)據(jù)。智能傳感器中的本地CPU直接寫入和讀取UART口數(shù)據(jù)，無線射頻模塊負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)對(duì)外發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)在智能傳感器和中心計(jì)算機(jī)之間透明傳輸。由于系統(tǒng)中含有多個(gè)智能傳感器，為了識(shí)別信息來源，必須為系統(tǒng)中的每個(gè)傳感器和中心控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一的物理編號(hào)。例如，編號(hào)0代表計(jì)算機(jī)，編號(hào)1～255代表1號(hào)～255號(hào)傳感器。將數(shù)據(jù)信息格式定義如下。字頭，即信息特征字，用于引導(dǎo)信息，采用“TFWX”4個(gè)字符;來源編號(hào)，用于表明信息流出的傳感器或計(jì)算機(jī);目標(biāo)編號(hào)，用于表明信息流入;數(shù)據(jù)內(nèi)容，發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)字節(jié)，16進(jìn)制數(shù)據(jù);結(jié)束符，表明本段信息結(jié)束，結(jié)束符用2 Byte的16進(jìn)制數(shù)0XFF，0XFD表明。智能傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，來源編號(hào)為本機(jī)編號(hào)，目標(biāo)編號(hào)為0，表明向中心控制計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。智能傳感器數(shù)據(jù)接收時(shí)，來源號(hào)碼為0，表明信息來源于計(jì)算機(jī);若目標(biāo)編號(hào)與本機(jī)編號(hào)一致，表明該信息為中心計(jì)算機(jī)向本機(jī)發(fā)送的命令，解析后續(xù)數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)操作。否則忽略本條信息。

2.1.3 中心控制計(jì)算機(jī)模塊

中心控制計(jì)算機(jī)和數(shù)傳模塊可通過不同的方式連接。中心控制計(jì)算機(jī)一般帶有RS232串行接口，通過電平轉(zhuǎn)換，可以與射頻無線模塊的UART口連接。GSM模塊通常帶有RS232，可以與計(jì)算機(jī)的串口直接相連;如果計(jì)算機(jī)只有USB接口，可以通過USBRS232轉(zhuǎn)接器進(jìn)行連接;如果以GPRS方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，計(jì)算機(jī)端無需連接GPRS模塊，中心控制計(jì)算機(jī)需要具有獨(dú)立的IP地址，并接入互連網(wǎng)。

中心控制計(jì)算機(jī)端，在通過一個(gè)無線數(shù)傳模塊接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)信息內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的處理。中心控制計(jì)算機(jī)對(duì)接收到的信息，根據(jù)來源編號(hào)判斷信息來自于系統(tǒng)中的哪個(gè)智能傳感器，并保存處理數(shù)據(jù)。中心控制計(jì)算機(jī)如果要發(fā)送信息，信息中的目標(biāo)編號(hào)指明信息流向，從而可以控制對(duì)應(yīng)的智能傳感器。采用GPRS方式，智能傳感器的本地CPU通過UART口連接GPRS模塊。首先要知道中心控制計(jì)算機(jī)的IP地址，然后本地CPU以AT指令通過GPRS模塊發(fā)起對(duì)中心計(jì)算機(jī)的連接，并等待響應(yīng)。一旦連接成功，便可發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。以SIM900A GPRS模塊為例，若中心主機(jī)IP地址為“202.119.45.28”，程序端口為60000，發(fā)送數(shù)據(jù)0X85，則本地CPU向GPRS模塊寫入AT指令，可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)操作?；貍鹘o本地CPU的數(shù)據(jù)，可能是命令響應(yīng)，也可能是收到的數(shù)據(jù)。對(duì)于接收到的數(shù)據(jù)，本地CPU進(jìn)行解析，如果是有效數(shù)據(jù)，則執(zhí)行相應(yīng)的操作。此外中心計(jì)算機(jī)連接在互聯(lián)網(wǎng)上，對(duì)特定端口進(jìn)行偵聽，響應(yīng)連接請(qǐng)求。連接成功后便可進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)。即中心計(jì)算機(jī)根據(jù)端口判斷信息來源，向?qū)?yīng)端口寫入數(shù)據(jù)，則可向相應(yīng)的傳感器發(fā)送控制命令。

3 結(jié)束語

最終實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)平臺(tái)工作流程如圖1所示，多種不同類型的傳感器數(shù)據(jù)通過集成器與GPRS無線發(fā)射/接收裝置相連，系統(tǒng)平臺(tái)接收數(shù)據(jù)后首先對(duì)數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行判斷分析，然后將對(duì)應(yīng)傳感器的參數(shù)數(shù)據(jù)分別推送到程序后臺(tái)對(duì)應(yīng)的傳感器分析程序，每個(gè)傳感器分析程序?qū)⑺治龀龅臏y(cè)量結(jié)果返還給系統(tǒng)平臺(tái)，系統(tǒng)平臺(tái)通過對(duì)這些測(cè)量結(jié)果的綜合分析，得到準(zhǔn)確的綜合測(cè)量結(jié)果或預(yù)警結(jié)果。同時(shí)根據(jù)需要設(shè)置采樣間隔與電源延時(shí)關(guān)閉時(shí)間，依次通知遠(yuǎn)端分布式探頭向本機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。服務(wù)器上裝有GPRS無線發(fā)射/接收裝置:一方面可以接收傳感器數(shù)據(jù);另一方面可以對(duì)傳感器發(fā)送指令或給用戶終端發(fā)送預(yù)警結(jié)果。預(yù)警參數(shù)輸出程序界面參見圖2所示，最終實(shí)現(xiàn)了多參數(shù)的監(jiān)測(cè)預(yù)警功能，包括無參數(shù)傳感器、生物行為傳感器、紫外光電傳感器、生物毒性傳感器、重金屬傳感器、紫外光電分布式傳感器等。預(yù)警平臺(tái)通過對(duì)多傳感器數(shù)據(jù)的相互印證，實(shí)現(xiàn)初步對(duì)事故警情的風(fēng)險(xiǎn)源項(xiàng)進(jìn)行篩查和分析，為警告的發(fā)布提供信息來源。

圖1 系統(tǒng)平臺(tái)工作流程圖

圖2 系統(tǒng)平臺(tái)參數(shù)輸出界面

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