水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

盧 娜,張鳳莉

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，河南 商丘 476000)

2014年“6·5”世界環(huán)境日中國(guó)主題為“向污染宣戰(zhàn)”，可見當(dāng)前中國(guó)環(huán)境保護(hù)的任務(wù)日益艱巨. 過去，我國(guó)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)基本上是采取手工操作的方法. 由于采樣間隔時(shí)間長(zhǎng)，數(shù)據(jù)分析匯總慢，傳遞不及時(shí)，不能實(shí)時(shí)反映出水質(zhì)污染的變化情況，不能對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境現(xiàn)狀正確、及時(shí)地進(jìn)行整體把握，無法滿足環(huán)境管理的要求. 這種傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式已經(jīng)不能滿足水質(zhì)監(jiān)測(cè)的需求，急需尋求一種現(xiàn)代化方法進(jìn)行監(jiān)測(cè). 本文旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、采樣、處理，并自動(dòng)將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測(cè)中心，建立一套水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng).

1 系統(tǒng)功能分析與設(shè)計(jì)

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)河流的水質(zhì)情況而設(shè)計(jì)的. 主要實(shí)現(xiàn)的功能包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、水質(zhì)信息管理、歷史信息查詢、數(shù)據(jù)分析、報(bào)表生成、和系統(tǒng)管理等功能[1]6.

從分散在河流沿線的多個(gè)監(jiān)測(cè)站獲得水質(zhì)數(shù)據(jù)到管理層對(duì)各點(diǎn)數(shù)據(jù)的查看和分析，整個(gè)數(shù)據(jù)流向可以把該系統(tǒng)的功能分為以下三個(gè)層面：

第一層位于水質(zhì)監(jiān)測(cè)的最前端，是主要的水質(zhì)信息的采集部分，主要功能是：(1)連接并控制監(jiān)測(cè)設(shè)備或傳感器；(2)采集并記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)狀況；(3)在自動(dòng)優(yōu)化模式下可根據(jù)水流的流速情況優(yōu)化采樣頻率； (4)與上層的監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；

第二層即中間層，屬于較小區(qū)域的控制監(jiān)測(cè)中心層. 該層主要是考慮到水質(zhì)監(jiān)測(cè)時(shí)信息傳輸?shù)膮^(qū)域范圍和管理上的方便，主要功能是：對(duì)本區(qū)域的監(jiān)測(cè)站進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、監(jiān)控功能；接收監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并做相應(yīng)的處理和存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；與管理站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，包括接收命令和上傳報(bào)警等信息；有客戶操作界面，可以做一些監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)置、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和報(bào)警信息查詢等；

第三層即最高的管理監(jiān)控層. 其主要功能是：收集中間層中各個(gè)控制監(jiān)測(cè)中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并做相應(yīng)地統(tǒng)計(jì)等分析；對(duì)全網(wǎng)監(jiān)測(cè)信息的統(tǒng)計(jì)、處理、分析；對(duì)水質(zhì)的污染能快速、準(zhǔn)確地發(fā)出警報(bào)；生成各種分析后的報(bào)表供管理部門裁決.

2 河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)參數(shù)分析

監(jiān)測(cè)參數(shù)的確定對(duì)于水質(zhì)的監(jiān)測(cè)起著至關(guān)重要的作用，只有正確地設(shè)定了待監(jiān)測(cè)的參數(shù)才能讓我們準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到我們所關(guān)心的指標(biāo)，也可以為我們準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)水質(zhì)等級(jí)提供依據(jù).

根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)——GB3838-2002，我們可以把監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分為三大類：必評(píng)、選評(píng)和參評(píng)[2]19. 必評(píng)項(xiàng)目包括溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、氨氮、揮發(fā)酚和砷共6項(xiàng)；評(píng)選項(xiàng)目有：五日生化需氧量、氟化物、氰化物、汞、銅、鉛、鋅、鎘、鉻(六價(jià))、總磷、石油類等11項(xiàng)；參評(píng)項(xiàng)目包括：PH值、水溫和總硬度3項(xiàng). 當(dāng)然，根據(jù)地區(qū)的不同可以選擇需要監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目. 對(duì)于水質(zhì)的評(píng)價(jià)分類有一些指標(biāo)限制，主要指標(biāo)如表1.

表1 地表水環(huán)境質(zhì)量主要項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限制值

表1列出的項(xiàng)目只是整個(gè)GB3838-2002標(biāo)準(zhǔn)里有關(guān)地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的部分項(xiàng)目. 在組建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)根據(jù)被監(jiān)測(cè)河流的具體情況來確定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目. 在本設(shè)計(jì)中我們以水溫、PH值、溶解氧等指標(biāo)為例來設(shè)計(jì)我們的河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng). 另外本系統(tǒng)將根據(jù)水流的情況來自動(dòng)設(shè)定采樣頻率，所以河流的流速也是本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，但不計(jì)入河流的水質(zhì)考評(píng)項(xiàng)目.

3 系統(tǒng)的組網(wǎng)(通信方式)設(shè)計(jì)

無線通信網(wǎng)絡(luò)是連接遠(yuǎn)程監(jiān)控終端與監(jiān)控中心的橋梁，是組成水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵. 本課題中采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通道. GPRS技術(shù)是通用無線分組業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service)的英文簡(jiǎn)稱，是在現(xiàn)有的GSM(Global System for Mobile Communications)系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)[3]12. GPRS與現(xiàn)有的GSM語音系統(tǒng)最根本的區(qū)別是GPRS特別適用于間斷、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸. 這一特點(diǎn)正適合水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸特性.

4 水質(zhì)監(jiān)測(cè)站及監(jiān)測(cè)中心軟件流程圖設(shè)計(jì)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)站作為監(jiān)測(cè)終端，它的主要功能就是控制各個(gè)監(jiān)測(cè)儀器工作并獲得相應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù). 它由多臺(tái)嵌入式水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端機(jī)組成，每一臺(tái)監(jiān)測(cè)終端機(jī)與在線監(jiān)測(cè)設(shè)備或傳感器相連，并自動(dòng)采集和記錄監(jiān)測(cè)到的水質(zhì)狀況信息. 然后把采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS與上層的監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換. 這里由S3C44B0X嵌入式系統(tǒng)承當(dāng)RTU控制器，并與各種水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器或傳感器的數(shù)據(jù)線和控制線相連接. 數(shù)據(jù)線用來定時(shí)傳輸水質(zhì)信息，控制線用來對(duì)監(jiān)測(cè)儀器或傳感器做相應(yīng)的初始化和參數(shù)的設(shè)置.

監(jiān)測(cè)站的程序首先要對(duì)RTU進(jìn)行初始化，包括對(duì)本身的系統(tǒng)初始化和對(duì)各種監(jiān)測(cè)儀器的初始化，并進(jìn)入工作狀態(tài). 監(jiān)測(cè)中心主要負(fù)責(zé)監(jiān)控本區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)采集工作，并有查詢歷史記錄和數(shù)據(jù)庫管理等功能. 監(jiān)測(cè)中心主程序流程如圖1.

圖1 監(jiān)測(cè)中心主程序流程圖

5 結(jié)語

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用分布式多傳感器數(shù)據(jù)融合機(jī)制、水質(zhì)成分感器監(jiān)測(cè)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境水質(zhì)的主要指標(biāo)，如溫度、溶解氧飽和度、溶解氧、pH、氧化還原電位等的可靠實(shí)時(shí)檢測(cè)，建立分布式環(huán)境監(jiān)測(cè)和智能分析系統(tǒng)，為環(huán)保、市政、水利等監(jiān)理部門提供現(xiàn)代化管理工具和輔助決策支持.

[1] 鄭巨雙. 智能水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)的研究[D]. 長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2006.

[2] 常曉敏.水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]. 太原：太原理工大學(xué)，2006.

[3] 于 強(qiáng).水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2007.