一種基于無(wú)線(xiàn)通訊的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

蔣霞　亓薇薇　崔永良

【摘 要】基于AT89C51單片機(jī)和GPRS設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種無(wú)線(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在下位機(jī)水質(zhì)參數(shù)處理方面，應(yīng)用無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。基于串口和DTU模塊將水質(zhì)數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，對(duì)水質(zhì)狀況實(shí)施快速準(zhǔn)確地檢測(cè)。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線(xiàn)通訊；水質(zhì)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

【Abstract】On the basis of traditional craft，the system achieves the water quality automatic monitoring system design through the combination of AT89C51 microcontroller and the new GPRS-based wireless communication module. For water quality parameter processing， under-bit machine adopts information fusion technology to improve the detection accuracy； Through the serial port and he DTU module， the system transfer the water quality to monitoring center， quickly and accurately to achieve real-time monitoring of water quality conditions. The system have some advantages， power consumption， low cost， real-time online， etc.

【Key words】Wireless communication；Water quality；Monitoring system

目前，隨著工農(nóng)業(yè)活動(dòng)的增加，水污染在種類(lèi)及毒性危害日益復(fù)雜化[1]。人們主要通過(guò)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)來(lái)采集檢測(cè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)水質(zhì)模型對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而監(jiān)控河流水質(zhì)狀況。但是，這些站點(diǎn)比較分散，所采集的數(shù)據(jù)存在片面性，不能準(zhǔn)確反映整個(gè)河流的水質(zhì)狀況。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，簡(jiǎn)化操作過(guò)程，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?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了基于GPRS的無(wú)線(xiàn)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(lèi)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(xiàn)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。

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(lèi)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(xiàn)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)

2.1 下位機(jī)

下位機(jī)由微控制器、無(wú)線(xiàn)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(xiàn)傳輸單元傳送給監(jiān)控中心。

2.2 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(xiàn)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℃。

2.3 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]。

（a）放大電路圖

（b）A/D轉(zhuǎn)換電路圖

（c）Ph檢測(cè)電路圖

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。基準(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。

2.4 數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(hù)設(shè)備、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、后臺(tái)中心。在前端，DTU和客戶(hù)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(hù)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。

/****************主函數(shù)*************************/

void main（void）

{……

write_reg（0x20）；// 選擇通道1，下個(gè)設(shè)置時(shí)鐘寄存器

write_reg（0x08）；//設(shè)置時(shí)鐘寄存器，分頻，（4m變2m），0x08，20hz；0x0a，100hz，速率

write_reg（0x10）；//選擇通道1，下個(gè)寫(xiě)設(shè)置寄存器

write_reg（0x44）；//自校準(zhǔn)，單極性，無(wú)緩沖，增益1，寫(xiě)設(shè)置寄存器

……

}

/*************向ds18b20寫(xiě)一個(gè)字節(jié)******************* ************/

void writeb20（unsigned char dat）

{

unsigned char i=0；

EA=0；

for （i=8； i>0； i--）

{

b20io = 0；

b20io = dat&0x01；

delayus2x（25）；

b20io = 1；

dat>>=1；

}

delayus2x（25）；

EA=1；

}

/****************從ds18b20讀一個(gè)字節(jié)************** ****/

uchar readb20（void）

{

unsigned char i=0；

unsigned char dat = 0；

EA=0；

for （i=8；i>0；i--）

{

b20io = 0； // 給脈沖信號(hào)

dat>>=1；

b20io = 1； // 給脈沖信號(hào)

if（b20io）

dat|=0x80；

delayus2x（25）；

}

EA=1；

return（dat）；

}

……

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。

4.1 數(shù)據(jù)管理模塊

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

4.2 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。

4.3 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)。

4.4 系統(tǒng)維護(hù)模塊

系統(tǒng)的維護(hù)任務(wù)主要包括用戶(hù)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2013年7月9日在我某市高新技術(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(xiàn)”歷史查詢(xún)結(jié)果。

從圖4可以看出，COD監(jiān)測(cè)的警戒線(xiàn)為 30PPM，當(dāng)前時(shí)間段檢測(cè)結(jié)果都在警戒線(xiàn)以下，符合國(guó)家設(shè)定的環(huán)境質(zhì)量四類(lèi)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(xiàn)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。

6 結(jié)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(xiàn)、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。

【參考文獻(xiàn)】

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[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(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)械，2010（5） Machinery.

[4]李增祥，李田澤.無(wú)線(xiàn)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）.

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

[責(zé)任編輯：丁艷]