探析城市地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

摘 要：面對日益嚴(yán)重的水環(huán)境污染問題，要關(guān)注和加強城市地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，構(gòu)建一定數(shù)量及分布的水質(zhì)監(jiān)測站點，使之成為嚴(yán)謹(jǐn)、密集的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)，進行地下水環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、預(yù)測和查詢，較好地提升城市地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用效能。

關(guān)鍵詞：地下水;環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng);應(yīng)用

當(dāng)前對地下水的不合理開發(fā)和利用引發(fā)日益嚴(yán)重的水環(huán)境污染問題，對此要關(guān)注和加強對城市地下水環(huán)境的監(jiān)測，要設(shè)計和應(yīng)用科學(xué)先進、易于操作的地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合單片機技術(shù)、GPRS技術(shù)和傳感器技術(shù)，進行地下水?dāng)?shù)據(jù)的自動采集、處理、傳輸和存儲，實時獲悉和把握地下水的水體狀況和水情信息，節(jié)約地下水監(jiān)測成本，提高地下水監(jiān)測效率。

1 地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的功能分析

可以借助于單片機技術(shù)、GPRS無線傳輸技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)和傳感器技術(shù)，進行城市地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用，使之具有一定的可擴展性，滿足實時監(jiān)測的需求，并利用良好的人機交互界面，進行數(shù)據(jù)的可視化顯示和分析。具體來說，地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的功能主要包括以下方面：（1）數(shù)據(jù)采集。通過前端監(jiān)測設(shè)備進行地下水環(huán)境的在線實時監(jiān)測，包括地下水水位、水溫、PH值、電導(dǎo)率等水質(zhì)參數(shù)，并將其通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進行信息數(shù)據(jù)的發(fā)送，使終端監(jiān)控中心接收和獲悉地下水監(jiān)測值，體現(xiàn)出實時、連續(xù)、準(zhǔn)確的特性。（2）數(shù)據(jù)存儲。將采集的地下水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)依照統(tǒng)一格式進行存儲，使之自動存放至現(xiàn)場SD卡，可以作為數(shù)據(jù)傳輸丟失時的查詢之用。（3）數(shù)據(jù)傳輸。前端監(jiān)測設(shè)備與終端監(jiān)控數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸要借助于GPRS、Internet進行無線傳輸，并將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中。（4）設(shè)備運行狀態(tài)管理。要利用在線實時監(jiān)測設(shè)備和系統(tǒng)實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測、維護和故障處理，體現(xiàn)其抗干擾、過壓保護、開機后自動復(fù)位等性能。[1]

2 地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用分析

（1）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用。地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)由三部分構(gòu)成，即：系統(tǒng)前端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、監(jiān)控管理中心，其中：系統(tǒng)前端設(shè)備涵蓋監(jiān)測太陽能供電模塊、配電箱模塊、傳感器采集模塊、微控制處理器模塊，用于采集地下水水位、水溫、導(dǎo)電率、酸堿度、相關(guān)模擬量信號等數(shù)據(jù);網(wǎng)絡(luò)傳輸層涵蓋有GPRS、Internet等網(wǎng)絡(luò)，利用網(wǎng)絡(luò)進行采集數(shù)據(jù)的傳輸控制;監(jiān)控管理中心涵蓋有服務(wù)器、顯示器等模塊，接收并實時顯示、查詢數(shù)據(jù)，并對異常故障數(shù)據(jù)信息進行告警。

（2）系統(tǒng)硬件設(shè)計和應(yīng)用。地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計要體現(xiàn)出相對獨立性、可擴展性、集成性和穩(wěn)定性，并具有低成本、防干擾和防雷擊的特點，主要包括以下內(nèi)容：a.硬件電路的設(shè)計與應(yīng)用。系統(tǒng)前端供電設(shè)備要采用3.3-12V的電源電壓，可以選取供電電壓為12V的太陽能供電方案，利用電壓轉(zhuǎn)換芯片進行電壓轉(zhuǎn)換和供應(yīng)。微控制處理器單元則以STM32F103VET6芯片為核心，利用可擴展的外圍電路接口，與RS-485通信的電導(dǎo)率、PH值傳感器、水位傳感器、水溫傳感器、GPRS無線通信單元相匹配。傳感器單元主要涵蓋對地下水的水位、水溫、PH值、電導(dǎo)率等信號進行傳感和數(shù)據(jù)采集。GPRS無線通信單元則以ARM9216EJ-S為內(nèi)核，借由GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸，使之進入到Internet網(wǎng)絡(luò)之中。b.傳感器模塊的應(yīng)用?？梢圆捎肈S18B20數(shù)字式溫度傳感器，將測量的溫度值轉(zhuǎn)化為可輸出信號，由一個普通端口實現(xiàn)與DS18B20溫度傳感器的雙向通信，適用于-55℃～+125℃的水溫測量。還可以選取投入式壓力水位傳感器進行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，適用于較小的井孔觀測。選取電極型PH傳感器，通過電極測電位的方法獲取地下水的PH值，衡量地下水環(huán)境的健康狀態(tài)。選取Rs-485接口輸出方式的傳感器，通過對稱脈沖法進行電導(dǎo)率的測量。c.微控制器模塊的應(yīng)用?？梢赃x取應(yīng)用核心元件為STM32F103ZET6的微處理器，與外圍電路構(gòu)成微控制器單元模塊，并將微控制器模塊與前端監(jiān)測點、監(jiān)控管理中心相鏈接，實現(xiàn)對地下水環(huán)境參數(shù)信息的采集、數(shù)據(jù)處理、存儲和遠(yuǎn)程無線傳輸。d.GPRS無線傳輸模塊的應(yīng)用?？梢岳猛ㄓ梅纸M無線服務(wù)技術(shù)，利用其接入范圍廣、傳輸速率快、接入時間短、實時在線的優(yōu)勢，進行地下水環(huán)境數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程傳輸。

（3）系統(tǒng)軟件設(shè)計與應(yīng)用。地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用KEIL MDK軟件工具和C語言進行開發(fā)環(huán)境，進行下位機軟件開發(fā)和應(yīng)用，并采用B/S構(gòu)架開發(fā)和應(yīng)用上位機軟件系統(tǒng)，對服務(wù)器軟件進行設(shè)計和應(yīng)用，如：服務(wù)器控制系統(tǒng)登陸界面、Socket連接程序、數(shù)據(jù)庫操作程序的設(shè)計和應(yīng)用，同時還對客戶端軟件進行設(shè)計和應(yīng)用，如：客戶端注冊界面、客戶端登錄界面、客戶端主界面等。

（4）使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行地下水環(huán)境數(shù)據(jù)的預(yù)測。可以引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理念和方法，基于地下水監(jiān)測站點采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，進行地下水環(huán)境的預(yù)測和分析。[2]

3 小結(jié)

綜上所述，地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)基于低成本、模塊化、系統(tǒng)化的理念進行設(shè)計和應(yīng)用，整合利用嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)，面向城市地下水環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、存儲和查詢，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行地下水環(huán)境趨勢變化的預(yù)測，未來還要加強對監(jiān)測終端設(shè)備的微型化、集成化研究，使之具有更強的抗干擾能力和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙敏華，李莉，呼娜.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機工程，2014（02）.

[2]趙靜，喻曉紅，黃波，譚秀蘭.物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)體系與發(fā)展[J].通信技術(shù)，2010（09）.

作者簡介：楊陽（1988-），女，漢族，江蘇南京人，本科，助理工程師，目前從事環(huán)境監(jiān)測方面工作。