基于無線傳輸的水質監測系統研究

廣西工學院電控系 何偉剛 吳其琪

1.引言

早期水質監測主要通過定時定點在河流的代表性斷面取得瞬時水樣后在實驗室里通過技術分析手段的方法實現水質的監測目的，但是這種人工抽查的監測手段發揮的作用很有限，不能將實際不斷變化著的動態數據及時、準確、有針對性的獲得，從而影響了后期分析的正確性。21世紀水利水質監測任務作為系統工程的主要研究對象仍是流域或區域水環境，水質監測技術僅僅只是它的組成的基礎部分，工作的重心是將監測到的數據進行信息化處理，在全國水質站網和監測信息中心的網絡互聯和信息互通，統計、分類和整合各級監測中心的數據，建立與數據對應的水體分析模型來預測實際水質情況，可為未知水資源的開發利用、優化保護現有水環境提供有力支持。設計一個系統，內含詳盡的國家飲用水物質數據指標，一旦發現水質不符合標準即時警告，并能實現監測實時、連續化，設備簡便化。

2.監測系統總體結構

系統主要包括水樣采集控制子系統、水質和水量監測以及數據采集子系統、信息傳輸、數據處理控制子系統五大部分組成。

(1)水樣采集控制子系統，包括的部分有傳感器、采水單元、配水單元傳感器的組成部件通常有敏感元件、轉換元件及相應的機械結構和電子線路。包括水泵、管路、供電及安裝結構部分。在設計上必須對各種氣候、地形、水位變化及水中泥沙等提出相應的解決措施，并能夠自動連續地與整個系統同步工作，給系統提供可靠、有效的水樣。配水單元主要有水樣預處理裝置、自動清洗裝置及輔助部分三部分。配水單元的水壓和水量應滿足監測儀器的要求，它負責供水給監測儀器、去除水的泥沙和過濾，自動/手動兩用管道的反沖洗和除藻。預處理單元水樣進入五參數測試池之前沒有任何過濾和攔截，最大限度保持水樣完整性，不影響五參數測試。

(2)監測系統主要分為監測管理中心、區域監控站和監控終端三層網絡結構。監測管理中心的主要部分包括數據服務器和監控業務臺，負責完成全網所有監控信息的采集、統計、處理和比對分析，同時也將這些信息傳送給區域監控站。每個終端收集所有數據后存儲在服務器中。管理中心是收集統計，查詢和分析監測終端實時數據，歷史數據和報警信息系統平臺，也是統計結果和監測情況曲線的地方。電腦上的系統，對應在局部地區監測站，由具有強大的數據處理能力的中心監測系統集中控制，主要負責監測區域的數據統計的各監測點的實時情況。此外，所有監測終端都采用了抗干擾能力強的PLC可編程邏輯器件，負責采集針對某些特定指標的數據(監測系統總體結構如圖1所示)。

圖1 監測系統總體結構

(3)信息傳輸子系統采用GSM無線短消息、GPRS和公用電話網等平臺將采集到的數據發送到監控信息管理中心，同時也會接收來自于本中心的各類無線數據監控指令。

單片機接收到終端的數據信息后，要通過GPRS通信網絡把數據發送到主控中心。GPRS模塊使用了內部集成GSM控制器、TCP/IP協議，同時提供了2個串口等。該模塊提供GSM語音、短消息和GPRS上網等業務，具有標準AT命令接口，支持RS-232異步串行通信，由呼叫控制指令、網絡服務命令、電話本命令、短消息命令和自定義命令等組成，使用AT命令集可實現模塊系統操作。把無線收發模塊到上位機的系統中，可以實現GSM短信數據傳輸業務在上位機和監控信息管理中心之間的雙向傳輸。除了通過RS-232與單片機通信外，還有一個用戶識別模塊SIM卡。SIM卡上包含了所有用戶的信息，個人識別碼可以防止SIM卡未經授權而使用。每當移動用戶開機時，GPRS先要自動鑒別用戶的合法性，只有在系統認可之后，才為該用戶提供服務。

3.監測系統的特點與功能

(1)穩定、可靠、安全

無線數據傳輸系統，擺脫有線的束縛的范圍廣，運行費用低，它收集的數據可立即發送到數據訪問服務器和存儲在系統數據庫中，防止由于沒有數據采集終端而產生數據丟失的現象，充分保證了數據的安全性；數據采集終端與離網運行，當網絡或數據訪問服務器失敗，數據采集終端的服務將暫時存儲數據到網絡鏈路，系統可恢復正常，緩存的數據傳輸到數據中心；另一方面，嚴格認證的系統數據傳輸過程、驗證、加密措施共同保證數據的準確性和安全性。

(2)實時在線

數據訪問服務器時，服務器和數據采集終端保持實時，并連接到環保部門，以5分鐘為間隔及時、準確的發現排污操作和開發污染物排放趨勢和查看實時數據變化的排放。

(3)全面控管

所有企業污染源在線監測的同時，在相同的接口，只需要觀察屏幕上的各種業務圖標樣式或顏色就可以了解所有的企業各污染物排放口設備的運行，污染物排放濃度，流量，排放量和其他等信息。

(4)實時報警

分為超標告警，故障報警和黃色預警。

1)超標告警：污染物排放濃度超過預設值時，告警系統啟動，相應的企業圖標將停2)故障報警：數據采集終端或污染源在線監測儀器故障時，系統會發出故障報警信號。

3)黃色預警：污染物濃度接近超過標準限值，系統產生報警信號，監管

部門據此發布信息，通知企業采取措施處理和控制污染物排放至符合標準，從而可以實現快速預警。

(5)豐富的統計與管理體制功能

依據排污申報，環境統計等報表要求，全面反映企業的基本情況，以圖標、表格、圖形等形式實時展現排污口設備的運行狀況，污染物排放濃度、流量、排放量等信息，可以匯總統計區域內所有污染物的排放總量，掌握和量化污染物的排放趨勢，為區域內控制污染物排放總量提供技術支持，為環保部門現場執法和排污收費提供依據。

(6)總量控制與管理

整個系統充分體現總量控制的原則，為管理提供依據，為決策提供支持，各種統計分析報告和圖表可以歸類總結各污染物的排放量，針對標準的總排放量的污染物可以進行直觀的比較分析，同時跟蹤總排放量每天變化趨勢的曲線得出結論，對于超過標準的數據值，結合企業現階段的實際情況和該地區的歷史數據進行分析，設定出該企業的總排放量的最大上限值，一旦接近或超過最大上限時值發出預警，這充分體現發展結合實際的總原則。同時借助統計手段總結需要控制污染物排放總量的地區的污染物排放總量趨勢，掌握和量化的趨勢污染物的排放規律，提供監測依據和技術支持給執法部門以及環保部門。

(7)遠程訪問

通過互聯網可了解各個監控點運轉情況，獲取實時在線監測數據。

(8)日志管理

分類匯總統計各種報警及故障信息形成日志，通過系統日志能分析數據的準確性，有效性，同時還可以全面了解在線監測設備的運行狀況，便于系統的管理和維護，日志管理包括報警日志、故障日志、停電日志。

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