水質遠程監測系統的研究與設計

盧 娜,張鳳莉

(商丘職業技術學院 機電系，河南 商丘 476000)

2014年“6·5”世界環境日中國主題為“向污染宣戰”，可見當前中國環境保護的任務日益艱巨. 過去，我國的水質監測基本上是采取手工操作的方法. 由于采樣間隔時間長，數據分析匯總慢，傳遞不及時，不能實時反映出水質污染的變化情況，不能對當地的環境現狀正確、及時地進行整體把握，無法滿足環境管理的要求. 這種傳統的監測方式已經不能滿足水質監測的需求，急需尋求一種現代化方法進行監測. 本文旨在實現對水質進行連續自動監測、采樣、處理，并自動將數據傳送到監測中心，建立一套水質遠程監測系統.

1 系統功能分析與設計

本監測系統主要是為實現實時監測河流的水質情況而設計的. 主要實現的功能包括現場數據采集、水質信息管理、歷史信息查詢、數據分析、報表生成、和系統管理等功能[1]6.

從分散在河流沿線的多個監測站獲得水質數據到管理層對各點數據的查看和分析，整個數據流向可以把該系統的功能分為以下三個層面：

第一層位于水質監測的最前端，是主要的水質信息的采集部分，主要功能是：(1)連接并控制監測設備或傳感器；(2)采集并記錄監測點的水質狀況；(3)在自動優化模式下可根據水流的流速情況優化采樣頻率； (4)與上層的監控中心進行數據交換；

第二層即中間層，屬于較小區域的控制監測中心層. 該層主要是考慮到水質監測時信息傳輸的區域范圍和管理上的方便，主要功能是：對本區域的監測站進行數據統計、監控功能；接收監測站的監測數據，并做相應的處理和存儲監測數據；與管理站進行數據通信，包括接收命令和上傳報警等信息；有客戶操作界面，可以做一些監測參數設置、監測數據和報警信息查詢等；

第三層即最高的管理監控層. 其主要功能是：收集中間層中各個控制監測中心的實時數據，并做相應地統計等分析；對全網監測信息的統計、處理、分析；對水質的污染能快速、準確地發出警報；生成各種分析后的報表供管理部門裁決.

2 河流水質監測參數分析

監測參數的確定對于水質的監測起著至關重要的作用，只有正確地設定了待監測的參數才能讓我們準確地監測到我們所關心的指標，也可以為我們準確地評價水質等級提供依據.

根據地表水環境質量標準——GB3838-2002，我們可以把監測項目分為三大類：必評、選評和參評[2]19. 必評項目包括溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量、氨氮、揮發酚和砷共6項；評選項目有：五日生化需氧量、氟化物、氰化物、汞、銅、鉛、鋅、鎘、鉻(六價)、總磷、石油類等11項；參評項目包括：PH值、水溫和總硬度3項. 當然，根據地區的不同可以選擇需要監測的項目. 對于水質的評價分類有一些指標限制，主要指標如表1.

表1 地表水環境質量主要項目標準限制值

表1列出的項目只是整個GB3838-2002標準里有關地表水環境質量監測標準的部分項目. 在組建監測系統時應根據被監測河流的具體情況來確定監測項目. 在本設計中我們以水溫、PH值、溶解氧等指標為例來設計我們的河流監測系統. 另外本系統將根據水流的情況來自動設定采樣頻率，所以河流的流速也是本系統的監測指標，但不計入河流的水質考評項目.

3 系統的組網(通信方式)設計

無線通信網絡是連接遠程監控終端與監控中心的橋梁，是組成水質遠程監控系統的關鍵. 本課題中采用GPRS無線網絡作為數據傳輸的無線通道. GPRS技術是通用無線分組業務(General Packet Radio Service)的英文簡稱，是在現有的GSM(Global System for Mobile Communications)系統上發展出來的一種新的分組數據承載業務[3]12. GPRS與現有的GSM語音系統最根本的區別是GPRS特別適用于間斷、突發性的或頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸. 這一特點正適合水質遠程監控系統中的數據傳輸特性.

4 水質監測站及監測中心軟件流程圖設計

水質監測站作為監測終端，它的主要功能就是控制各個監測儀器工作并獲得相應的監測數據. 它由多臺嵌入式水質實時監測終端機組成，每一臺監測終端機與在線監測設備或傳感器相連，并自動采集和記錄監測到的水質狀況信息. 然后把采集到的數據通過GPRS與上層的監控中心進行數據交換. 這里由S3C44B0X嵌入式系統承當RTU控制器，并與各種水質監測儀器或傳感器的數據線和控制線相連接. 數據線用來定時傳輸水質信息，控制線用來對監測儀器或傳感器做相應的初始化和參數的設置.

監測站的程序首先要對RTU進行初始化，包括對本身的系統初始化和對各種監測儀器的初始化，并進入工作狀態. 監測中心主要負責監控本區域內的監測站的數據采集工作，并有查詢歷史記錄和數據庫管理等功能. 監測中心主程序流程如圖1.

圖1 監測中心主程序流程圖

5 結語

本監測系統應用分布式多傳感器數據融合機制、水質成分感器監測等技術，實現對環境水質的主要指標，如溫度、溶解氧飽和度、溶解氧、pH、氧化還原電位等的可靠實時檢測，建立分布式環境監測和智能分析系統，為環保、市政、水利等監理部門提供現代化管理工具和輔助決策支持.

[1] 鄭巨雙. 智能水質在線監測方法及系統的研究[D]. 長沙：湖南大學，2006.

[2] 常曉敏.水質監測系統的研究與設計[D]. 太原：太原理工大學，2006.

[3] 于 強.水質遠程監測數據采集系統設計[D]. 大連：大連理工大學，2007.