一種基于無線通訊的水質監測系統

蔣霞　亓薇薇　崔永良

【摘 要】基于AT89C51單片機和GPRS設計實現了一種無線水質監測系統。在下位機水質參數處理方面，應用無線通訊技術實現了對水質的實時監測。基于串口和DTU模塊將水質數據傳送到監控中心，對水質狀況實施快速準確地檢測。

【關鍵詞】無線通訊；水質；監測系統

【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，隨著工農業活動的增加，水污染在種類及毒性危害日益復雜化[1]。人們主要通過監測站點來采集檢測數據，并根據水質模型對采集到的數據進行處理，進而監控河流水質狀況。但是，這些站點比較分散，所采集的數據存在片面性，不能準確反映整個河流的水質狀況。此外，傳送分析手段落后，監測結果滯后，不能及時反映河流水質的動態狀況[2]。因而，建立一套完善的水質自動檢測系統，克服理化檢測的局限性、片面性，并縮短實驗時間，簡化操作過程，動態實時的反映水質變化，保證工農業用水安全及疾病的防控，勢在必行。基于此，本文設計了基于GPRS的無線水質自動檢測系統。

1 系統組成及工作原理

本系統主要由各類分站傳感器（如溫度、PH值、溶解氧DO、生化需氧量BOD、化學需氧量COD及水文參數流速和流量等）、若干分站下位機、無線通訊網絡、總站工控機等多級數據檢測網絡組成。分站檢測點與檢測中心的系統框圖如圖1。

系統工作原理是將各分站傳感器采集到的信號首先轉化為可識別的電壓信號，然后通過信息融合把同類傳感器在空間或時間上可冗余的信息[3]，依據“加權平均法”融合算法進行融合，得出初步結果，并把初次處理得到的數據送入下位機，下位機通過DTU無線傳輸單元與上位機進行通訊，最后把得到的數據再進一步傳送到工控機進行分析處理。

2 部分系統硬件設計

2.1 下位機

下位機由微控制器、無線收發設備及顯示單元組成。微控制器采用廣泛使用的AT89C51芯片，它是美國ATMEL公司生產的一種帶4K字節ROM的低電壓，高性能CMOS8位微處理器[4]。下位機主要用于數據采集等初步處理，打包后通過無線傳輸單元傳送給監控中心。

2.2 溫度傳感器

溫度傳感器采用DS18B20。在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊，操作方便。測溫范圍-55℃～+125℃，固有測溫分辨率0.1℃。

2.3 PH值傳感器

PH值傳感器采用ph復合電極。本PH分析儀的測量原理是電位測定法，是通過測量電池電動勢來確定待測離子活度的方法。測量電池是由測量電極、參比電極和被測溶液構成，參比電極的電極電位不隨被測溶液活度的變化而變化，指示電極對被測溶液中的待測離子很敏感，其電極電位是待測離子活度的函數，所以測量電池的電動勢與待測離子的活度有一一對應的關系。所以，測量電池的作用就是把難以直接測量的化學量（離子活度）轉換成容易測量的電學量（測量電池的電動勢）[5]。

（a）放大電路圖

（b）A/D轉換電路圖

（c）Ph檢測電路圖

圖2中，PH電極輸出信號通過ina116pa進行放大，信號范圍為-400mv～400mv。為適應AD轉換器的測量范圍，進行電平抬升，Ina116pa的基準電壓采用1.25V，使得ina116pa輸出電壓為825mv～1625mv。基準電壓采用mc161403高精度基準電壓源，并通過高精度、低溫漂電阻分壓得到，保證基準的穩定性；AD轉換器采用ad7705 16位數模轉換器，保證測量的精度；Ad7705采用4m晶振，內部分頻，測量頻率20hz。

2.4 數據無線傳輸

采用DTU數據傳輸模塊。DTU提供了串行通信接口，包括RS232，RS485，RS422串行通信方式。在設計上將串口數據設計“透明轉換”的方式，也就是說DTU可以將串口上的原始數據轉換成TCP/IP數據包進行傳送，而不需要改變原有的數據通信內容，而接收上位機軟件能將TCP/IP傳輸的數據包還原成串口數據。DTU的主要功能是把遠端設備的數據通過無線的方式傳送回后臺中心。要完成數據的傳輸需要建立一套完整的數據傳輸系統。在這個系統中包括：DTU，客戶設備、移動網絡、后臺中心。在前端，DTU和客戶的設備通過232或者485接口相連。DTU上電運行后先注冊到移動的GPRS網絡，然后去和設置在DTU中的后臺中心建立SOCKET連接。后臺中心作為SOCKET的服務端，DTU是SOCKET連接的客戶端。

3 下位機部分程序設計

編程時采用模塊化編程。其中測溫采用的元件對時序要求比較嚴格，編程時采用時間觸發和狀態機的編程思路。

/****************主函數*************************/

void main（void）

{……

write_reg（0x20）；// 選擇通道1，下個設置時鐘寄存器

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

write_reg（0x10）；//選擇通道1，下個寫設置寄存器

write_reg（0x44）；//自校準，單極性，無緩沖，增益1，寫設置寄存器

……

}

/*************向ds18b20寫一個字節******************* ************/

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讀一個字節************** ****/

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

dat>>=1；

b20io = 1； // 給脈沖信號

if（b20io）

dat|=0x80；

delayus2x（25）；

}

EA=1；

return（dat）；

}

……

4 監控中心系統的軟件設計

監控中心的軟件系統包含數據管理模塊、系統管理模塊、決策信息服務模塊和系統維護模塊6個模塊。系統功能結構圖如圖3所示。

4.1 數據管理模塊

數據管理模塊主要包括對在線監測數據及分類數據實時顯示，歷史數據的查詢、編輯、修改、刪除等[6]。

4.2 系統管理模塊

該模塊提供監測系統信息管理功能，傳感器的采樣周期的設定及通信端口的設置等。

4.3 決策支持服務模塊

該模塊主要提供歷史水質數據統計報表、分析、歸納與綜合；根據預測模型，預測水質變化趨勢或水質參數，為領導層制定決策提供依據。

4.4 系統維護模塊

系統的維護任務主要包括用戶管理、權限設定，備份與恢復、安全管理、日志和審計等。

5 實驗結果

圖4是2013年7月9日在我某市高新技術開發區汶河孝義段測試點“COD濃度—時間曲線”歷史查詢結果。

從圖4可以看出，COD監測的警戒線為 30PPM，當前時間段檢測結果都在警戒線以下，符合國家設定的環境質量四類水質標準，也就是說所排放的水可以作為工業、農業、景觀、漁業等用水。同時圖中顯示的結果，曲線波動低，說明在這段時間內河水的COD濃度變化不大。

6 結語

該水質自動監測系統已初步完成，正處于現場測試階段，初步測試表明，該系統可以完成各種水質參數的檢測任務，具有功耗小、成本低、實時在線、不受地理位置限制等優點，具有很好的應用推廣前景。

【參考文獻】

[1]彭強輝.在線水質毒性監測儀開發研究[D].安徽理工大學，2009.

[2]徐遙令，羅大庸，張航.基于GIS的河流水質動態監測系統[J].電器時代，2005（9）.

[3]曾文波，鄭國軍.基于VB的煤礦瓦斯濃度無線監測系統[J].煤礦機械，2010（5） Machinery.

[4]李增祥，李田澤.無線傳輸技術在煤礦氣體檢測中的應用[J].煤礦機械，2010（5）.

[5]史慧.基于電位測定法的智能在線PH分析儀設計[D].鄭州大學，2007.

[6]張玨.基于無線傳感器網絡的水質在線監測系統研究[D].重慶大學，2010.

[責任編輯：丁艷]