基于AVR的湖泊水質遠程監測系統設計

申海洋　(巢湖學院機械與電子工程學院，安徽 合肥 238000)

李林　(北京航空航天大學電子信息工程學院，北京 100000)

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基于AVR的湖泊水質遠程監測系統設計

申海洋(巢湖學院機械與電子工程學院，安徽 合肥 238000)

李林(北京航空航天大學電子信息工程學院，北京 100000)

[摘要]為準確有效地對湖庫水華現象進行監測和預測，在分析湖泊水質特征的基礎上，研究提出了一種基于AVR的水質遠程監測系統。系統由下位機數據采集終端和上位機管理平臺2部分構成:下位機對湖泊水質的各參數進行實時采集，再通過GPRS網絡傳輸至上位機；上位機對水質數據進行管理，進行存儲、顯示和預測，并生成葉綠素變化趨勢圖。該系統具有性能高與低功耗等特點，同時實時性高、誤差低，可以滿足監測的需求。該系統的研究設計有助于掌握水質近況，為制定治理方案提供了一定的依據。

[關鍵詞]AVR；遠程水質采集終端；水質監測管理平臺；GPRS

隨著人口的增加和工農業的快速發展，我國內陸湖泊水資源受到來自生活水污染、農業生產污染和工業生產污染的多重壓力，部分地區湖庫水質日趨惡化，湖泊藍藻現象屢見報端。研究表明，在影響湖泊水質的眾多因素中，以水富養化現象尤為嚴重，嚴重超標的N、P含量導致浮游植物滋生，進而導致藍藻現象。因此，如何快速有效地對其水質進行監測和預測，為水環境治理的決策者提供依據，成為當前亟需解決的問題。

國外研究者從20世紀70年代開始著手開展對水質監測系統的研究，并取得了一定的成果。而我國對水質監測系統的研究起步晚，技術水平較為落后。當前對水質的監測仍普遍使用人工的方式對數據進行采集和分析。這樣人工的方法需要投入大量的人力物力，耗費較長的測試周期。此外，對水質參數地測試較為單一，且不能實時傳輸數據[1]。總體而言，我國當前水質監測工作自動化程度低，無法滿足當前監測和預測水華的需要[2]。基于當前我國多數湖泊水質成分的分布特點和水質監測的需要，筆者設計了一種基于AVR的遠程水質監測系統。

圖1　系統總體結構圖

為實現對湖庫水質參數的監測和水華預警功能，系統由遠程水質采集終端和水質監測管理平臺2個部分組成，其總體結構如圖1所示。

1.1遠程水質采集終端

遠程水質采集終端由水質參數采集模塊、AVR單片機、GPS定位系統、GPRS無線傳輸模塊組成，實現對水質參數的采集和無線傳輸功能。首先通過YSI6600多參數水質監測儀采集水中的總含鹽量(tds)、鹽度(PPt)、溶解氧(DO)、溶解氧飽和度(DOSAT)、酸堿度(PH)、氧化還原電位(orp)、葉綠素(chl)、電導率(spcond)、水溫(temp)等9種水質參數，采集到的參數及GPS地理位置信息通過AVR單片機預處理后經由GPRS無線網絡傳輸至水質監測管理中心。

1.2水質監測管理平臺

水質監測管理平臺硬件部分由計算機、數據庫服務器兩部分構成。系統軟件部分在win2000操作系統平臺下搭建，使用MFC編程實現。接收到由水質采集終端傳送來的水質參數后，系統自動對水質參數數據進行存儲、分析水質參數并輸出葉綠素變化趨勢圖。再通過對歷史水質參數的處理分析，使用灰色神經網絡算法對水華的未來發生的概率進行預測、預警。

2系統硬件設計

系統總體硬件結構如圖2所示。硬件部分主要由水質參數采集單元、控制單元、GPRS無線遠程傳輸單元、數據處理服務器、數據庫服務器幾部分構成。水質參數采集單元、控制單元及數據傳輸單元3個部分組成了水質采集終端，各單元之間通過串口進行通信：YSI通過串口1與AVR通信； AVR同GPRS無線模塊和GPS之間通過串口0進行數據通信。數據處理服務器和數據庫服務器兩部分構成水質監測管理平臺。數據處理服務器對接收到的水質參數進行處理，并將數據存儲在數據庫服務器中。

本次采樣地點露頭新鮮，剖面巖石發育良好，按照不同巖性變化采取等間距采集樣品，在地層分界處(圖2a)則加密采樣，共采集硅質巖、泥質硅質巖、硅質泥巖樣品15件，其中采集上泥盆統6件，下石炭統9件，樣品產出地質剖面圖見圖3。

2.1水質參數采集單元

為實現水質監測系統的水華預測、預警功能，需要建立水華預測模型。水華預測模型的建立依據在各個時刻同時采集的9種水質參數進行建模。為滿足水質參數獲取的準確性和實時性要求，系統選用YSI6600水質檢測儀來采集水質參數。YSI6600是一款多參數水質檢測儀，它可同時監測多達17個參數，且具有電池壽命長、體積小、功能強等優點，適用于不同水體的多點采樣、定點式數據采集、長期連續在線監測和剖面分析[3]。由于YSI6600只能進行單工通信，即只能發送數據，一旦YSI接收到數據就會發生重啟，因此YSI6600通過RS232與AVR串口1連接時，將YSI6600的發送端TXD端口連接RS232的接收端RXD端口；YSI的接收端RXD不得與RS232的發送端TXD相連接。

2.2控制單元

水質采集終端中使用AVR的ATMEGA128的單片機作為控制器，ATMEGA128是ATMEL公司的8位系列單片機的最高配置的一款單片機，其內部集成了高性能、低功耗的AVR8位微處理器、先進的RISC結構和非易失性的程序和數據存儲器等特性。AVR單片機使用C語言進行編程，實現了對水質參數的采集、處理、傳輸等功能。

2.3GPRS無線遠程傳輸單元

將獲取到的水質參數通過GPRS無線遠程進行傳輸，解決了傳統RS232信號傳輸距離短、抗干擾能力差、費用高的缺點，有效提高了數據通信的可靠性、安全性和保密性[4]。系統采用SIM300模塊實現水質采集終端與水質監測管理平臺之間的無線遠程通信。SIM300是一個三頻GSM/GPRS模塊，工作頻率EGSM 900MHz，DCS 1800MHz和PCS 1900MHz。 其內部集成有射頻天線、TCP/IP協議、GSM控制器等。由于SIM300內部集成了TCP/IP指令，可以使用AT指令控制數據的傳輸。其傳輸距離遠，精度高，速度快，且可以適應惡劣的環境，可以滿足系統的設計要求。

此外，為了獲取監測點的地理信息參數，在水質采集終端中加入了GPS芯片，GPS位置信息經由AVR處理后經由GPRS網絡傳輸[5]。

2.4數據處理服務器

為提高系統處理數據的運算速度和保證系統的穩定性，采用IBM企業級服務器IBM System X 3100M4作為數據處理服務器，系統軟件平臺在WIN2000平臺下運行。

2.5數據庫服務器

為保證水質參數數據的安全性和方便數據的維護，系統使用了獨立的數據庫服務器對數據進行存儲和管理，使用SQL2008數據庫軟件來對數據進行管理。

3系統軟件設計

圖3　軟件模塊關系圖

系統軟件包括了水質采集終端下位機和監測管理平臺上位機2部分,其總體模塊關系如圖3所示。水質采集終端軟件實現水質參數的采集與處理和遠程數據傳輸2個功能；監測管理平臺軟件實現對水質數據的基礎管理，包括顯示、存儲等功能，此外還實現對水華預測、預警。

3.1下位機軟件設計

1) 水質參數采集與處理。水質監測終端不僅要采集水質參數，還要對水華的數據和GPS位置信息進行增加校驗位的預處理，以提高檢測管理平臺的運行速度。

通過串口把YSI 與服務器連接起來，用串口調試助手接收YSI發送來的數據，通過串口調試助手上的數據可以發現YSI發送的數據之間用空格隔開，一組數據結束后回車換行。雖然一組數據之間空格隔開，但是空格的個數不全一樣，所以要對數據之間的空格進行處理，用一個逗號來代替2數據之間的所有空格，這樣，每組數據中2數據之間就具有相同數目的間隔標志，這為下一步數據處理奠定了基礎。

在通過GPRS無線傳輸水質數據和GPS地理信息前，需在數據中增加校驗位，使得水質監測管理平臺運算的準確性得以保障。程序設計采用“和校驗”的算法，將各組數據內的數據全部加起來，將取和操作的后8位加入到傳輸的各組末端，再一并傳輸至監測管理平臺，通過檢驗接收的數組驗證數據相加的最后8位的和是否相等，若相等，則數據正確，否則數據錯誤，舍棄。和校驗對該水華預警系統的準確性也提供了重要保證。

2) 數據傳輸。系統選用TCP/IP協議作為水質監測系統的數據傳輸協議。數據包以獨立包的形式進行透明傳輸，TCP/IP協議提供了面向對像的連接和可靠的數據傳輸服務。數據無差錯、無重復的發送，且按順序接收[6]，保證了數據傳輸的準確性，為準確的預測水華奠定了基礎。GPRS模塊中集成了TCP/IP協議，通過AT指令來控制GPRS模塊以實現無線遠程傳輸，配合上位機通信程序與監測終端實現通信[7]。

上位機與下位機的通信是水質監測的重要環節，對水華預警的準確性有至關重要的影響。由于TCP/IP協議的無差錯性，因此上位機編程時選用基于面向連接的socket編程實現與監測終端的通信。對下位機發送來的數據包，去除其人為加入的包頭包尾，把數據顯示在上位機的接收模塊上。

3.2上位機軟件設計

監測中心上位機軟件主要由數據接收單元、數據存儲單元、數據處理單元3大模塊組成。

1)數據接收單元軟件功能設計。上位機與下位機的數據通信是水質監測的基礎，直接影響了水華預警的準確性。鑒于TCP協議的無差錯性，因此在上位機編程時同樣采用基于面向連接的socket編程實現與客戶端的監測終端的通信的。

對下位機傳送的數據包，去除先前人為加入的包頭和包尾，把數據顯示在上位機的接收模塊上。

2)數據存儲單元軟件功能設計。系統采用SQL Server 2008對水質數據進行管理,以便快速、有效地對水質參數數據進行存儲、訪問。

3)水質數據處理單元軟件功能設計。接收到水質參數后，系統對數據進行統計分析，并繪制出葉綠素變化趨勢圖，便于用戶直觀地觀察葉綠素水平的變化。

系統最后要對水華發生的可能性進行預測，因此該預測模塊軟件系統的設計是整個系統核心部分之一，預測算法采用了灰色神經網絡系統[8，9]算法，對前期歷史數據就行統計分析，繪制水華的發展趨勢圖。監測與預測單元如圖4所示，在該模塊上可以監測到下位機發送來的水質參數，并通過這些水質參數對水華進行預測，最終管理平臺生成水華預測趨勢圖，如圖5所示。

圖4　監測單元

圖5　水華預測

4結語

針對傳統湖庫水質監測的缺陷，研究設計了基于AVR的遠程水質監測系統，該系統實現了數據的遠程采集和傳輸，有效提高了水質參數傳輸的準確性和實時性。管理中心設立使得水質參數的管理、監測更加便捷、有效，提高了水華預測的實效性。在軟件系統中增加了生成葉綠素曲線圖功能，便于直觀觀察葉綠素變化。該系統具有一定實用價值，具有良好的應用前景。在后期的研究中，將結合光伏技術、遠程遙控技術和GPS定位技術[10]，將水質采集終端通過太陽能小船自動投送到湖庫中央指定區域，以便更好地采集到湖庫中心地帶的水質參數，進一步提高監測、預測的準確性。

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[編輯]洪云飛

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)07-0072-05

[中圖分類號]TP751

[作者簡介]申海洋(1984-)，男，碩士，助教，現主要從事信號處理方面的教學與研究工作； E-mail:shen_haiyang@163.com。

[基金項目]安徽省高校自然科學研究項目(KJ2015A281)；巢湖學院校級科研項目(XLY-201505)。

[收稿日期]2015-11-28

[引著格式]申海洋，李林.基于AVR的湖泊水質遠程監測系統設計[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(7)：72～76.