飲用水水源水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)研究

韋富余，王妹婷,2，齊永鋒，馬 如，蔡守華，韓 洋，陳 德，王 晨

(1.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.上海交通大學(xué)，上海 200240)

0 引 言

過去，我國一直把水質(zhì)監(jiān)測的重點(diǎn)放在大中型城市，而忽略了廣大農(nóng)村。村鎮(zhèn)飲用水源地保護(hù)工作起步晚、經(jīng)費(fèi)少、地域分布較為分散且受城鎮(zhèn)污水、工業(yè)廢水以及農(nóng)田排水等污染，致使村鎮(zhèn)飲用水水源污染日益嚴(yán)重，且呈逐漸惡化的趨勢[1-3]。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在日益惡化的水質(zhì)情況，因此需要用現(xiàn)代的管理方式和水質(zhì)監(jiān)測手段對村鎮(zhèn)飲用水水源水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，保證村鎮(zhèn)飲用水安全。

目前國內(nèi)外已有很多關(guān)于水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究，黃建清、趙小歡、仇榮華[4-6]等人構(gòu)建了基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)；代子文[7]在分析了庫區(qū)水環(huán)境的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于嵌入式Android操作系統(tǒng)的水質(zhì)在線監(jiān)測管理系統(tǒng)；張宇斯、孫京玉、賈桂林[8-10]等以大東湖生態(tài)水網(wǎng)及衡水湖為水質(zhì)監(jiān)測的研究對象，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)等等。本文基于國內(nèi)外研究[11-12]，結(jié)合我國飲用水水源水質(zhì)監(jiān)測情況，研究并設(shè)計(jì)了一套比較完善的水源地水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能及構(gòu)成

本文研究設(shè)計(jì)的飲用水水源地水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)主要包括3個子系統(tǒng)：水質(zhì)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)、現(xiàn)場監(jiān)察系統(tǒng)和遠(yuǎn)程Web數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)。水質(zhì)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)用來采集水質(zhì)傳感器的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫，現(xiàn)場監(jiān)察系統(tǒng)主要用來了解水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)工作現(xiàn)場的情況，遠(yuǎn)程Web數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)用戶使用瀏覽器查看水質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)、觀察水質(zhì)變化趨勢、評價水質(zhì)等級的功能。

1.1 水質(zhì)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》( GB 3838-2002)有關(guān)水質(zhì)指標(biāo)的限值規(guī)定，并結(jié)合村鎮(zhèn)飲用水水源的實(shí)際情況，總結(jié)歸納出本文所監(jiān)測的5項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，各等級限值如表1所示。傳感器種類、質(zhì)量、技術(shù)參數(shù)等直接影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性，并嚴(yán)重影響水質(zhì)等級評價結(jié)果。根據(jù)水質(zhì)指標(biāo)并綜合考慮到成本、精度、可靠性等因素，選定本文監(jiān)測系統(tǒng)使用pH值傳感器、溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器、溶解氧傳感器、濁度傳感器共計(jì)5種傳感器，均為直流電壓供電，輸出均為4～20 mA信號，均具有功耗低、操作簡單、方便維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

水質(zhì)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括水質(zhì)傳感器、微處理器和GPRS通信模塊。傳感器輸出4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號，經(jīng)過STC12LE5A60S2內(nèi)置高速A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過STC12LE5A60S2的串口2發(fā)送到SIM300模塊的串口緩存區(qū)，并使用AT指令建立SIM300與GPRS服務(wù)器的無線網(wǎng)絡(luò)連接，把SIM300接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS服務(wù)器。

表1 監(jiān)測指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)限值Tab.1 monitoring indicators and standard values

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The hardware structure diagram

1.2 現(xiàn)場監(jiān)察系統(tǒng)

現(xiàn)場監(jiān)察系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，構(gòu)成是在PTB204開發(fā)板上外接一個串口攝像頭PTC01。攝像頭連在串口上，系統(tǒng)初始化完成進(jìn)入待機(jī)后，通過手機(jī)向PTB204板上的手機(jī)號碼發(fā)送短信，綁定一個或幾個接收現(xiàn)場圖片的手機(jī)號碼。綁定的手機(jī)號碼可以隨時撥打PTB204板上的號碼，PTB204接到來電后，自動掛斷，然后PTC01進(jìn)行拍照以彩信的方式回傳現(xiàn)場照片；在現(xiàn)場查看監(jiān)測系統(tǒng)時，若有突發(fā)狀況發(fā)生，可以立即按下按鈕觸發(fā)拍攝現(xiàn)場圖片發(fā)送到綁定的管理人員手機(jī)，以便及時采取處理措施。

圖2 現(xiàn)場監(jiān)察系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Monitor system hardware structure diagram

圖3為現(xiàn)場監(jiān)察系統(tǒng)遠(yuǎn)程拍攝發(fā)送到管理人員手機(jī)的照片。從圖3上，可以看到監(jiān)測水域的基本情況，如水體顏色的明顯變化、水面上是否存在垃圾漂浮物、水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備是否遭到破壞等。現(xiàn)場圖片采集這一功能的實(shí)現(xiàn)，對于水體安全及監(jiān)測設(shè)備的保護(hù)，提供了多一份保障，有很強(qiáng)的實(shí)用價值。

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖Fig.3 The experimental results figure

1.3 遠(yuǎn)程Web數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)

傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器，經(jīng)過GPRS服務(wù)器接收軟件的處理后，將數(shù)據(jù)存儲到SQL Server數(shù)據(jù)庫中；再利用ASP.NET技術(shù)結(jié)合SQL Server數(shù)據(jù)庫編寫的Web服務(wù)器程序，實(shí)現(xiàn)使用瀏覽器查看監(jiān)測數(shù)據(jù)、觀察水質(zhì)變化趨勢、評價水質(zhì)等級的功能。

本文使用SQL Server 2005設(shè)計(jì)了2個數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)tb_sysUser(用戶信息表)和Table_1(監(jiān)測數(shù)據(jù)信息表)。表tb_sysUser主要用來保存用戶的基本信息，該表的結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 表tb_sysUser的結(jié)構(gòu)Tab.2 The structure of the table tb_sysUser

表Table_1主要用來保存系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)如表3所示。

表3 表Table_1的結(jié)構(gòu)Tab.3 the structure of the table Table_1

GPRS服務(wù)器接收軟件實(shí)現(xiàn)的具體步驟：

(1)基于Socket建立客戶端(SIM300)與服務(wù)器端的TCP連接；

(2)根據(jù)約定協(xié)議，接收客戶端發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；

(3)利用數(shù)據(jù)庫訪問工具ADO.NET實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。

作為客戶端的SIM300模塊使用AT指令向服務(wù)器發(fā)起連接請求，成功建立連接后，服務(wù)器端軟件開始接收客戶端發(fā)送來的字符串?dāng)?shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后存儲到數(shù)據(jù)表3 Table_1相對應(yīng)的列。

Web應(yīng)用程序是指Web服務(wù)器上包含的許多靜態(tài)和動態(tài)的資源的集合，對于ASP.NET Web應(yīng)用程序來說，這些資源包括多個靜態(tài)的HTML頁面、動態(tài)的ASP.NET頁面、ASP.NET用戶控件、Web服務(wù)等。本文使用的是Win7系統(tǒng)提供的IIS6.0服務(wù)器，完成了水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)遠(yuǎn)程界面的編寫，圖4為遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)Web界面。

圖4 遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)Web界面Fig.4 Web interface of remote real-time monitoring sensor data

2 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為四層：第一層為前端水質(zhì)傳感器和串口攝像頭，水質(zhì)傳感器以有線方式連接到單片機(jī)STC12LE5A60S2的P1口，串口攝像頭通過串口連接到PTB204開發(fā)板；第二層為GPRS通訊模塊，傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)無線發(fā)送到固定的IP網(wǎng)絡(luò)，串口攝像頭拍到的圖片通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到手機(jī)；第三層為配有固定IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)接收服務(wù)器，接收到水質(zhì)信息并保存到本地SQL Server數(shù)據(jù)庫中，并可利用ASP.NET技術(shù)編寫Web動態(tài)網(wǎng)頁操作數(shù)據(jù)庫；第四層為安裝有瀏覽器的電腦客戶端，在瀏覽器地址欄里輸入服務(wù)器的IP地址和端口號，即可對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、查詢及曲線顯示。

圖5 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 System network structure schematic

3 結(jié) 語

本文以水質(zhì)傳感器和串口攝像頭為采集終端，以單片機(jī)作為控制中心，以GPRS模塊作為通信設(shè)備，以Web網(wǎng)頁作為水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示終端，用戶手機(jī)作為監(jiān)測現(xiàn)場圖片的接收終端，研究開發(fā)了一套完整的飲用水水源水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。通過單片機(jī)控制軟件及服務(wù)器端軟件程序的編寫及運(yùn)行調(diào)試，用戶能夠使用瀏覽器查看水質(zhì)數(shù)據(jù)的相關(guān)信息，使用手機(jī)接收現(xiàn)場圖片。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，能夠?qū)崟r監(jiān)測水源地水質(zhì)pH值、溫度、電導(dǎo)率、溶解氧和濁度數(shù)據(jù)，并根據(jù)各個指標(biāo)限值對水質(zhì)進(jìn)行評估，利于有關(guān)工作人員及時處理突發(fā)狀況。本文下一步工作是在飲用水水源水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)原有功能的基礎(chǔ)上，增加定期自檢功能，并將自檢結(jié)果實(shí)時發(fā)送至用戶手機(jī)，以保證不同水源地監(jiān)測設(shè)備長期運(yùn)行過程中的可用性、可靠性，方便用戶對多個水源地水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備的管理和運(yùn)行維護(hù)。

□

[1] 中華人民共和國水利部.全國農(nóng)村飲水安全工程“十二五”規(guī)劃[R]. 2012.

[2] 孫 靜. 村鎮(zhèn)飲用水源水質(zhì)監(jiān)測評價及預(yù)警研究[D]. 江蘇揚(yáng)州: 揚(yáng)州大學(xué), 2015.

[3] 趙雪梅. 基于GPRS技術(shù)的村鎮(zhèn)飲用水源水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D]. 江蘇揚(yáng)州:揚(yáng)州大學(xué), 2016.

[4] 黃建清, 王衛(wèi)星, 姜 晟，等. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013,29(4):183-190.

[5] 趙小歡.基于WSN的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué), 2014.

[6] 仇榮華. 基于ZigBee和ARM平臺的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué), 2010.

[7] 代子文. 基于嵌入式系統(tǒng)的庫區(qū)環(huán)境水質(zhì)在線監(jiān)測管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 重慶：重慶大學(xué), 2014.

[8] 張宇斯, 何道婷. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大東湖生態(tài)水網(wǎng)水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J]. 商品與質(zhì)量，2012,(7):312-313,316.

[9] 孫京玉. 基于物聯(lián)網(wǎng)的衡水湖水質(zhì)監(jiān)測[J]. 給水排水，2011,(37):461-462.

[10] 賈桂林, 劉美岑, 曾寶國, 等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012,(12):81-85.

[11] Ebrahim Karami, Francis M. Bui, Ha H. Nguyen. Multisensor Data Fusion for Water Quality Monitoring Using Wireless Sensor Networks[C]∥ 4th International Conference, IEEE, 2012.

[12] Alkandari A, Alnasheet M, Alabduljader Y, et al. Water monitoring system using Wireless Sensor Network (WSN): Case study of Kuwait beaches[C]∥ 2th International Conference, IEEE, 2012.