水質自動檢測數據處理系統的設計與實現

吳亞 顧涓涓 張紅夢

摘 要：為了加強水環境監管力度，減少人工成本，設計結合物聯網技術與智能硬件，對一些水質參數進行自動檢測、傳輸以及分析，對超標排放點進行自動報警，分析原因以及源頭企業追溯。設計分為設備檢測層、服務端數據處理層、網頁頁面應用層，可實現遠程數據采集，趨勢原因分析以及遠程控制等功能，使水質檢測更高效、更便捷、更及時。

關鍵詞：水質自動檢測；信息傳輸；遠程控制

中圖分類號 X328 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）13-00113-03

Abstract：In order to strengthen the regulation of water environment and reduce labor costs，the water quality parameters is automatic tested，transferred and analyzed by the design combined with intelligence hardware and Internet technology.The excessive discharge points are alarmed automatic and the reasons are analyzed and source enterprises are traced.The design can be divided into device detection layer，server data processing layer and web application layer，it can realize remote data acquisition，trend analysis and remote control，make water quality testing more efficient，convenient and timely.

Key words：Automatic water quality detection；Information transmission；The remote control

1 研究背景

水環境污染，水體惡化已成為亟需解決的重要問題。工業污水、生活廢水以及農業灌溉廢水的排放，使水中氮、磷、鉀含量急劇升高，水體富營養化嚴重，對生態環境造成了極大的影響及破壞[1]。然而非法排放，源頭控制管理不足大大增加了治理的難度。

水質自動檢測系統的建立解決了部分水質檢測的問題，其出現簡化了基礎水質情況的檢測流程，可實時檢測出溫度、pH值、溶解氧、電導率、濁度、高錳酸鹽指數、總有機碳，總氧，總磷以及氨氮[2]，大大提高了水質檢測效率，加強了污染源頭管控，對水環境的治理提供了有利的保障。

但在現有的水質檢測系統中，仍存在信息處理不及時，數據聯合不全面，數據管理不便捷等諸多問題，加大了對大區域水環境問題總體把控的難度。因此，要加強更加全面的系統化建設，增強信息交流融合，才能更好地治理水環境污染問題。

2 總體設計

本系統針對不同的水質自動檢測系統子站，建立信息傳輸、存儲、處理系統?，F有水質自動檢測系統主要有：一臺或多臺小型多參數水質自動分析儀、固定式子站以及流動式子站。不同的系統子站有著不同的優缺點以及應用場景，但系統子站間并不相連，單個數據采集具有片面性。本系統設計主要將其采集數據通過不同的合適的傳輸方式，把水質情況實時的傳輸給服務器，經服務端處理，可將水質情況實時地顯示于客戶端。系統架構主要包括：水質自動檢測系統子站，數據傳輸模塊，服務端，數據庫，html客戶端[3]。系統子站用于水質情況檢測，數據傳輸模塊用于將水質情況傳輸與服務端，服務端對數據進行數據處理，數據用于數據存儲，方便處理與再提取。由html頁面方便對基站進行控制以及信息顯示管理。

3 系統功能設計

3.1 硬件檢測傳輸系統

3.1.1 采水單元 采水單元主要是自動采樣，包括水泵、管路、供電系統以及設備的搭建工作。具體的搭建要視具體的環境而定，要考慮到地形，氣候，河道的水位，重點防護區，泥沙等多個因素。所以根據不同的條件，不同的檢測方法也應運而生。

3.1.2 配水單元 配水單元需要考慮到在實際檢測是遇到的問題，是對水樣進行預處理的裝置。水樣在進行檢測前，需要對內部試管進行沖洗，保證樣品的準確性。另外還要考慮到對水樣中的泥沙，枝葉等進行過濾，可根據水量以及被過濾的泥沙重量對水的濁度進行綜合判斷。不同的檢測項目所需的預處理步驟不同。

3.1.3 分析單元 分析單元主要由水質自動分析儀和測量儀器組成，目前可檢測水溫、pH、溶解氧（DO）、電導率、濁度、氧化還原電位、流水、水位、COD、BOD、TOD、UV、高錳酸鹽指數、TOC、氨氮、總氮、總磷、氟化物、氯化物、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氰化物、磷酸鹽、硫酸鹽、油類、酚、葉綠素、金屬離子等[4]。具體檢測項目可根據對附近污染源進行調查確定，以降低設備成本。自動分析儀可自動進行量程轉換，面對復雜的環境，具有一定的自我調節性，并可遠程控制，大大提高實用性。上面配備數字接口，可將采集的到數據通過不同的方式傳輸到服務端[5]。

3.1.4 數據傳輸單元 數據傳輸單元主要將自動分析單元處理過后的數據從傳輸到服務端[6]。根據站點類型的不同，應用不同的傳輸方法。傳輸方法主要包括互聯網和GSM技術。互聯網傳輸技術傳輸速度快，穩定性高，但需要網絡環境，一般用在便于搭建網絡環境的固定檢測點使用。GSM傳輸技術靈活便捷，信號覆蓋范圍廣，可用于移動式分析儀器或者難以搭建網絡或搭建成本較高的地方。

3.1.4.1 小型多參數水質自動分析儀 該儀器由一臺或多臺組成，其特點是可直接放于水中測量，系統構成靈活方便。這種檢測站由于其便捷性，主要通信方式依靠GSM模塊，除非一些重要檢測點建立較大的檢測站點，使用互聯網傳輸。

3.1.4.2 固定式子站 多建于重點防護區，檢測的范圍以及項目較多，因此數據量較大，多配備機房，一般采用互聯網傳輸方式。

3.1.4.3 流動式子站 流動式子站便捷性最高，因此相對成本較高。目前數據多采用人工記錄的方法，人力成本相對較高，數據處理不及時且較為繁瑣。其通信方式采用GSM傳輸技術，可實時移動。

3.2 服務端數據處理系統 服務端是所有信息交互的中心，其連接水質自動檢測系統子站、數據庫、html頁面[7]。為信息數據的傳輸，遠程控制提供了一個中央指揮系統。

3.2.1 接收來自GSM模塊的數據 數據采集模塊的設計是以單片機為中央處理系統，傳輸模塊為GSM模塊，采用AT指令方式與服務端形成對話連接并傳輸數據。系統架構如圖1所示。單片機與檢測子站和GSM模塊采用串口通信的方式相連，用于控制檢測子站操作以及接收來自檢測子站的數據信息，存于存儲器中。GSM模塊用于與外界通信，可將存儲于單片機上的數據轉發到服務端。GSM模塊和單片機模塊可相互控制，單片機通過AT指令控制GSM模塊，GSM模塊通過中斷控制單片機進而控制檢測子站，實現遠程控制。各模塊全部由蓄電池進行供電，蓄電池由太陽能電池板進行充電，保證供電穩定性。

3.2.2 服務端 服務端設計主要是依靠云平臺，完成整個系統的通信以及數據處理過程。系統結構如圖2所示。服務端連接GSM模塊，接收各站點的檢測數據，并將數據存儲于數據庫中[8]。在對數據進行綜合分析處理的時候，可實時調用數據庫信息，對所有的數據進行整合、分析，顯示于html頁面。

3.2.3 數據庫 數據庫主要用于存放數據以便數據處理。數據庫設計主要包含待存放的對象，包括待檢測項目水溫、pH、溶解氧（DO）、電導率等全部指標，由服務端控制進行增刪改查（圖3）。R圖為數據庫設計的內部結構，方便數據的分類存儲、提取、修改與刪除。其所有操作由服務端進行控制。

3.2.4 html頁面 html頁面為應用層，是與用戶交互的頁面設計包括用戶登錄、站點信息查詢、指標查詢、超標預警等多個功能。

4 結語

本設計利用傳感技術、物聯網技術、無線傳輸等技術，實現了水質情況的采集、傳輸、分析、存儲、顯示以及遠程控制，可對多種水質狀況進行實時采集并及時進行處理，一方面可及時對環境問題做出更加及時的判斷，另一方面節省了人力以及管理成本。

參考文獻

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[3]袁郡.基于WEB中轉的遠程控制系統[D].成都：電子科技大學，2011.

[4]楊薇薇.地表水水質自動監測系統及其建設中的若干問題[J].環境與發展，2018，30（01）：167-168.

[5]熊四昌，周赟濤.基于嵌入式的移動圖像監控系統設計[J].計算機測量與控制，2018，26（04）：82-84，96.

[6]王欽.大壩安全數據傳輸技術及應用[J].四川水泥，2015（11）：99.

[7]姜福先.無人車遠程指揮和監控系統軟件設計[D].南京：南京理工大學，2009.

[8]王世強，邢建春，李決龍，等.面向無線傳感器網絡的無線攜能通信研究[J].傳感器與微系統，2015，34（08）：46-49，53.

（責編：張宏民）