水質(zhì)自動(dòng)檢測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳亞 顧涓涓 張紅夢

摘 要：為了加強(qiáng)水環(huán)境監(jiān)管力度，減少人工成本，設(shè)計(jì)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能硬件，對一些水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)檢測、傳輸以及分析，對超標(biāo)排放點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，分析原因以及源頭企業(yè)追溯。設(shè)計(jì)分為設(shè)備檢測層、服務(wù)端數(shù)據(jù)處理層、網(wǎng)頁頁面應(yīng)用層，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，趨勢原因分析以及遠(yuǎn)程控制等功能，使水質(zhì)檢測更高效、更便捷、更及時(shí)。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)自動(dòng)檢測；信息傳輸；遠(yuǎn)程控制

中圖分類號 X328 文獻(xiàn)標(biāo)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(huán)境污染，水體惡化已成為亟需解決的重要問題。工業(yè)污水、生活廢水以及農(nóng)業(yè)灌溉廢水的排放，使水中氮、磷、鉀含量急劇升高，水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重，對生態(tài)環(huán)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(zhì)自動(dòng)檢測系統(tǒng)的建立解決了部分水質(zhì)檢測的問題，其出現(xiàn)簡化了基礎(chǔ)水質(zhì)情況的檢測流程，可實(shí)時(shí)檢測出溫度、pH值、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、總有機(jī)碳，總氧，總磷以及氨氮[2]，大大提高了水質(zhì)檢測效率，加強(qiáng)了污染源頭管控，對水環(huán)境的治理提供了有利的保障。

但在現(xiàn)有的水質(zhì)檢測系統(tǒng)中，仍存在信息處理不及時(shí)，數(shù)據(jù)聯(lián)合不全面，數(shù)據(jù)管理不便捷等諸多問題，加大了對大區(qū)域水環(huán)境問題總體把控的難度。因此，要加強(qiáng)更加全面的系統(tǒng)化建設(shè)，增強(qiáng)信息交流融合，才能更好地治理水環(huán)境污染問題。

2 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)針對不同的水質(zhì)自動(dòng)檢測系統(tǒng)子站，建立信息傳輸、存儲、處理系統(tǒng)?，F(xiàn)有水質(zhì)自動(dòng)檢測系統(tǒng)主要有：一臺或多臺小型多參數(shù)水質(zhì)自動(dòng)分析儀、固定式子站以及流動(dòng)式子站。不同的系統(tǒng)子站有著不同的優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用場景，但系統(tǒng)子站間并不相連，單個(gè)數(shù)據(jù)采集具有片面性。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要將其采集數(shù)據(jù)通過不同的合適的傳輸方式，把水質(zhì)情況實(shí)時(shí)的傳輸給服務(wù)器，經(jīng)服務(wù)端處理，可將水質(zhì)情況實(shí)時(shí)地顯示于客戶端。系統(tǒng)架構(gòu)主要包括：水質(zhì)自動(dòng)檢測系統(tǒng)子站，數(shù)據(jù)傳輸模塊，服務(wù)端，數(shù)據(jù)庫，html客戶端[3]。系統(tǒng)子站用于水質(zhì)情況檢測，數(shù)據(jù)傳輸模塊用于將水質(zhì)情況傳輸與服務(wù)端，服務(wù)端對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)存儲，方便處理與再提取。由html頁面方便對基站進(jìn)行控制以及信息顯示管理。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 硬件檢測傳輸系統(tǒng)

3.1.1 采水單元 采水單元主要是自動(dòng)采樣，包括水泵、管路、供電系統(tǒng)以及設(shè)備的搭建工作。具體的搭建要視具體的環(huán)境而定，要考慮到地形，氣候，河道的水位，重點(diǎn)防護(hù)區(qū)，泥沙等多個(gè)因素。所以根據(jù)不同的條件，不同的檢測方法也應(yīng)運(yùn)而生。

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

3.1.3 分析單元 分析單元主要由水質(zhì)自動(dòng)分析儀和測量儀器組成，目前可檢測水溫、pH、溶解氧（DO）、電導(dǎo)率、濁度、氧化還原電位、流水、水位、COD、BOD、TOD、UV、高錳酸鹽指數(shù)、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(xiàng)目可根據(jù)對附近污染源進(jìn)行調(diào)查確定，以降低設(shè)備成本。自動(dòng)分析儀可自動(dòng)進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換，面對復(fù)雜的環(huán)境，具有一定的自我調(diào)節(jié)性，并可遠(yuǎn)程控制，大大提高實(shí)用性。上面配備數(shù)字接口，可將采集的到數(shù)據(jù)通過不同的方式傳輸?shù)椒?wù)端[5]。

3.1.4 數(shù)據(jù)傳輸單元 數(shù)據(jù)傳輸單元主要將自動(dòng)分析單元處理過后的數(shù)據(jù)從傳輸?shù)椒?wù)端[6]。根據(jù)站點(diǎn)類型的不同，應(yīng)用不同的傳輸方法。傳輸方法主要包括互聯(lián)網(wǎng)和GSM技術(shù)?；ヂ?lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)傳輸速度快，穩(wěn)定性高，但需要網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，一般用在便于搭建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的固定檢測點(diǎn)使用。GSM傳輸技術(shù)靈活便捷，信號覆蓋范圍廣，可用于移動(dòng)式分析儀器或者難以搭建網(wǎng)絡(luò)或搭建成本較高的地方。

3.1.4.1 小型多參數(shù)水質(zhì)自動(dòng)分析儀 該儀器由一臺或多臺組成，其特點(diǎn)是可直接放于水中測量，系統(tǒng)構(gòu)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(diǎn)建立較大的檢測站點(diǎn)，使用互聯(lián)網(wǎng)傳輸。

3.1.4.2 固定式子站 多建于重點(diǎn)防護(hù)區(qū)，檢測的范圍以及項(xiàng)目較多，因此數(shù)據(jù)量較大，多配備機(jī)房，一般采用互聯(lián)網(wǎng)傳輸方式。

3.1.4.3 流動(dòng)式子站 流動(dòng)式子站便捷性最高，因此相對成本較高。目前數(shù)據(jù)多采用人工記錄的方法，人力成本相對較高，數(shù)據(jù)處理不及時(shí)且較為繁瑣。其通信方式采用GSM傳輸技術(shù)，可實(shí)時(shí)移動(dòng)。

3.2 服務(wù)端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 服務(wù)端是所有信息交互的中心，其連接水質(zhì)自動(dòng)檢測系統(tǒng)子站、數(shù)據(jù)庫、html頁面[7]。為信息數(shù)據(jù)的傳輸，遠(yuǎn)程控制提供了一個(gè)中央指揮系統(tǒng)。

3.2.1 接收來自GSM模塊的數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為中央處理系統(tǒng)，傳輸模塊為GSM模塊，采用AT指令方式與服務(wù)端形成對話連接并傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。單片機(jī)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(shù)據(jù)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(jī)上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)端。GSM模塊和單片機(jī)模塊可相互控制，單片機(jī)通過AT指令控制GSM模塊，GSM模塊通過中斷控制單片機(jī)進(jìn)而控制檢測子站，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。各模塊全部由蓄電池進(jìn)行供電，蓄電池由太陽能電池板進(jìn)行充電，保證供電穩(wěn)定性。

3.2.2 服務(wù)端 服務(wù)端設(shè)計(jì)主要是依靠云平臺，完成整個(gè)系統(tǒng)的通信以及數(shù)據(jù)處理過程。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。服務(wù)端連接GSM模塊，接收各站點(diǎn)的檢測數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中[8]。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理的時(shí)候，可實(shí)時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)庫信息，對所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、分析，顯示于html頁面。

3.2.3 數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫主要用于存放數(shù)據(jù)以便數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)主要包含待存放的對象，包括待檢測項(xiàng)目水溫、pH、溶解氧（DO）、電導(dǎo)率等全部指標(biāo)，由服務(wù)端控制進(jìn)行增刪改查（圖3）。R圖為數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，方便數(shù)據(jù)的分類存儲、提取、修改與刪除。其所有操作由服務(wù)端進(jìn)行控制。

3.2.4 html頁面 html頁面為應(yīng)用層，是與用戶交互的頁面設(shè)計(jì)包括用戶登錄、站點(diǎn)信息查詢、指標(biāo)查詢、超標(biāo)預(yù)警等多個(gè)功能。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)利用傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線傳輸?shù)燃夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)情況的采集、傳輸、分析、存儲、顯示以及遠(yuǎn)程控制，可對多種水質(zhì)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并及時(shí)進(jìn)行處理，一方面可及時(shí)對環(huán)境問題做出更加及時(shí)的判斷，另一方面節(jié)省了人力以及管理成本。

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（責(zé)編：張宏民）