探析城市地下水環境監測系統的應用

摘 要：面對日益嚴重的水環境污染問題，要關注和加強城市地下水環境監測系統的應用，構建一定數量及分布的水質監測站點，使之成為嚴謹、密集的水質自動監測系統，進行地下水環境數據的采集、傳輸、存儲、預測和查詢，較好地提升城市地下水環境監測系統的應用效能。

關鍵詞：地下水;環境監測系統;應用

當前對地下水的不合理開發和利用引發日益嚴重的水環境污染問題，對此要關注和加強對城市地下水環境的監測，要設計和應用科學先進、易于操作的地下水環境監測系統，結合單片機技術、GPRS技術和傳感器技術，進行地下水數據的自動采集、處理、傳輸和存儲，實時獲悉和把握地下水的水體狀況和水情信息，節約地下水監測成本，提高地下水監測效率。

1 地下水環境監測系統的功能分析

可以借助于單片機技術、GPRS無線傳輸技術、計算機網絡和傳感器技術，進行城市地下水環境監測系統的設計和應用，使之具有一定的可擴展性，滿足實時監測的需求，并利用良好的人機交互界面，進行數據的可視化顯示和分析。具體來說，地下水環境監測系統的功能主要包括以下方面：（1）數據采集。通過前端監測設備進行地下水環境的在線實時監測，包括地下水水位、水溫、PH值、電導率等水質參數，并將其通過GPRS網絡進行信息數據的發送，使終端監控中心接收和獲悉地下水監測值，體現出實時、連續、準確的特性。（2）數據存儲。將采集的地下水環境監測數據依照統一格式進行存儲，使之自動存放至現場SD卡，可以作為數據傳輸丟失時的查詢之用。（3）數據傳輸。前端監測設備與終端監控數據中心的數據傳輸要借助于GPRS、Internet進行無線傳輸，并將傳輸的數據存儲于數據庫中。（4）設備運行狀態管理。要利用在線實時監測設備和系統實現對設備運行狀態的監測、維護和故障處理，體現其抗干擾、過壓保護、開機后自動復位等性能。[1]

2 地下水環境監測系統的設計與應用分析

（1）系統架構設計與應用。地下水環境監測系統的整體架構由三部分構成，即：系統前端設備、網絡傳輸層、監控管理中心，其中：系統前端設備涵蓋監測太陽能供電模塊、配電箱模塊、傳感器采集模塊、微控制處理器模塊，用于采集地下水水位、水溫、導電率、酸堿度、相關模擬量信號等數據;網絡傳輸層涵蓋有GPRS、Internet等網絡，利用網絡進行采集數據的傳輸控制;監控管理中心涵蓋有服務器、顯示器等模塊，接收并實時顯示、查詢數據，并對異常故障數據信息進行告警。

（2）系統硬件設計和應用。地下水環境監測系統的硬件設計要體現出相對獨立性、可擴展性、集成性和穩定性，并具有低成本、防干擾和防雷擊的特點，主要包括以下內容：a.硬件電路的設計與應用。系統前端供電設備要采用3.3-12V的電源電壓，可以選取供電電壓為12V的太陽能供電方案，利用電壓轉換芯片進行電壓轉換和供應。微控制處理器單元則以STM32F103VET6芯片為核心，利用可擴展的外圍電路接口，與RS-485通信的電導率、PH值傳感器、水位傳感器、水溫傳感器、GPRS無線通信單元相匹配。傳感器單元主要涵蓋對地下水的水位、水溫、PH值、電導率等信號進行傳感和數據采集。GPRS無線通信單元則以ARM9216EJ-S為內核，借由GPRS網絡實現數據的遠程無線傳輸，使之進入到Internet網絡之中。b.傳感器模塊的應用。可以采用DS18B20數字式溫度傳感器，將測量的溫度值轉化為可輸出信號，由一個普通端口實現與DS18B20溫度傳感器的雙向通信，適用于-55℃～+125℃的水溫測量。還可以選取投入式壓力水位傳感器進行相關數據的采集，適用于較小的井孔觀測。選取電極型PH傳感器，通過電極測電位的方法獲取地下水的PH值，衡量地下水環境的健康狀態。選取Rs-485接口輸出方式的傳感器，通過對稱脈沖法進行電導率的測量。c.微控制器模塊的應用。可以選取應用核心元件為STM32F103ZET6的微處理器，與外圍電路構成微控制器單元模塊，并將微控制器模塊與前端監測點、監控管理中心相鏈接，實現對地下水環境參數信息的采集、數據處理、存儲和遠程無線傳輸。d.GPRS無線傳輸模塊的應用。可以利用通用分組無線服務技術，利用其接入范圍廣、傳輸速率快、接入時間短、實時在線的優勢，進行地下水環境數據的無線遠程傳輸。

（3）系統軟件設計與應用。地下水環境監測系統采用KEIL MDK軟件工具和C語言進行開發環境，進行下位機軟件開發和應用，并采用B/S構架開發和應用上位機軟件系統，對服務器軟件進行設計和應用，如：服務器控制系統登陸界面、Socket連接程序、數據庫操作程序的設計和應用，同時還對客戶端軟件進行設計和應用，如：客戶端注冊界面、客戶端登錄界面、客戶端主界面等。

（4）使用BP神經網絡進行地下水環境數據的預測。可以引入BP神經網絡的理念和方法，基于地下水監測站點采集的環境數據，構建BP神經網絡預測模型，進行地下水環境的預測和分析。[2]

3 小結

綜上所述，地下水環境監測系統基于低成本、模塊化、系統化的理念進行設計和應用，整合利用嵌入式技術、傳感器技術，面向城市地下水環境進行數據采集、傳輸、處理、存儲和查詢，并利用BP神經網絡進行地下水環境趨勢變化的預測，未來還要加強對監測終端設備的微型化、集成化研究，使之具有更強的抗干擾能力和穩定性。

參考文獻：

[1]趙敏華，李莉，呼娜.基于無線傳感器網絡的水質監測系統設計[J].計算機工程，2014（02）.

[2]趙靜，喻曉紅，黃波，譚秀蘭.物聯網的結構體系與發展[J].通信技術，2010（09）.

作者簡介：楊陽（1988-），女，漢族，江蘇南京人，本科，助理工程師，目前從事環境監測方面工作。