基于无线传输的水质监测系统研究

广西工学院电控系 何伟刚 吴其琪

1.引言

早期水质监测主要通过定时定点在河流的代表性断面取得瞬时水样后在实验室里通过技术分析手段的方法实现水质的监测目的，但是这种人工抽查的监测手段发挥的作用很有限，不能将实际不断变化着的动态数据及时、准确、有针对性的获得，从而影响了后期分析的正确性。21世纪水利水质监测任务作为系统工程的主要研究对象仍是流域或区域水环境，水质监测技术仅仅只是它的组成的基础部分，工作的重心是将监测到的数据进行信息化处理，在全国水质站网和监测信息中心的网络互联和信息互通，统计、分类和整合各级监测中心的数据，建立与数据对应的水体分析模型来预测实际水质情况，可为未知水资源的开发利用、优化保护现有水环境提供有力支持。设计一个系统，内含详尽的国家饮用水物质数据指标，一旦发现水质不符合标准即时警告，并能实现监测实时、连续化，设备简便化。

2.监测系统总体结构

系统主要包括水样采集控制子系统、水质和水量监测以及数据采集子系统、信息传输、数据处理控制子系统五大部分组成。

(1)水样采集控制子系统，包括的部分有传感器、采水单元、配水单元传感器的组成部件通常有敏感元件、转换元件及相应的机械结构和电子线路。包括水泵、管路、供电及安装结构部分。在设计上必须对各种气候、地形、水位变化及水中泥沙等提出相应的解决措施，并能够自动连续地与整个系统同步工作，给系统提供可靠、有效的水样。配水单元主要有水样预处理装置、自动清洗装置及辅助部分三部分。配水单元的水压和水量应满足监测仪器的要求，它负责供水给监测仪器、去除水的泥沙和过滤，自动/手动两用管道的反冲洗和除藻。预处理单元水样进入五参数测试池之前没有任何过滤和拦截，最大限度保持水样完整性，不影响五参数测试。

(2)监测系统主要分为监测管理中心、区域监控站和监控终端三层网络结构。监测管理中心的主要部分包括数据服务器和监控业务台，负责完成全网所有监控信息的采集、统计、处理和比对分析，同时也将这些信息传送给区域监控站。每个终端收集所有数据后存储在服务器中。管理中心是收集统计，查询和分析监测终端实时数据，历史数据和报警信息系统平台，也是统计结果和监测情况曲线的地方。电脑上的系统，对应在局部地区监测站，由具有强大的数据处理能力的中心监测系统集中控制，主要负责监测区域的数据统计的各监测点的实时情况。此外，所有监测终端都采用了抗干扰能力强的PLC可编程逻辑器件，负责采集针对某些特定指标的数据(监测系统总体结构如图1所示)。

图1 监测系统总体结构

(3)信息传输子系统采用GSM无线短消息、GPRS和公用电话网等平台将采集到的数据发送到监控信息管理中心，同时也会接收来自于本中心的各类无线数据监控指令。

单片机接收到终端的数据信息后，要通过GPRS通信网络把数据发送到主控中心。GPRS模块使用了内部集成GSM控制器、TCP/IP协议，同时提供了2个串口等。该模块提供GSM语音、短消息和GPRS上网等业务，具有标准AT命令接口，支持RS-232异步串行通信，由呼叫控制指令、网络服务命令、电话本命令、短消息命令和自定义命令等组成，使用AT命令集可实现模块系统操作。把无线收发模块到上位机的系统中，可以实现GSM短信数据传输业务在上位机和监控信息管理中心之间的双向传输。除了通过RS-232与单片机通信外，还有一个用户识别模块SIM卡。SIM卡上包含了所有用户的信息，个人识别码可以防止SIM卡未经授权而使用。每当移动用户开机时，GPRS先要自动鉴别用户的合法性，只有在系统认可之后，才为该用户提供服务。

3.监测系统的特点与功能

(1)稳定、可靠、安全

无线数据传输系统，摆脱有线的束缚的范围广，运行费用低，它收集的数据可立即发送到数据访问服务器和存储在系统数据库中，防止由于没有数据采集终端而产生数据丢失的现象，充分保证了数据的安全性；数据采集终端与离网运行，当网络或数据访问服务器失败，数据采集终端的服务将暂时存储数据到网络链路，系统可恢复正常，缓存的数据传输到数据中心；另一方面，严格认证的系统数据传输过程、验证、加密措施共同保证数据的准确性和安全性。

(2)实时在线

数据访问服务器时，服务器和数据采集终端保持实时，并连接到环保部门，以5分钟为间隔及时、准确的发现排污操作和开发污染物排放趋势和查看实时数据变化的排放。

(3)全面控管

所有企业污染源在线监测的同时，在相同的接口，只需要观察屏幕上的各种业务图标样式或颜色就可以了解所有的企业各污染物排放口设备的运行，污染物排放浓度，流量，排放量和其他等信息。

(4)实时报警

分为超标告警，故障报警和黄色预警。

1)超标告警：污染物排放浓度超过预设值时，告警系统启动，相应的企业图标将停2)故障报警：数据采集终端或污染源在线监测仪器故障时，系统会发出故障报警信号。

3)黄色预警：污染物浓度接近超过标准限值，系统产生报警信号，监管

部门据此发布信息，通知企业采取措施处理和控制污染物排放至符合标准，从而可以实现快速预警。

(5)丰富的统计与管理体制功能

依据排污申报，环境统计等报表要求，全面反映企业的基本情况，以图标、表格、图形等形式实时展现排污口设备的运行状况，污染物排放浓度、流量、排放量等信息，可以汇总统计区域内所有污染物的排放总量，掌握和量化污染物的排放趋势，为区域内控制污染物排放总量提供技术支持，为环保部门现场执法和排污收费提供依据。

(6)总量控制与管理

整个系统充分体现总量控制的原则，为管理提供依据，为决策提供支持，各种统计分析报告和图表可以归类总结各污染物的排放量，针对标准的总排放量的污染物可以进行直观的比较分析，同时跟踪总排放量每天变化趋势的曲线得出结论，对于超过标准的数据值，结合企业现阶段的实际情况和该地区的历史数据进行分析，设定出该企业的总排放量的最大上限值，一旦接近或超过最大上限时值发出预警，这充分体现发展结合实际的总原则。同时借助统计手段总结需要控制污染物排放总量的地区的污染物排放总量趋势，掌握和量化的趋势污染物的排放规律，提供监测依据和技术支持给执法部门以及环保部门。

(7)远程访问

通过互联网可了解各个监控点运转情况，获取实时在线监测数据。

(8)日志管理

分类汇总统计各种报警及故障信息形成日志，通过系统日志能分析数据的准确性，有效性，同时还可以全面了解在线监测设备的运行状况，便于系统的管理和维护，日志管理包括报警日志、故障日志、停电日志。

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[2]张超等.自动控制系统分析[M].现代商贸工业出版社,2011.

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