基于3G的水质自动监测系统的设计

叶 军 陈甜甜 徐志祥 薛晓清

（1.泰兴市水务局，江苏 泰州 225400；2.河海大学物联网工程学院，江苏 常州 213022）

0 引言

近年来，随着我国经济的快速发展，工业、生活废水的非法排放导致大量的水资源被污染。人们饱尝环境污染的恶果，使得环境问题越来越受重视，特别是与人们生产生活息息相关的水污染问题。因此，对人们饮用水源污染情况进行有效的监控，及时发现污染源、确定污染范围、确定污染类型并制定相应的应急预案尤为重要。目前，我国水质监测系统采用现场采集-实验室分析的方法。该方法存在水质采样不足，缺乏自动测报能力，水质监测信息处理时效性差，对水质参数没有预警能力，不能实现在线、实时、连续自动监测等问题［1］。针对上述问题，笔者提出基于3G（3rd-Generation）的水质监测系统的设计方案。本系统运用3G 技术，借助现有的移动通信网络对分散的水域水质实现实时远程监测，具有不受地理环境和气候等因素限制、实时性好等优点，应用前景广阔。

1 系统总体设计

衡量水污染的指标主要有温度、PH 值、氧溶量（DO）、电导率、浊度、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、重金属离子等［2］。在本系统中，主要针对水中的温度、PH 值、氨氮、铅离子以及氟离子信息进行采集并实时显示。

1.1 系统整体结构设计

水质监测具有区域内的监测数量多、监测时间长、监测情况复杂等特点［3］。笔者设计的水质自动监测系统由数据采集部分、数据远程传输部分和上位机监控中心子系统三大部分组成，图1 为水质自动监测系统框架图。

图1 基于3G 水质自动监测系统框架图

数据采集部分处于水质监测系统框架图的最左边部分，主要由多种水质传感器、单片机、Zigbee 无线传感网络组成，用于采集水中的温度、PH 值等多种参数。

系统框架图的中间部分是数据的远程传输部分，由目前技术成熟的3G DTU 实现，操作性强，应用方便。

系统框架图最右侧为远程监控中心，也是笔者研究的核心部分。监测中心对接收到的水质参数进行分析和处理，将处理之后的数据存入数据库并显示到上位机界面，对发现水质参数超标和水质污染的区域进行报警，数据库中的数据供用户查询和为判断工厂的排污是否超标提供依据。同时，系统要求监控中心计算机连接在移动公司提供的专用网络上：一方面可以保证IP 地址固定不变；另一方面，采用移动公司专网可以保证服务器不被其他具有3G 功能的终端干扰。

1.2 3G DTU 通信模块

3G DTU 是一种物联网无线数据终端，利用公用的GPRS、CDMA、3G网络为用户提供无线长距离数据传输功能，具有很好的抗干扰性能，又可以较低的功率、较高的带宽发送数据传输速率，并且数据终端永远在线，实时性好、系统运行成本低。

在本系统中，传感器节点采集到的数据通过ZigBee 网络传入汇聚节点，经RS232 串口传输给3G DTU，数据被发送至3G 网络，再通过3G 网进入Internet，最后被指定IP 地址的用户数据中心读取。

1.3 系统通信方式

本系统在上位机和现场采集中分别实现了TCP/IP 协议，上位机软件系统以一个固定IP 通讯的底层支持，在此IP 上建立TCP 通讯服务器，用来接收现场采集系统的数据报送。现场采集系统采用3G DTU 基于IP的通讯硬件连接到Internet 网络，通过指定的IP 完成与上位机软件系统的通讯。当现场采集系统加电以后，根据设定的IP 地址和端口号建立通讯连接，通讯连接完成后，上位机接收到下位机发送来的数据并保存到数据库中。

2 系统软件设计

上位机和3G DTU 直接通信是采用基于TCP/IP 协议的Socket 套接字编程实现数据采集和现场采集系统运行参数的设置，以及现场采集系统报送数据的接收。

系统软件界面主要包括实时监测、短信猫、用户管理三大部分。实时监测包括数据实时显示和历史数据查询；短信猫包括设备的测试和发送记录；用户管理包括用户的增加和删除，以及用户权限的管理。监控中心软件主要包括数据接收模块和数据库模块。数据接收模块的功能是从Internet 获得数据并解析协议包，然后按照一定规则把有效的数据写入数据库。本系统数据库采用ACCESS数据库，功能是管理采集数据、用户信息、短信发送信息和为用户查询提供实时数据和历史数据。整个系统采用C#设计，主要功能是从Internet 接收数据，并判断数据包的好坏，然后解析数据包得到有效数据并添加到数据库中，接收数据流程如图2 所示。实时显示部分可以将各参数值实时数据显示出来，当数据超标时及时预警并以短信告知工作人员；在历史数据查询部分，用户可以随意选择日期、监测点、参数值进行数据查询，以及曲线图绘制、数据报表打印等；短信猫的设计是为了让工作人员及时了解水质情况，以及添加和删除用户。该软件为用户实时监控水质状态提供了可靠保证，曲线图的生成和报表打印以及短信告知功能，可大大减轻人员工作强度。

3 系统性能测试与分析

图2 接收数据流程图

为了测试系统的综合性能，在不同的水域对系统进行了试验测试。在系统测试时，考虑到可能影响系统传输性能的各方面因素，针对不同时间段、不同监测点进行了数据传输记录实验和性能分析。监控中心子系统某一时刻监测数据如表1 所示。

表1 监控中心子系统监测数据

由表1可看出，某一时刻不同监测点的数据变化不大，尤其是重金属含量几乎无变化，表明水质污染没有出现太大变化。

测试结果表明：系统运行稳定、数据传输性能好、数据处理及时、监测数据准确度高，系统具有较高的可靠性和稳定性，对综合分析水质状况具有实际意义。

4 结论

笔者构建了一种基于3G 的水质自动监测系统，具有数据传输不受地理气候限制、数据处理及时、出现水质变化预警及时的优点，并着重分析了后台软件的设计过程和数据存储过程。利用传感器节点采集水质的5项指标信息，通过3G 和Internet 等方式传送到监测中心，一旦指标超出限制，便发出预警并发短信告知工作人员，实现了对水质的实时监控，可为相关部门制订水质保护措施提供支持。

同时，本系统结合ACCESS 数据库存储采集数据，便于历史查询。本系统实现了对水质的有效监控，为综合分析水质状况提供了具有实际意义的水质监测手段。

［1］黄毅，黎杰.基于GPRS 的水厂实时远程监测系统［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2008，31（5）：705-707.

［2］Legin A L，Ychkov E A，Vlasov Y G.Analytical Applications of ChalcogenideGlass Chemical Sensor in Environmental Monitoring and Process Control［J］.Sensors and Actuators，1995，24（1/3）：309-311.

［3］王骥，王筱珍，任肖丽，等.基于无线传感器网络的水污染监测系统［J］.桂林电子科技大学学报，2009，29（6）：247-250.