基于无线通信技术的环境水质现场监测终端设计

张 海 传，　林 云 铎，　李 　 月

( 大连工业大学 信息科学与工程学院, 辽宁 大连　116034 )



基于无线通信技术的环境水质现场监测终端设计

张 海 传，林 云 铎，李 月

( 大连工业大学 信息科学与工程学院, 辽宁 大连116034 )

摘要:为实现环境水质的远程在线实时监测，设计了环境水质监测系统，对其最基础的现场监测终端进行了详细设计。采用TI公司的MSP430F5438A控制器为核心，以ZM2410模块和USR-GPRS232-7S2模块分别构建了ZigBee和GPRS无线通信系统，同时设计了多种通信接口以满足现场需求。测试结果表明，该现场监测终端结构简单，工作稳定可靠。

关键词:水质监测；ZigBee；GPRS

0引言

随着我国经济的迅速发展，水质污染问题和水资源短缺日益引起人们的关注[1-3]。水污染严重威胁到人们的生存环境，不仅加剧了水资源的短缺，也对我国实施可持续发展战略带来严重的负影响，对水资源的有效利用和管理已上升到国家战略的高度。环境水质监测系统既是环境信息的源头，又是环境质量评价监督管理的有效手段。为实现对环境水污染及其治理进行监督和监测，迫切需要先进的环境水质自动监测系统[4-6]。

环境水质监测系统现场终端负责所有水质参数的采集和传送，是整个环境水质自动监测系统的根本和核心。但由于目前使用的水质监测仪表接口多样，兼容性不好，而且大都是采用有线连接，不仅连线复杂，成本高，在有些大范围的监测现场更是难以实现，所以环境水质监测系统现场终端往往都是采用现有的PLC或者其他大型的控制器来实现[7-9]，连接方式也是多种多样，这大大限制了环境水质监测系统的发展。本文设计了一种基于无线通信技术的环境水质现场监测终端，不仅结构简单，兼容性好，而且采用更加灵活的无线传感技术传送数据，对环境水质监测系统自动化水平的提高具有一定意义。

1环境水质远程监测系统

为了实现对环境水质参数的远程实时监测，设计了环境水质远程监测系统，采用GPRS无线通信技术[10-12]将现场监测终端与远程数据中心相连，对环境水质在线、连续监测，整个监测系统的结构如图1所示。监测区域1～N中水质的各类参数如溶解氧、COD及浊度等通过无线传输模块传输到远程的水质监测中心，当监测区域的水质出现问题时，及时报警，将具体水质参数及报警区域等信息传送给有关负责人。将分散的环境水质监测仪表进行数据联网，自动接收、存储水质各类参数的数据，随时随地掌握环境水质情况，并当水质情况出现问题时，及时报警。

图1　环境水质远程监测系统结构图

2环境水质现场监测终端设计

2.1硬件系统设计

2.1.1终端总体架构

现场监测终端的硬件系统结构如图2所示。现场监测终端的构成主要包括微控制器MSP430M5438A核心电路、ZigBee和GPRS无线通信电路、RS232电路、RS485电路、电流环电路以及其他外围电路。现场终端采集现场水质监测仪表的各项水质参数，这些水质数据通过微控制器MSP430M5438A处理后，在现场终端的显示器上显示，以供现场调试使用，同时，将水质数据通过GPRS无线通信方式传送到远程的数据中心，实现环境水质参数的远程实时监测。

图2　现场监测终端硬件结构图

现场监测终端的硬件设计中，重点是无线通信电路的设计，下面对ZigBee无线通信电路和GPRS无线通信电路进行详细设计。

2.1.2ZigBee无线通信电路设计

采用ZM2410模块进行ZigBee无线通信电路的设计，ZM2410模块工作于2.4 GHz频段，传输速率为250 kb/s，传输距离大于100 m(可视距离)，工作稳定，可靠性高。其外围电路及与主控制器的接口电路如图3所示。ZigBee无线通信模块ZM2410外围接口电路比较简单，3个指示灯D1、D2和D3分别用于指示模块的错误、发送和接收的状态，其与主控制器MSP430F5438A的通信仅需要3根线。由于主控制器采用3.3 V电源系统，而ZM2410是5 V电源，所以当主控制器发送数据时可与ZM2410直连，而当其接收数据时，则需要通过图中的电阻和二极管进行限压，保证主控制器的安全。

2.1.3GPRS无线通信电路设计

采用USR-GPRS232-7S2模块进行GPRS无线通信电路的设计，USR-GPRS232-7S2模块可在850、900、1 800和1 900 MHz 4种频段下工作，性能稳定，使用方便，其外围接口电路如图4所示。GPRS无线传输模块USR-GPRS232-7S2与主控制器MSP430F5438A的通信也仅需要三根线，方便简单。

2.2软件系统设计

现场监测终端通过电流环、RS232、RS485以及ZigBee无线通信等方式与现场的多种水质参数仪表进行通信，读取其水质参数，经过主控制器处理后，将数据通过GPRS无线传输系统传送到远程数据中心，同时在终端的液晶屏上显示。现场监测终端的主程序流程图如图5所示。

现场终端在上电后首先对系统内部和外部的设施进行检测。自检通过后运行系统初始化程序，对主控制器各个端口和内部寄存器进行初始化设定。完成初始化后，测试系统各个端口是否正常，测试无线网络是否正常，如果出现故障，则停机进行故障处理。当系统全部正常后从各现场仪表中读取水质参数，然后等待中断，当中断发生时，判断是定时中断还是外部中断。定时中断发生后，立即读取现场水质参数，在终端显示屏上显示数据，同时通过GPRS无线方式传送到数据中心。外部中断发生后，进行数据的输入以及液晶显示等操作，当完成中断服务程序时，终端进入休眠状态，以节约功耗。

图3　ZM2410模块外围接口电路设计

图4　USR-GPRS232-7S模块外围接口电路设计

图5　现场监测终端主程序流程图

3测试结果与分析

为了测试现场监测终端系统的实际应用情况，选用最常见的测量水质温度的温度仪对终端的各个通信接口的工作状态进行测试。选用L91-1高精度工业温度记录显示仪，通过为其配置不同的转换器使其分别输出电流环、RS232和RS485信号，再配置ZigBee无线模块使其能够加入ZigBee网络并发送数据。GPRS的测试则由发送到数据中心的数据与原始数据进行对比。进行了10次测试，分别在不同的温度点进行，测试比较结果如表1所示。

在测试比较的10组数据中，各通信端口都能够正确地接收仪表发送的数据，RS232、RS485、ZigBee无线传输及GPRS无线传输接收数据的正确率基本上是100%，其中第7次测试有误差应该是进行数据处理时造成的。所有接口中电流环接收的数据偶尔会有与仪表数据不一致的，这应该是由于电路中电路参数的微小差别造成的。尽管电流环电路偶尔会有误差，但是误差很小，实际中可忽略不计。测试结果表明，本现场监测终端完全能够满足水质远程监测系统的需求。

表1　终端通信接口测试结果

4结论

环境水质远程监测系统对我国水资源的保护和管理利用都具有重要的意义，现场监测终端是整个系统的基础和核心。本文基于无线通信技术构建了环境水质现场监测终端系统，该终端系统具有工业上常用的RS232、RS485、电流环以及ZigBee无线网络等多种通信接口，方便终端系统与现场多种水质仪表进行通信，结构简单，兼容性强，可靠性高，实际测试表明该终端系统性能良好。本文设计的现场终端系统对于其他领域的类似应用也具有很高的借鉴意义。

参考文献:

[1] 刘红洁.浅谈我国近岸海域水质污染现状及防治[J].科技视界,2014(5):284.

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[4] 陈志龙.浅谈水质环境监测技术[J].科技与企业,2014(16):170.

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[10] 陈东升.基于GPRS的下水道气体远程监测系统设计[J].计算机测量与控制,2014,22(12):3932-3934.

[11] IONEL R, PITULICE L, VASIU G, et al. Implementation of a GPRS based remote water quality analysis instrumentation[J]. Journal of the International Measurement Confederation, 2015, 65: 81-93.

Design of water quality monitoring terminal based on wireless communication technology

ZHANGHaichuan,LINYunduo,LIYue

( School of Information Science and Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

Abstract:The environmental water quality monitoring system was designed to monitor the remote environmental water on line. And the monitoring terminal of the system was designed in detail. Zigbee and GPRS wireless communication system were construct by ZM2410 module and USR-GPRS232-7S2 module using micro-controller MSP430F5438A as the core of the monitoring terminal, while a variety of communication interfaces were designed to meet the site requirements. The test results showed that the monitoring terminal was simple and reliable.

Key words:water quality monitoring; ZigBee; GPRS

中图分类号:TN92

文献标志码:A

作者简介:张海传(1980-)，男，副教授.

收稿日期:2015-03-16.

文章编号:1674-1404(2016)02-0153-04