基于GSM网络的商洛市河流水资源监测管理系统

杨琳，王东东，何建强

(商洛学院电子信息与电气工程学院，陕西商洛726000)

基于GSM网络的商洛市河流水资源监测管理系统

杨琳，王东东，何建强

(商洛学院电子信息与电气工程学院，陕西商洛726000)

针对商洛市河流水资源污染日益加剧的现状，利用GSM无线通信技术、单片机、以及传感器设计了水资源监测管理系统，实现了对河流水位、水质情况的实时监测。该系统包扩现场监测单元、GSM无线网络通信、总控制端三大模块。每个监测单元对监测点的水位、水质数据进行检测和采集，这些信息通过GSM网络从监测单元传输给控制终端，控制终端通过PC机软件来显示河流的水质、水位信息。该系统具有小巧灵活、数据精度高、能耗低、实时性强等特点，能有效完成对河流水资源的监测和管理，对商洛市各县区水资源污染防治有着广泛而深远的意义。

GSM；监测；传感器；单片机；水质

商洛市水源分布不均匀，大多数地区都有不同程度的缺水状况。随着工业不断发展，人类制造的垃圾以及工厂排放污水，对商洛市的河流水资源产生了严重影响。水资源在各县区的污染日趋严重，水质量逐渐恶化，水资源的使用率也逐步下滑，进而水资源缺乏的矛盾也进一步激化，这使农业生产的质量和产量得不到保障，将严重制约农业生产经济的发展，与我国的可持续发展战略相违背[1-2]。对于环保部门而言，方便、经济、有效地监测河流水质、水位信息就显得十分必要。随着科学技术的不断地发展，各种检测与通信技术越来广泛地普及，利用GSM[3-4]等一些先进的科学技术方法进行河流水资源相关信息的监测与管理，已经成为一个很重要的研究方向。水资源的实时监控管理已经广泛应用于德、美、荷兰、日本等国家，已经使“环境评价体系”和“自然灾害防御体系”实现网络化[5-9]。在国内，该方面也有诸多研究。沈旭[10]完成了基于ARM与手机短信的水质自动监测系统，避免了有线系统的局限性，解决了人工取样监测水质误差大，延时高、效率低的问题，然而系统的稳定性相对较差，所以故障率较高；李一君[11]在系统的稳定性方面有所提高，但系统的数据显示,采用了点阵式LED显示屏，因此可显示的数据比较受局限。本文在此基础上，采用全球移动通信系统GSM，不但可实现双向数据传输，用户也无需另外组网，还对上位机软件进行了改进，进而增强商洛市河流水资源的管理。

1 水资源监测管理系统总体设计

本文实现基于单片机、GSM网络、传感器组对河流流域水况的实时监控系统，分为监测单元、GSM无线网络、总控制端三大模块，如图1所示。每个监测单元包括多个检测模块分别实现对河流的水位、pH值、浊度等有关数据进行检测采集，然后通过GSM模块进行控制终端与室外监测单元的数据传输，这些数据最终经过处理并在PC机更直观地显示，工作人员可以通过总控制端获取河流实时状况，当出现异常情况时，便于工作人员采用相应的应急措施。

图1 系统结构图

2 水资源监测管理系统总体功能需求分析

经分析本系统需要实现的功能如下：

1）将若干个检测单元分段部署在河流中，定时传回水况，将采集的数据结果进行分析比较可以确定某个监测点是否有污水排入，还可以确定排入污水的区间位置的变化状况。另外，可以由上位机发出指令设置水位正常范围，如若水位或者水质数据超出限定的范围，系统需要自动报警，有助于对于河道断流或堵塞情况得到及时解决，避免或降低河道断流或堵塞带来各方面的损失。

2）该系统需要实时地监测水位的变化。

3）采集到的数据需要进行记录，比较汇总于总控制端PC机显示，从而能够观测出周期内的水况变化情况，有利于河道的管理和治理。

3 系统硬件结构

系统分为监测单元、GSM无线网络、总控制端。1）检测单元，检测单元采用太阳能蓄电池供电，单片机控制GSM模块与传感器组进行收发信息与采集数据，传感器组分别由浑浊度传感器、pH值传感器、水位传感器等模块组成。2）GSM无线网络由分布在监测端和控制终端的GSM收发模块构成，完成两个端的数据传输。3）总控制终端包括数据接收、处理模块与PC机软件，实现数据的接收、处理、存储、显示、控制、管理。

3.1 检测单元

水位水质监测系统的检测端由若干个独立的水质水位检测单元组成，每个检测单元由无线模块、传感器组和控制中心组成，这些检测单元分布于河流流域的各监测点，用于采集该位置的水质情况。检测单元的硬件结构,如图2所示。

图2 检测单元硬件结构图

为了获取河流的水质情况，需要监测水质情况的多种参数，因此，采用了传感器组来采集水资源的各项数据。传感器组由水位传感器、pH值传感器、浊度传感器、电导率传感器、温度传感器和溶解氧传感器组成。在本系统中的传感器组被放置到水下。在各个子系统中，由单片机接收各个传感器所采集的数据并进行数据处理，然后通过GSM无线模块传回控制终端。

3.2 GSM无线通信网络

GSM无线通信网络完成监测位置与控制终端之间的网络数据传输，即把监测地点采集的数据发送到控制终端。利用GSM无线模块接收传回的数据，接收到的消息通过控制中心从模块的串口读出并交由后台来完成数据分析和处理，直观地显示在PC机软件中，为做判断和制定相关的实施方案作一参考，与此同时通过GSM模块将控制指令转换为短消息发送至检测单元。

为了保证数据的传输无误，实现对水资源信息的大范围监测，需解决的最棘手的问题就是如何利用GSM无线网络通信技术完成数据传输。GSM模块TC35通过MAX232串口通信与PC机连接，它们之间的通信采用了RS-232C标准串口通信协议。GSM系统采取控制信道来进行数据传输，这与语音信道的使用不冲突。监控中心与基站建立通信连接，首先要通过AT指令来激活调制解调器，使其进入待命状态。在所有准备工作都完成之后，由监控中心的计算机来发送相对应的指令系统采用GSM系统的短消息业务来进行基站检测参数的传输。短消息在接收设置遇到故障或者电力原因而停止时会保存一段时间直到接收设备启动。GSM无线通信是保持水质参数在线监测的关键技术，它联系了监测单元和控制终端，将监测点的水质数据传输到总控制端的PC机。

3.3 控制终端PC机软件

如图3所示，PC机软件主要完成的功能有，水质、水位实时数据接收，信息显示，历史纪录查询、报警、系统设置。数据接收功能主要完成接收数据，并在数据库中存储。实时信息显示功能是指在实时显示面板中显示各个监测点的水质、水位信息。历史记录查询，是指查询每个监测点的历史数据。报警功能是指，当某个监测点的某一项数据超出安全范围，系统将会发出报警以警示工作人员，并做特殊纪录。上位机软件界面如图4所示。

图3 PC机软件功能结构图

图4 上位机软件界面

4 结论

本系统通过监测端传感器对商洛市河流的水位、水温、浊度、电导率、pH和溶解氧等水况数据进行采集，并利用覆盖率高的GSM网络进行无线传输，将数据发送到控制终端进行数据处理和分析，以便水质监测人员及时作出相应对策，最终实现对水资源的管理与保护。

本系统可以长期连续地进行水况数据采集，实时性强，可大大提高对商洛市河流水况数据的掌握情况，在节约成本的同时提高效率。

本系统采用AT89C51来完成核心架构的搭建，采用GSM的方式来实现无线消息的发送，不仅具有负载平衡的特点，还可实现实时自动更新，目前已经应用到商洛市的部分河流水质监测中。该系统通过拓展调整，也可实现其他类似的监测功能。

目前，本系统所能够监测、处理、分析、显示、存储的数据还不够丰富，在以后的研究中还需要进一步完成各项指标的信息融合。另外，该系统的测量结果在一定程度上会受到天气、环境等方面的因素影响，今后的研究中仍需在可靠性方面加强。

[1]孟伯阳,赫俊国,王鹏,等.松花江哈尔滨段水环境质量时空变化研究[J].哈尔滨商业大学学报(自然科学版),2013,29(5)：540-543.

[2]李亚美.无线传感器网络环境监测系统数据中转器设计[D].成都：电子科技大学,2009：1-5.

[3]葛金娟.地下水文信息管理系统的设计与实现[D].西安：陕西科技大学,2011：13-21.

[4]卢光钰.基于GSM的自诊断多参数水产养殖水质检测系统的设计与实现[D].南京：江苏大学,2015：18-25.

[5]LI Z A.Monitoring and assessment of water quality of centralized drinking water sources in Kaixian county during the“Twelfth Five-year plan”Period[J].Meteorological and Enviromental Research,2015,10(3)：23-25,29.

[6]QAY M J.Monitoring of drinking water quality in England and Wales[J].Water supply,2007,15(4)：55-63.

[7]GLASGOW H B,BURKHOLDER J M,REED R E.Real-time remote monitoring of water quality：a review of current applications and advancements in sensor,telemetry and computing technologies[J].Journal of Experimental Marine Biology and Ecology,2008,1(10)：300-410.

[8]WALSH G C,HONG Y B,JUSHNELL L G.Stability Analysis of Networked Control System[J].IEEE Transactionson Control System Technology,2009,10(3)：43-46.

[9]BOGNE B.The Development of Water Quality Sensors[J].Control And Instrument,2009,3：43-48.

[10]沈旭.基于手机短信的水质自动监测系统设计[J].长春大学学报(自然科学版),2008,18(2)：35-37.

[11]李一君.水质监测中基于GSM短消息的应用[J].电子产品世界,2011,18(11)：36-38.

（责任编辑：李堆淑）

A Monitoring Management System of Shangluo River Water Resources Based on GSM Network

YANG Lin,WANG Dong-dong,HE Jian-qiang
(School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shangluo University,Shangluo 726000,Shaanxi)

A monitoring management system of water is designed with the technology of GSM,MCU and sensor,in view of the present situation that the pollution of river water in Shangluo is increasing.The system realizes real-time monitoring of water level and water quality of river.The system includes monitoring unit,the wireless communication network of GSM and control terminal.Each monitoring unit detects and collects the water level and water quality data at the monitoring point.The information is transmitted from the monitoring unit to the control terminal through the GSM network.The control terminal displays the water quality and water level information of the river through the PC software.The system is small,flexible,and has high precision of data,low energy consumption,real time,and so on.It can monitor and manage the river water resources effectively.It is of great importance to prevention and control of water pollution in Shangluo.

GSM;monitoring;sensor;MCU;water quality

TP393.09

：B

：1674-0033（2017）04-0020-03

10.13440/j.slxy.1674-0033.2017.04.005

2017-05-17

陕西省大学生创新创业训练项目(2687)；商洛学院科研基金项目(15SKY008)

杨琳，女，陕西山阳人，硕士，讲师