水质自动检测数据处理系统的设计与实现

吴亚 顾涓涓 张红梦

摘 要：为了加强水环境监管力度，减少人工成本，设计结合物联网技术与智能硬件，对一些水质参数进行自动检测、传输以及分析，对超标排放点进行自动报警，分析原因以及源头企业追溯。设计分为设备检测层、服务端数据处理层、网页页面应用层，可实现远程数据采集，趋势原因分析以及远程控制等功能，使水质检测更高效、更便捷、更及时。

关键词：水质自动检测；信息传输；远程控制

中图分类号 X328 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）13-00113-03

Abstract：In order to strengthen the regulation of water environment and reduce labor costs，the water quality parameters is automatic tested，transferred and analyzed by the design combined with intelligence hardware and Internet technology.The excessive discharge points are alarmed automatic and the reasons are analyzed and source enterprises are traced.The design can be divided into device detection layer，server data processing layer and web application layer，it can realize remote data acquisition，trend analysis and remote control，make water quality testing more efficient，convenient and timely.

Key words：Automatic water quality detection；Information transmission；The remote control

1 研究背景

水环境污染，水体恶化已成为亟需解决的重要问题。工业污水、生活废水以及农业灌溉废水的排放，使水中氮、磷、钾含量急剧升高，水体富营养化严重，对生态环境造成了极大的影响及破坏[1]。然而非法排放，源头控制管理不足大大增加了治理的难度。

水质自动检测系统的建立解决了部分水质检测的问题，其出现简化了基础水质情况的检测流程，可实时检测出温度、pH值、溶解氧、电导率、浊度、高锰酸盐指数、总有机碳，总氧，总磷以及氨氮[2]，大大提高了水质检测效率，加强了污染源头管控，对水环境的治理提供了有利的保障。

但在现有的水质检测系统中，仍存在信息处理不及时，数据联合不全面，数据管理不便捷等诸多问题，加大了对大区域水环境问题总体把控的难度。因此，要加强更加全面的系统化建设，增强信息交流融合，才能更好地治理水环境污染问题。

2 总体设计

本系统针对不同的水质自动检测系统子站，建立信息传输、存储、处理系统。现有水质自动检测系统主要有：一台或多台小型多参数水质自动分析仪、固定式子站以及流动式子站。不同的系统子站有着不同的优缺点以及应用场景，但系统子站间并不相连，单个数据采集具有片面性。本系统设计主要将其采集数据通过不同的合适的传输方式，把水质情况实时的传输给服务器，经服务端处理，可将水质情况实时地显示于客户端。系统架构主要包括：水质自动检测系统子站，数据传输模块，服务端，数据库，html客户端[3]。系统子站用于水质情况检测，数据传输模块用于将水质情况传输与服务端，服务端对数据进行数据处理，数据用于数据存储，方便处理与再提取。由html页面方便对基站进行控制以及信息显示管理。

3 系统功能设计

3.1 硬件检测传输系统

3.1.1 采水单元 采水单元主要是自动采样，包括水泵、管路、供电系统以及设备的搭建工作。具体的搭建要视具体的环境而定，要考虑到地形，气候，河道的水位，重点防护区，泥沙等多个因素。所以根据不同的条件，不同的检测方法也应运而生。

3.1.2 配水单元 配水单元需要考虑到在实际检测是遇到的问题，是对水样进行预处理的装置。水样在进行检测前，需要对内部试管进行冲洗，保证样品的准确性。另外还要考虑到对水样中的泥沙，枝叶等进行过滤，可根据水量以及被过滤的泥沙重量对水的浊度进行综合判断。不同的检测项目所需的预处理步骤不同。

3.1.3 分析单元 分析单元主要由水质自动分析仪和测量仪器组成，目前可检测水温、pH、溶解氧（DO）、电导率、浊度、氧化还原电位、流水、水位、COD、BOD、TOD、UV、高锰酸盐指数、TOC、氨氮、总氮、总磷、氟化物、氯化物、硝酸盐、亚硝酸盐、氰化物、磷酸盐、硫酸盐、油类、酚、叶绿素、金属离子等[4]。具体检测项目可根据对附近污染源进行调查确定，以降低设备成本。自动分析仪可自动进行量程转换，面对复杂的环境，具有一定的自我调节性，并可远程控制，大大提高实用性。上面配备数字接口，可将采集的到数据通过不同的方式传输到服务端[5]。

3.1.4 数据传输单元 数据传输单元主要将自动分析单元处理过后的数据从传输到服务端[6]。根据站点类型的不同，应用不同的传输方法。传输方法主要包括互联网和GSM技术。互联网传输技术传输速度快，稳定性高，但需要网络环境，一般用在便于搭建网络环境的固定检测点使用。GSM传输技术灵活便捷，信号覆盖范围广，可用于移动式分析仪器或者难以搭建网络或搭建成本较高的地方。

3.1.4.1 小型多参数水质自动分析仪 该仪器由一台或多台组成，其特点是可直接放于水中测量，系统构成灵活方便。这种检测站由于其便捷性，主要通信方式依靠GSM模塊，除非一些重要检测点建立较大的检测站点，使用互联网传输。

3.1.4.2 固定式子站 多建于重点防护区，检测的范围以及项目较多，因此数据量较大，多配备机房，一般采用互联网传输方式。

3.1.4.3 流动式子站 流动式子站便捷性最高，因此相对成本较高。目前数据多采用人工记录的方法，人力成本相对较高，数据处理不及时且较为繁琐。其通信方式采用GSM传输技术，可实时移动。

3.2 服务端数据处理系统 服务端是所有信息交互的中心，其连接水质自动检测系统子站、数据库、html页面[7]。为信息数据的传输，远程控制提供了一个中央指挥系统。

3.2.1 接收来自GSM模块的数据 数据采集模块的设计是以单片机为中央处理系统，传输模块为GSM模块，采用AT指令方式与服务端形成对话连接并传输数据。系统架构如图1所示。单片机与检测子站和GSM模块采用串口通信的方式相连，用于控制检测子站操作以及接收来自检测子站的数据信息，存于存储器中。GSM模块用于与外界通信，可将存储于单片机上的数据转发到服务端。GSM模块和单片机模块可相互控制，单片机通过AT指令控制GSM模块，GSM模块通过中断控制单片机进而控制检测子站，实现远程控制。各模块全部由蓄电池进行供电，蓄电池由太阳能电池板进行充电，保证供电稳定性。

3.2.2 服务端 服务端设计主要是依靠云平台，完成整个系统的通信以及数据处理过程。系统结构如图2所示。服务端连接GSM模块，接收各站点的检测数据，并将数据存储于数据库中[8]。在对数据进行综合分析处理的时候，可实时调用数据库信息，对所有的数据进行整合、分析，显示于html页面。

3.2.3 数据库 数据库主要用于存放数据以便数据处理。数据库设计主要包含待存放的对象，包括待检测项目水温、pH、溶解氧（DO）、电导率等全部指标，由服务端控制进行增删改查（图3）。R图为数据库设计的内部结构，方便数据的分类存储、提取、修改与删除。其所有操作由服务端进行控制。

3.2.4 html页面 html页面为应用层，是与用户交互的页面设计包括用户登录、站点信息查询、指标查询、超标预警等多个功能。

4 结语

本设计利用传感技术、物联网技术、无线传输等技术，实现了水质情况的采集、传输、分析、存储、显示以及远程控制，可对多种水质状况进行实时采集并及时进行处理，一方面可及时对环境问题做出更加及时的判断，另一方面节省了人力以及管理成本。

参考文献

[1]揣玉多，高红.水污染修复过程中微生物技术的应用以及作用[J].广州化工，2014，42（16）：22-24.

[2]胡文娟.关于影响环境监测质量的主要因素分析及相应对策探讨[J].科技创新与应用，2017（23）：80，82.

[3]袁郡.基于WEB中转的远程控制系统[D].成都：电子科技大学，2011.

[4]杨薇薇.地表水水质自动监测系统及其建设中的若干问题[J].环境与发展，2018，30（01）：167-168.

[5]熊四昌，周赟涛.基于嵌入式的移动图像监控系统设计[J].计算机测量与控制，2018，26（04）：82-84，96.

[6]王钦.大坝安全数据传输技术及应用[J].四川水泥，2015（11）：99.

[7]姜福先.无人车远程指挥和监控系统软件设计[D].南京：南京理工大学，2009.

[8]王世强，邢建春，李决龙，等.面向无线传感器网络的无线携能通信研究[J].传感器与微系统，2015，34（08）：46-49，53.

（責编：张宏民）