張開驍，張 森，王成杰，邰 非，胡立群，陳敦軍

(1.河海大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京210098;2.南京大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210093)

水質(zhì)污染的變化，將影響水生生物的生長和水體生態(tài)系統(tǒng)的平衡，因此監(jiān)測水質(zhì)污染指標(biāo)的變化尤為重要，其已被廣泛應(yīng)用于環(huán)保監(jiān)測、生產(chǎn)流程污染監(jiān)控等領(lǐng)域，而對于一個廣闊區(qū)域內(nèi)的多個不同測量點的某些參數(shù)或狀態(tài)長期持續(xù)地監(jiān)測，需在對應(yīng)位置部署相應(yīng)的傳感器，不同傳感器測量到的數(shù)據(jù)向系統(tǒng)平臺傳送匯總，系統(tǒng)平臺接收數(shù)據(jù)后首先對數(shù)據(jù)有效性進行判斷分析，然后將對應(yīng)傳感器的參數(shù)數(shù)據(jù)分別推送到程序后臺對應(yīng)的傳感器分析程序，每個傳感器分析程序?qū)⒎治龀龅臏y量結(jié)果返還給系統(tǒng)平臺，并通過對其測量結(jié)果的綜合分析，得出準確的綜合測量結(jié)果，為下一步預(yù)警工作的實施提供依據(jù)。

1 參數(shù)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳送方式的選擇

在上述分布式多參數(shù)系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)采集與處理過程中，數(shù)據(jù)傳送方式較為重要，通常數(shù)據(jù)的傳送為3種方式:(1)采用人工巡查方式進行數(shù)據(jù)傳送匯總，但該方式相對較為初級，易受到自然條件等各方面因素的影響。(2)采用有線傳送，該種方式的優(yōu)點是數(shù)據(jù)傳輸較為穩(wěn)定，但易受到距離限制。(3)采用無線傳送方式進行數(shù)據(jù)傳送，不僅可降低勞動強度、節(jié)省布線成本、環(huán)境適應(yīng)性強，且還具有便捷、靈活等諸多優(yōu)點，適用于對廣闊區(qū)域內(nèi)的多個不同測量點的數(shù)據(jù)傳送，故以此方式構(gòu)建平臺。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多通道分布式水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)平臺的設(shè)計由以下模塊構(gòu)成:中心主控計算機、分布較廣的智能傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)等組成的分布式探測器系統(tǒng)。其是由光學(xué)、電學(xué)、化學(xué)、生物等多種測量方式所構(gòu)成的智能傳感器。而連接智能傳感器端與中心控制計算機端的系統(tǒng)平臺為無線數(shù)傳模塊，以下對各系統(tǒng)模塊的組成與功能進行了分析。

2.1 系統(tǒng)主要模塊功能

分布在監(jiān)測點的傳感器和帶有CPU的本地控制器形成一個“智能傳感器”系統(tǒng)，除了可獲取探測信號外，還能對探測到的信號進行初步處理，并與外界進行數(shù)據(jù)通訊。中心主控計算機用于接收和處理來自不同測量點的智能傳感器所傳送的數(shù)據(jù)，同時可向其發(fā)送控制指令。而無線通訊則是為中心主控計算機與各智能傳感器之間的溝通提供條件。

2.1.1 智能傳感器模塊

水環(huán)境監(jiān)測智能傳感器，以紫外光電傳感器為例，該傳感器主要以光學(xué)方式對水中成分進行采樣，提取光譜信息，該智能傳感器由以下幾部分組成:本機控制單元、光學(xué)傳感器組、信號調(diào)理單元、數(shù)據(jù)發(fā)送/接收單元。其中本機控制單元:由單片機STC12C5610AD擔(dān)任，負責(zé)電源管理、接通傳感器、啟動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)儲存、控制數(shù)據(jù)的發(fā)送接收等。其主要特點為:1 T周期、10 kB Flash ROM、786 kB RAM、15 I/O、片上帶有10 bit 8路A/D轉(zhuǎn)換器、UART接口且低功耗運行等。傳感器組包含:光電發(fā)光管、光電接收管等。信號調(diào)理單元含有:程控制放大器等，可將接收到的信號進行放大、整形。調(diào)理后的信號進入A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號數(shù)字化，從而方便數(shù)據(jù)保存和傳送。數(shù)據(jù)發(fā)送接收單元，將來自傳感器的數(shù)據(jù)以無線方式進行發(fā)送或接收來自控制中心的遠程命令。同時將多個智能傳感器分布在廣闊的江、河、湖面上，中心控制計算機隨時接收來自這些傳感器的測量信息，從而對區(qū)域內(nèi)的水環(huán)境進行動態(tài)監(jiān)測。

智能傳感器將獲取的本地測量信號定時向遠端的控制中心傳送，通常采用無線方式發(fā)送。常用的無線發(fā)射模塊有:嵌入式無線射頻數(shù)傳模塊、GSM短信模塊、GPRS模塊。

(1)嵌入式無線射頻數(shù)傳模塊，一般含有高速單片機和高性能的射頻芯片，具有UART接口，采用GFSK的調(diào)制方式，工作頻率418～455 MHz，空中傳輸速率2 400～9 600 bit·s－1，可方便嵌入到測量系統(tǒng)中，測量系統(tǒng)與射頻模塊通過UART口連接，數(shù)據(jù)傳送透明，軟件開銷小。但無線射頻數(shù)傳模塊數(shù)據(jù)傳輸距離相對較短，一般只有幾百到幾千米的距離。

(2)GSM(Global System for Mobile communication)短信模塊，具有UART接口，本地測量系統(tǒng)中的CPU通過UART口，以AT指令操作GSM模塊，并以短消息的方式與中心計算機建立聯(lián)系，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，因利用的是GSM網(wǎng)絡(luò)，所以數(shù)據(jù)傳送距離幾乎不受限制，只要有手機信號便可互傳數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)是通過短信息中心間接傳送，具有數(shù)據(jù)非及時傳送的特性，因此適合應(yīng)用于實時性要求較低的數(shù)據(jù)傳送。此外，利用GSM短信傳遞數(shù)據(jù)，必須按要求將數(shù)據(jù)翻譯成GSM網(wǎng)絡(luò)所能識別的格式，因此需要增加額外的軟件開銷。

(3)通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service，GPRS)，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，該技術(shù)以分組交換為基礎(chǔ)，能夠在移動用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)間提供一種鏈接，這便可為移動用戶提供無線IP和X.25服務(wù)，然后用戶可通過GPRS使用各種高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，GPRS模塊以TCP/IP協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)，因此通過GPRS傳送的數(shù)據(jù)可以方便地與互聯(lián)網(wǎng)對接，本地測量系統(tǒng)通過UART口連接GPRS模塊，并以擴展的AT指令操作GPRS模塊，向因特網(wǎng)上的中心主控計算機發(fā)起連接，一旦建立聯(lián)系后，始終保持在線，且數(shù)據(jù)傳輸速度快、實時性好。目前，大多數(shù)GPRS模塊內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議，這為編程開發(fā)提供了便利，該方式要求中心控制計算機有獨立的IP地址，可以方便地接入互連網(wǎng)。

2.1.2 無線模塊

無線模塊一端連接智能傳感器，另一端連接中心控制計算機。智能傳感器系統(tǒng)中CPU帶有UART口，而無線模塊一般也帶有1～2個UART口，因此兩者通常以UART口直接連接交換數(shù)據(jù)。智能傳感器中的本地CPU直接寫入和讀取UART口數(shù)據(jù)，無線射頻模塊負責(zé)將數(shù)據(jù)對外發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)在智能傳感器和中心計算機之間透明傳輸。由于系統(tǒng)中含有多個智能傳感器，為了識別信息來源，必須為系統(tǒng)中的每個傳感器和中心控制計算機進行統(tǒng)一的物理編號。例如，編號0代表計算機，編號1～255代表1號～255號傳感器。將數(shù)據(jù)信息格式定義如下。字頭，即信息特征字，用于引導(dǎo)信息，采用“TFWX”4個字符;來源編號，用于表明信息流出的傳感器或計算機;目標(biāo)編號，用于表明信息流入;數(shù)據(jù)內(nèi)容，發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)字節(jié)，16進制數(shù)據(jù);結(jié)束符，表明本段信息結(jié)束，結(jié)束符用2 Byte的16進制數(shù)0XFF，0XFD表明。智能傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送時，來源編號為本機編號，目標(biāo)編號為0，表明向中心控制計算機發(fā)送數(shù)據(jù)。智能傳感器數(shù)據(jù)接收時，來源號碼為0，表明信息來源于計算機;若目標(biāo)編號與本機編號一致，表明該信息為中心計算機向本機發(fā)送的命令，解析后續(xù)數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)操作。否則忽略本條信息。

2.1.3 中心控制計算機模塊

中心控制計算機和數(shù)傳模塊可通過不同的方式連接。中心控制計算機一般帶有RS232串行接口，通過電平轉(zhuǎn)換，可以與射頻無線模塊的UART口連接。GSM模塊通常帶有RS232，可以與計算機的串口直接相連;如果計算機只有USB接口，可以通過USBRS232轉(zhuǎn)接器進行連接;如果以GPRS方式進行數(shù)據(jù)通訊，計算機端無需連接GPRS模塊，中心控制計算機需要具有獨立的IP地址，并接入互連網(wǎng)。

中心控制計算機端，在通過一個無線數(shù)傳模塊接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時根據(jù)信息內(nèi)容進行相應(yīng)的處理。中心控制計算機對接收到的信息，根據(jù)來源編號判斷信息來自于系統(tǒng)中的哪個智能傳感器，并保存處理數(shù)據(jù)。中心控制計算機如果要發(fā)送信息，信息中的目標(biāo)編號指明信息流向，從而可以控制對應(yīng)的智能傳感器。采用GPRS方式，智能傳感器的本地CPU通過UART口連接GPRS模塊。首先要知道中心控制計算機的IP地址，然后本地CPU以AT指令通過GPRS模塊發(fā)起對中心計算機的連接，并等待響應(yīng)。一旦連接成功，便可發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。以SIM900A GPRS模塊為例，若中心主機IP地址為“202.119.45.28”，程序端口為60000，發(fā)送數(shù)據(jù)0X85，則本地CPU向GPRS模塊寫入AT指令，可以實現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)操作?；貍鹘o本地CPU的數(shù)據(jù)，可能是命令響應(yīng)，也可能是收到的數(shù)據(jù)。對于接收到的數(shù)據(jù)，本地CPU進行解析，如果是有效數(shù)據(jù)，則執(zhí)行相應(yīng)的操作。此外中心計算機連接在互聯(lián)網(wǎng)上，對特定端口進行偵聽，響應(yīng)連接請求。連接成功后便可進行收發(fā)數(shù)據(jù)。即中心計算機根據(jù)端口判斷信息來源，向?qū)?yīng)端口寫入數(shù)據(jù)，則可向相應(yīng)的傳感器發(fā)送控制命令。

3 結(jié)束語

最終實現(xiàn)的系統(tǒng)平臺工作流程如圖1所示，多種不同類型的傳感器數(shù)據(jù)通過集成器與GPRS無線發(fā)射/接收裝置相連，系統(tǒng)平臺接收數(shù)據(jù)后首先對數(shù)據(jù)有效性進行判斷分析，然后將對應(yīng)傳感器的參數(shù)數(shù)據(jù)分別推送到程序后臺對應(yīng)的傳感器分析程序，每個傳感器分析程序?qū)⑺治龀龅臏y量結(jié)果返還給系統(tǒng)平臺，系統(tǒng)平臺通過對這些測量結(jié)果的綜合分析，得到準確的綜合測量結(jié)果或預(yù)警結(jié)果。同時根據(jù)需要設(shè)置采樣間隔與電源延時關(guān)閉時間，依次通知遠端分布式探頭向本機發(fā)送數(shù)據(jù)。服務(wù)器上裝有GPRS無線發(fā)射/接收裝置:一方面可以接收傳感器數(shù)據(jù);另一方面可以對傳感器發(fā)送指令或給用戶終端發(fā)送預(yù)警結(jié)果。預(yù)警參數(shù)輸出程序界面參見圖2所示，最終實現(xiàn)了多參數(shù)的監(jiān)測預(yù)警功能，包括無參數(shù)傳感器、生物行為傳感器、紫外光電傳感器、生物毒性傳感器、重金屬傳感器、紫外光電分布式傳感器等。預(yù)警平臺通過對多傳感器數(shù)據(jù)的相互印證，實現(xiàn)初步對事故警情的風(fēng)險源項進行篩查和分析，為警告的發(fā)布提供信息來源。

圖1 系統(tǒng)平臺工作流程圖

圖2 系統(tǒng)平臺參數(shù)輸出界面

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