蔣霞　亓薇薇　崔永良

【摘 要】基于AT89C51單片機和GPRS設(shè)計實現(xiàn)了一種無線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。在下位機水質(zhì)參數(shù)處理方面，應(yīng)用無線通訊技術(shù)實現(xiàn)了對水質(zhì)的實時監(jiān)測?；诖诤虳TU模塊將水質(zhì)數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，對水質(zhì)狀況實施快速準(zhǔn)確地檢測。

【關(guān)鍵詞】無線通訊；水質(zhì)；監(jiān)測系統(tǒng)

【Abstract】On the basis of traditional craft，the system achieves the water quality automatic monitoring system design through the combination of AT89C51 microcontroller and the new GPRS-based wireless communication module. For water quality parameter processing， under-bit machine adopts information fusion technology to improve the detection accuracy； Through the serial port and he DTU module， the system transfer the water quality to monitoring center， quickly and accurately to achieve real-time monitoring of water quality conditions. The system have some advantages， power consumption， low cost， real-time online， etc.

【Key words】Wireless communication；Water quality；Monitoring system

目前，隨著工農(nóng)業(yè)活動的增加，水污染在種類及毒性危害日益復(fù)雜化[1]。人們主要通過監(jiān)測站點來采集檢測數(shù)據(jù)，并根據(jù)水質(zhì)模型對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而監(jiān)控河流水質(zhì)狀況。但是，這些站點比較分散，所采集的數(shù)據(jù)存在片面性，不能準(zhǔn)確反映整個河流的水質(zhì)狀況。此外，傳送分析手段落后，監(jiān)測結(jié)果滯后，不能及時反映河流水質(zhì)的動態(tài)狀況[2]。因而，建立一套完善的水質(zhì)自動檢測系統(tǒng)，克服理化檢測的局限性、片面性，并縮短實驗時間，簡化操作過程，動態(tài)實時的反映水質(zhì)變化，保證工農(nóng)業(yè)用水安全及疾病的防控，勢在必行?；诖?，本文設(shè)計了基于GPRS的無線水質(zhì)自動檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

本系統(tǒng)主要由各類分站傳感器（如溫度、PH值、溶解氧DO、生化需氧量BOD、化學(xué)需氧量COD及水文參數(shù)流速和流量等）、若干分站下位機、無線通訊網(wǎng)絡(luò)、總站工控機等多級數(shù)據(jù)檢測網(wǎng)絡(luò)組成。分站檢測點與檢測中心的系統(tǒng)框圖如圖1。

系統(tǒng)工作原理是將各分站傳感器采集到的信號首先轉(zhuǎn)化為可識別的電壓信號，然后通過信息融合把同類傳感器在空間或時間上可冗余的信息[3]，依據(jù)“加權(quán)平均法”融合算法進(jìn)行融合，得出初步結(jié)果，并把初次處理得到的數(shù)據(jù)送入下位機，下位機通過DTU無線傳輸單元與上位機進(jìn)行通訊，最后把得到的數(shù)據(jù)再進(jìn)一步傳送到工控機進(jìn)行分析處理。

2 部分系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 下位機

下位機由微控制器、無線收發(fā)設(shè)備及顯示單元組成。微控制器采用廣泛使用的AT89C51芯片，它是美國ATMEL公司生產(chǎn)的一種帶4K字節(jié)ROM的低電壓，高性能CMOS8位微處理器[4]。下位機主要用于數(shù)據(jù)采集等初步處理，打包后通過無線傳輸單元傳送給監(jiān)控中心。

2.2 溫度傳感器

溫度傳感器采用DS18B20。在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊，操作方便。測溫范圍-55℃～+125℃，固有測溫分辨率0.1℃。

2.3 PH值傳感器

PH值傳感器采用ph復(fù)合電極。本PH分析儀的測量原理是電位測定法，是通過測量電池電動勢來確定待測離子活度的方法。測量電池是由測量電極、參比電極和被測溶液構(gòu)成，參比電極的電極電位不隨被測溶液活度的變化而變化，指示電極對被測溶液中的待測離子很敏感，其電極電位是待測離子活度的函數(shù)，所以測量電池的電動勢與待測離子的活度有一一對應(yīng)的關(guān)系。所以，測量電池的作用就是把難以直接測量的化學(xué)量（離子活度）轉(zhuǎn)換成容易測量的電學(xué)量（測量電池的電動勢）[5]。

（a）放大電路圖

（b）A/D轉(zhuǎn)換電路圖

（c）Ph檢測電路圖

圖2中，PH電極輸出信號通過ina116pa進(jìn)行放大，信號范圍為-400mv～400mv。為適應(yīng)AD轉(zhuǎn)換器的測量范圍，進(jìn)行電平抬升，Ina116pa的基準(zhǔn)電壓采用1.25V，使得ina116pa輸出電壓為825mv～1625mv。基準(zhǔn)電壓采用mc161403高精度基準(zhǔn)電壓源，并通過高精度、低溫漂電阻分壓得到，保證基準(zhǔn)的穩(wěn)定性；AD轉(zhuǎn)換器采用ad7705 16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，保證測量的精度；Ad7705采用4m晶振，內(nèi)部分頻，測量頻率20hz。

2.4 數(shù)據(jù)無線傳輸

采用DTU數(shù)據(jù)傳輸模塊。DTU提供了串行通信接口，包括RS232，RS485，RS422串行通信方式。在設(shè)計上將串口數(shù)據(jù)設(shè)計“透明轉(zhuǎn)換”的方式，也就是說DTU可以將串口上的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳送，而不需要改變原有的數(shù)據(jù)通信內(nèi)容，而接收上位機軟件能將TCP/IP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包還原成串口數(shù)據(jù)。DTU的主要功能是把遠(yuǎn)端設(shè)備的數(shù)據(jù)通過無線的方式傳送回后臺中心。要完成數(shù)據(jù)的傳輸需要建立一套完整的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中包括：DTU，客戶設(shè)備、移動網(wǎng)絡(luò)、后臺中心。在前端，DTU和客戶的設(shè)備通過232或者485接口相連。DTU上電運行后先注冊到移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)，然后去和設(shè)置在DTU中的后臺中心建立SOCKET連接。后臺中心作為SOCKET的服務(wù)端，DTU是SOCKET連接的客戶端。

3 下位機部分程序設(shè)計

編程時采用模塊化編程。其中測溫采用的元件對時序要求比較嚴(yán)格，編程時采用時間觸發(fā)和狀態(tài)機的編程思路。

/****************主函數(shù)*************************/

void main（void）

{……

write_reg（0x20）；// 選擇通道1，下個設(shè)置時鐘寄存器

write_reg（0x08）；//設(shè)置時鐘寄存器，分頻，（4m變2m），0x08，20hz；0x0a，100hz，速率

write_reg（0x10）；//選擇通道1，下個寫設(shè)置寄存器

write_reg（0x44）；//自校準(zhǔn)，單極性，無緩沖，增益1，寫設(shè)置寄存器

……

}

/*************向ds18b20寫一個字節(jié)******************* ************/

void writeb20（unsigned char dat）

{

unsigned char i=0；

EA=0；

for （i=8； i>0； i--）

{

b20io = 0；

b20io = dat&0x01；

delayus2x（25）；

b20io = 1；

dat>>=1；

}

delayus2x（25）；

EA=1；

}

/****************從ds18b20讀一個字節(jié)************** ****/

uchar readb20（void）

{

unsigned char i=0；

unsigned char dat = 0；

EA=0；

for （i=8；i>0；i--）

{

b20io = 0； // 給脈沖信號

dat>>=1；

b20io = 1； // 給脈沖信號

if（b20io）

dat|=0x80；

delayus2x（25）；

}

EA=1；

return（dat）；

}

……

4 監(jiān)控中心系統(tǒng)的軟件設(shè)計

監(jiān)控中心的軟件系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)管理模塊、系統(tǒng)管理模塊、決策信息服務(wù)模塊和系統(tǒng)維護(hù)模塊6個模塊。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

4.1 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊主要包括對在線監(jiān)測數(shù)據(jù)及分類數(shù)據(jù)實時顯示，歷史數(shù)據(jù)的查詢、編輯、修改、刪除等[6]。

4.2 系統(tǒng)管理模塊

該模塊提供監(jiān)測系統(tǒng)信息管理功能，傳感器的采樣周期的設(shè)定及通信端口的設(shè)置等。

4.3 決策支持服務(wù)模塊

該模塊主要提供歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表、分析、歸納與綜合；根據(jù)預(yù)測模型，預(yù)測水質(zhì)變化趨勢或水質(zhì)參數(shù)，為領(lǐng)導(dǎo)層制定決策提供依據(jù)。

4.4 系統(tǒng)維護(hù)模塊

系統(tǒng)的維護(hù)任務(wù)主要包括用戶管理、權(quán)限設(shè)定，備份與恢復(fù)、安全管理、日志和審計等。

5 實驗結(jié)果

圖4是2013年7月9日在我某市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)汶河孝義段測試點“COD濃度—時間曲線”歷史查詢結(jié)果。

從圖4可以看出，COD監(jiān)測的警戒線為 30PPM，當(dāng)前時間段檢測結(jié)果都在警戒線以下，符合國家設(shè)定的環(huán)境質(zhì)量四類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，也就是說所排放的水可以作為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、景觀、漁業(yè)等用水。同時圖中顯示的結(jié)果，曲線波動低，說明在這段時間內(nèi)河水的COD濃度變化不大。

6 結(jié)語

該水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)已初步完成，正處于現(xiàn)場測試階段，初步測試表明，該系統(tǒng)可以完成各種水質(zhì)參數(shù)的檢測任務(wù)，具有功耗小、成本低、實時在線、不受地理位置限制等優(yōu)點，具有很好的應(yīng)用推廣前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1]彭強輝.在線水質(zhì)毒性監(jiān)測儀開發(fā)研究[D].安徽理工大學(xué)，2009.

[2]徐遙令，羅大庸，張航.基于GIS的河流水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[J].電器時代，2005（9）.

[3]曾文波，鄭國軍.基于VB的煤礦瓦斯?jié)舛葻o線監(jiān)測系統(tǒng)[J].煤礦機械，2010（5） Machinery.

[4]李增祥，李田澤.無線傳輸技術(shù)在煤礦氣體檢測中的應(yīng)用[J].煤礦機械，2010（5）.

[5]史慧.基于電位測定法的智能在線PH分析儀設(shè)計[D].鄭州大學(xué)，2007.

[6]張玨.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].重慶大學(xué)，2010.

[責(zé)任編輯：丁艷]