葉 軍 陳甜甜 徐志祥 薛曉清

（1.泰興市水務(wù)局，江蘇 泰州 225400；2.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 常州 213022）

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)、生活廢水的非法排放導(dǎo)致大量的水資源被污染。人們飽嘗環(huán)境污染的惡果，使得環(huán)境問題越來越受重視，特別是與人們生產(chǎn)生活息息相關(guān)的水污染問題。因此，對(duì)人們飲用水源污染情況進(jìn)行有效的監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染源、確定污染范圍、確定污染類型并制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案尤為重要。目前，我國水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)采集-實(shí)驗(yàn)室分析的方法。該方法存在水質(zhì)采樣不足，缺乏自動(dòng)測(cè)報(bào)能力，水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息處理時(shí)效性差，對(duì)水質(zhì)參數(shù)沒有預(yù)警能力，不能實(shí)現(xiàn)在線、實(shí)時(shí)、連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)等問題［1］。針對(duì)上述問題，筆者提出基于3G（3rd-Generation）的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)運(yùn)用3G 技術(shù)，借助現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)分散的水域水質(zhì)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，具有不受地理環(huán)境和氣候等因素限制、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

衡量水污染的指標(biāo)主要有溫度、PH 值、氧溶量（DO）、電導(dǎo)率、濁度、化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、重金屬離子等［2］。在本系統(tǒng)中，主要針對(duì)水中的溫度、PH 值、氨氮、鉛離子以及氟離子信息進(jìn)行采集并實(shí)時(shí)顯示。

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)具有區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)量多、監(jiān)測(cè)時(shí)間長、監(jiān)測(cè)情況復(fù)雜等特點(diǎn)［3］。筆者設(shè)計(jì)的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸部分和上位機(jī)監(jiān)控中心子系統(tǒng)三大部分組成，圖1 為水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架圖。

圖1 基于3G 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架圖

數(shù)據(jù)采集部分處于水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架圖的最左邊部分，主要由多種水質(zhì)傳感器、單片機(jī)、Zigbee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)組成，用于采集水中的溫度、PH 值等多種參數(shù)。

系統(tǒng)框架圖的中間部分是數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸部分，由目前技術(shù)成熟的3G DTU 實(shí)現(xiàn)，操作性強(qiáng)，應(yīng)用方便。

系統(tǒng)框架圖最右側(cè)為遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，也是筆者研究的核心部分。監(jiān)測(cè)中心對(duì)接收到的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分析和處理，將處理之后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫并顯示到上位機(jī)界面，對(duì)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)超標(biāo)和水質(zhì)污染的區(qū)域進(jìn)行報(bào)警，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)供用戶查詢和為判斷工廠的排污是否超標(biāo)提供依據(jù)。同時(shí)，系統(tǒng)要求監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)連接在移動(dòng)公司提供的專用網(wǎng)絡(luò)上：一方面可以保證IP 地址固定不變；另一方面，采用移動(dòng)公司專網(wǎng)可以保證服務(wù)器不被其他具有3G 功能的終端干擾。

1.2 3G DTU 通信模塊

3G DTU 是一種物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)終端，利用公用的GPRS、CDMA、3G網(wǎng)絡(luò)為用戶提供無線長距離數(shù)據(jù)傳輸功能，具有很好的抗干擾性能，又可以較低的功率、較高的帶寬發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸速率，并且數(shù)據(jù)終端永遠(yuǎn)在線，實(shí)時(shí)性好、系統(tǒng)運(yùn)行成本低。

在本系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)，經(jīng)RS232 串口傳輸給3G DTU，數(shù)據(jù)被發(fā)送至3G 網(wǎng)絡(luò)，再通過3G 網(wǎng)進(jìn)入Internet，最后被指定IP 地址的用戶數(shù)據(jù)中心讀取。

1.3 系統(tǒng)通信方式

本系統(tǒng)在上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)采集中分別實(shí)現(xiàn)了TCP/IP 協(xié)議，上位機(jī)軟件系統(tǒng)以一個(gè)固定IP 通訊的底層支持，在此IP 上建立TCP 通訊服務(wù)器，用來接收現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)報(bào)送。現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)采用3G DTU 基于IP的通訊硬件連接到Internet 網(wǎng)絡(luò)，通過指定的IP 完成與上位機(jī)軟件系統(tǒng)的通訊。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)加電以后，根據(jù)設(shè)定的IP 地址和端口號(hào)建立通訊連接，通訊連接完成后，上位機(jī)接收到下位機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)并保存到數(shù)據(jù)庫中。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)和3G DTU 直接通信是采用基于TCP/IP 協(xié)議的Socket 套接字編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置，以及現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)報(bào)送數(shù)據(jù)的接收。

系統(tǒng)軟件界面主要包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、短信貓、用戶管理三大部分。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)包括數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和歷史數(shù)據(jù)查詢；短信貓包括設(shè)備的測(cè)試和發(fā)送記錄；用戶管理包括用戶的增加和刪除，以及用戶權(quán)限的管理。監(jiān)控中心軟件主要包括數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù)庫模塊。數(shù)據(jù)接收模塊的功能是從Internet 獲得數(shù)據(jù)并解析協(xié)議包，然后按照一定規(guī)則把有效的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用ACCESS數(shù)據(jù)庫，功能是管理采集數(shù)據(jù)、用戶信息、短信發(fā)送信息和為用戶查詢提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)采用C#設(shè)計(jì)，主要功能是從Internet 接收數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)包的好壞，然后解析數(shù)據(jù)包得到有效數(shù)據(jù)并添加到數(shù)據(jù)庫中，接收數(shù)據(jù)流程如圖2 所示。實(shí)時(shí)顯示部分可以將各參數(shù)值實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示出來，當(dāng)數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)及時(shí)預(yù)警并以短信告知工作人員；在歷史數(shù)據(jù)查詢部分，用戶可以隨意選擇日期、監(jiān)測(cè)點(diǎn)、參數(shù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，以及曲線圖繪制、數(shù)據(jù)報(bào)表打印等；短信貓的設(shè)計(jì)是為了讓工作人員及時(shí)了解水質(zhì)情況，以及添加和刪除用戶。該軟件為用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控水質(zhì)狀態(tài)提供了可靠保證，曲線圖的生成和報(bào)表打印以及短信告知功能，可大大減輕人員工作強(qiáng)度。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試與分析

圖2 接收數(shù)據(jù)流程圖

為了測(cè)試系統(tǒng)的綜合性能，在不同的水域?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。在系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，考慮到可能影響系統(tǒng)傳輸性能的各方面因素，針對(duì)不同時(shí)間段、不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸記錄實(shí)驗(yàn)和性能分析。監(jiān)控中心子系統(tǒng)某一時(shí)刻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 監(jiān)控中心子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

由表1可看出，某一時(shí)刻不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化不大，尤其是重金屬含量幾乎無變化，表明水質(zhì)污染沒有出現(xiàn)太大變化。

測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸性能好、數(shù)據(jù)處理及時(shí)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，系統(tǒng)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)綜合分析水質(zhì)狀況具有實(shí)際意義。

4 結(jié)論

筆者構(gòu)建了一種基于3G 的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)傳輸不受地理氣候限制、數(shù)據(jù)處理及時(shí)、出現(xiàn)水質(zhì)變化預(yù)警及時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，并著重分析了后臺(tái)軟件的設(shè)計(jì)過程和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程。利用傳感器節(jié)點(diǎn)采集水質(zhì)的5項(xiàng)指標(biāo)信息，通過3G 和Internet 等方式傳送到監(jiān)測(cè)中心，一旦指標(biāo)超出限制，便發(fā)出預(yù)警并發(fā)短信告知工作人員，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可為相關(guān)部門制訂水質(zhì)保護(hù)措施提供支持。

同時(shí)，本系統(tǒng)結(jié)合ACCESS 數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)，便于歷史查詢。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)水質(zhì)的有效監(jiān)控，為綜合分析水質(zhì)狀況提供了具有實(shí)際意義的水質(zhì)監(jiān)測(cè)手段。

［1］黃毅，黎杰.基于GPRS 的水廠實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，31（5）：705-707.

［2］Legin A L，Ychkov E A，Vlasov Y G.Analytical Applications of ChalcogenideGlass Chemical Sensor in Environmental Monitoring and Process Control［J］.Sensors and Actuators，1995，24（1/3）：309-311.

［3］王驥，王筱珍，任肖麗，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（6）：247-250.