基于PIC单片机的多参数水质在线监测系统

2012-12-07潘春丽蒙建波刘一兵王设计

传感器与微系统 2012年5期

潘春丽，蒙建波，吴杉，刘一兵，张能，汪明，王设计

(1.重庆大学自动化学院，重庆400044;2.重庆工业自动化仪表研究所，重庆401123)

0 引言

目前，我国主要的水质监测系统采用现场数据采集——实验室分析的方法、采用有线电话拨号通信、无线MODEM通信以及SMS短消息通信的自动监测系统［1］。但这些方法存在水质采样不足、缺乏自动测报能力、水质监测信息处理时效性差、没有对突发性污染事故的预警能力等问题，而且有线电话拨号系统受自然条件限制，无线MODEM系统网路覆盖范围有限，数据传输慢，SMS短消息系统运行成本高，不能实现真正实时监测数据和传输［2］。因此，针对中国广大村镇供水水厂现状，为中国农村饮水安全目标的实现需要设计出一种解决方案，能有效、可靠地对水质实时监测已成为一个必须解决的问题。

有线通信受固定位置限制，根据业务需要随时需要增减数据传输点，极大地拓展了通信的领域，而中国移动的通用分组无线业务(GPRS)网络覆盖面广，可全国漫游而不增加额外费用，特别适合中小用户以低成本方式在短时间内组建自己的跨区域性数据网络;另外，GPRS比较适用于频繁传送小数据量的场合和偏远地区，架设通信线路困难的地方。鉴于以上情况，水质监测环境比较复杂，而水利部门又希望实时得到管辖供水站点的水质信息，以便加强对水质的监控力度，预防水质恶化。因此，可利用GPRS技术来解决地理位置受限的问题。

为此，设计了基于PIC18F6722单片机与GPRS的水质自动实时监测系统的方案。该系统利用单片机为核心对水质进行采样，并借助现有的移动通信网络技术GPRS对分散的水厂水质实现实时远程监测，具有不受地理环境、气候等因素限制，监测范围广，实时性好，运行成本低等优势，应用前景广阔。

1 系统组成

多参数水质实时在线监测系统的总体架构如图1所示，多参数的多个监测点，通过GPRS技术，构成多参数水质在线监测系统。每个监测点的上位机与监测仪及信号板之间的数据传输用RS—485总线进行，且实现多参数的采样。上位机的数据通过GPRS技术与监控中心进行传输，组成了多点采集、统一监测的自动化远程多参数水质实时在线监测系统。

图1 系统架构图Fig 1 Block diagram of system structure

位于现场的监测仪由PIC18F6722单片机、EEROM模块、内部时钟电路、通信系统、报警电路、LCD显示器等元件构成。监测仪终端数据采集框架图如图2所示。

图2 数据采集终端总体框架图Fig 2 Overall frame work of data acquisition terminal

监测仪将多种传感器置于水中，一体化智能传感器、水压、水位传感器输出标准的模拟信号，经A/D转换器转换后，直接送往PIC18F6722单片机进行数据处理。监测仪具有Modbus现场总线和GPRS远程通信功能，通信接口电路定期把信号传到控制室中。此外，如果水环境的参数超标，报警电路便会发出声光警报告知工作人员，并在LCD显示器上具体参数超限的报警标志图片。PIC18F6722单片机自带看门狗功能，在运行程序的时候看门狗便发挥巨大的作用，它可以有效地防止程序的“跑飞”，并通过复位等措施使之返回正常的程序流程，使系统正常工作保证连续监测。

2 系统硬件设计

2.1 主机选型

本设计选用单片机是美国Microchip公司的PIC18F6722单片机，PIC18系列单片机是高性能CMOS集成了模数转换器的全静态MCU系列它采用先进的精简指令集RISC(reduced instruction set computing)架构支持Flash和一次性编程器件PIC18系列具有增强型内核32级堆栈和多种内部和外部中断源哈佛结构，使得16位指令总线与8位数据总线完全分离两级流水线，使得除跳转指令外其余指令都是在一个周期内执行。内置有128 k字节可串行下载Flash存储器，3936字节片内RAM，7个8位的双向可寻址I/O口，1024个字节的EEROM，2个全双工UART的串行接口，4个16位的定时器/计数器，多个优先级的嵌套中断结构，以及一个片内振荡器和时钟电路［3］。本系统中利用了PIC18F6722既可永久保存实时监控中的各种信息，也可方便地反复进行系统实验，每次实验可以编入不同的程序，以此保证用户的系统设计达到最优，而且随用户的需要和发展还可以进行修改，使系统能不断符合用户的最新要求。

2.2 传感器的选型

设计中的水质在线监测系统，需要对几个有代表性参量进行监测，一些常用的传感器大多数不适用于水下的信号提取，即使有这样的传感器也必须对其进行密闭封装，成本大大提高［4］。因此，本系统设计了一体化智能传感器，具有独特的流通池，把余氯、浊度、温度等传感器巧妙地结合在一起;它的精度可靠性都能满足村镇水厂的需求，而价格相对较低。

系统中所选用的水位传感器型号为CYB500液位传感器，它自带的敏感芯片输出的电信号与作用在芯片上的液深压力有着良好的线性关系，可以实现对液深的准确测量，具有体积小、精度高等特点。水压传感器选用HDP503水压传感器，采用不锈钢整体构件，进口弹性体原件，高精度应变计及先进的贴片工艺，具有高灵敏度、稳定的性能、良好的抗冲击能力。

2.3 通信电路设计

2.3.1 GPRS通信单元

系统中GPRS模块采用CM3160P GPRS DTU模块，采用移动 GPRS网络，串口/RS—232接口，工业级设计，实现TCP/UDP透明数据传输;内置TCP/UDP透明数据传输;支持多种工作模式;智能防掉线，支持在线检测，在线维持，掉线自动重拨，确保设备永远在线，是一种性能比较稳定的工业级GPRS模块。

2.3.2 RS—485 通信

系统中采用了RS—485半双工异步通信总线，是EIA(美国电子工业联合会)在1983年公布的新的平衡传输标准，具有抑制共模干扰、抑制线路噪声的能力，加上接收器具有高灵敏度，能检测低达200 mV的电压，数据传输可达千米之外［5］。RS—485总线接口适合于多站互连，一个发送驱动器最多可连接32个负载设备，它以其高速远距离传送和多站互联方便等优点被广泛应用于水质监测综合自动化系统的串行通信中。本装置的 RS—485通信接口由PIC18F6722单片机、RSM系列隔离RSM485CT收发器组成，通信电路如图3所示。

图3 通信电路图Fig 3 Circuit of communication

3 系统软件设计

水质在线监测系统的软件设计，主要考虑软件的灵活性，实现程序的模块，为其他的产品的设计提供了方便。软件设计主要包括系统主程序、数据处理程序、键盘以及LCD显示子程序，报警子程序，通信程序，EEROM数据及设备相关信息存储程序等。

主程序开始后，先对单片机PIC18F6722核心芯片以及CS5524数模转换芯片进行初始化设置，例如:开中断，寄存器初始化等，再进行数据采集并进行数模转换，在采样过程中采用中断优先的原则，如果发生中断进入中断程序，没有中断发生，则循环重复采样。一旦发生中断，关闭RS—485接收功能，以防在对接收到的数据进行解析的时候受到其他中断的干扰。如果解析正确，则根据应用协议要求发送数据，解析有误，则重新启动AD采样，继续采集数据。系统主程序流程图如图4所示。

图4 系统主程序流程图Fig 4 Flow chart of system main program

中断程序子程序主要包括RS—485串口发送和接收，及对接收到的数据进行解析。中断程序流程图如图5所示。当系统中断标志位置1，表明发生中断，为了防止数据解析错误，关闭中断，从RS—485总线接收数据，依次对接收到的数据进行解析，包括设备特征解析，CRC校验，内部地址，命令异常，数据个数等进行解析。

图5 中断子程序流程图Fig 5 Flow chart of interruption subprogram

4 系统性能测试与分析

监控中心子系统软件主要包括GPRS数据接收/发送、数据库、报表、曲线图、数据导出等功能。监控中心保持连接在专网上，接收各水质采集子系统发回的数据，根据特定的规约解析数据包。所解析数据指导监控系统进行水质数据的分析处理以及根据水质变化情况适时启动紧急预案、发出预警信息。数据库功能用以保存和管理各个水质监测点的监测数据。

为测试系统的综合性能，在重庆几个水厂对该系统进行实验运行。系统对水厂中水质进行数据采样、传输、分析处理。在系统测试时，考虑到可能影响系统传输性能的各方面因素，针对不同时间段、数据长度及监测点数量，进行了数据传输记录实验和性能分析。监控中心子系统某一时刻监测数据如表1所示。