水质远程监测系统的研究与设计

2014-01-16张凤莉

商丘职业技术学院学报 2014年5期

卢娜,张凤莉

(商丘职业技术学院机电系，河南商丘 476000)

2014年“6·5”世界环境日中国主题为“向污染宣战”，可见当前中国环境保护的任务日益艰巨. 过去，我国的水质监测基本上是采取手工操作的方法. 由于采样间隔时间长，数据分析汇总慢，传递不及时，不能实时反映出水质污染的变化情况，不能对当地的环境现状正确、及时地进行整体把握，无法满足环境管理的要求. 这种传统的监测方式已经不能满足水质监测的需求，急需寻求一种现代化方法进行监测. 本文旨在实现对水质进行连续自动监测、采样、处理，并自动将数据传送到监测中心，建立一套水质远程监测系统.

1 系统功能分析与设计

本监测系统主要是为实现实时监测河流的水质情况而设计的. 主要实现的功能包括现场数据采集、水质信息管理、历史信息查询、数据分析、报表生成、和系统管理等功能[1]6.

从分散在河流沿线的多个监测站获得水质数据到管理层对各点数据的查看和分析，整个数据流向可以把该系统的功能分为以下三个层面：

第一层位于水质监测的最前端，是主要的水质信息的采集部分，主要功能是：(1)连接并控制监测设备或传感器；(2)采集并记录监测点的水质状况；(3)在自动优化模式下可根据水流的流速情况优化采样频率； (4)与上层的监控中心进行数据交换；

第二层即中间层，属于较小区域的控制监测中心层. 该层主要是考虑到水质监测时信息传输的区域范围和管理上的方便，主要功能是：对本区域的监测站进行数据统计、监控功能；接收监测站的监测数据，并做相应的处理和存储监测数据；与管理站进行数据通信，包括接收命令和上传报警等信息；有客户操作界面，可以做一些监测参数设置、监测数据和报警信息查询等；

第三层即最高的管理监控层. 其主要功能是：收集中间层中各个控制监测中心的实时数据，并做相应地统计等分析；对全网监测信息的统计、处理、分析；对水质的污染能快速、准确地发出警报；生成各种分析后的报表供管理部门裁决.

2 河流水质监测参数分析

监测参数的确定对于水质的监测起着至关重要的作用，只有正确地设定了待监测的参数才能让我们准确地监测到我们所关心的指标，也可以为我们准确地评价水质等级提供依据.

根据地表水环境质量标准——GB3838-2002，我们可以把监测项目分为三大类：必评、选评和参评[2]19. 必评项目包括溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、氨氮、挥发酚和砷共6项；评选项目有：五日生化需氧量、氟化物、氰化物、汞、铜、铅、锌、镉、铬(六价)、总磷、石油类等11项；参评项目包括：PH值、水温和总硬度3项. 当然，根据地区的不同可以选择需要监测的项目. 对于水质的评价分类有一些指标限制，主要指标如表1.

表1 地表水环境质量主要项目标准限制值

表1列出的项目只是整个GB3838-2002标准里有关地表水环境质量监测标准的部分项目. 在组建监测系统时应根据被监测河流的具体情况来确定监测项目. 在本设计中我们以水温、PH值、溶解氧等指标为例来设计我们的河流监测系统. 另外本系统将根据水流的情况来自动设定采样频率，所以河流的流速也是本系统的监测指标，但不计入河流的水质考评项目.

3 系统的组网(通信方式)设计

无线通信网络是连接远程监控终端与监控中心的桥梁，是组成水质远程监控系统的关键. 本课题中采用GPRS无线网络作为数据传输的无线通道. GPRS技术是通用无线分组业务(General Packet Radio Service)的英文简称，是在现有的GSM(Global System for Mobile Communications)系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务[3]12. GPRS与现有的GSM语音系统最根本的区别是GPRS特别适用于间断、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输. 这一特点正适合水质远程监控系统中的数据传输特性.

4 水质监测站及监测中心软件流程图设计

水质监测站作为监测终端，它的主要功能就是控制各个监测仪器工作并获得相应的监测数据. 它由多台嵌入式水质实时监测终端机组成，每一台监测终端机与在线监测设备或传感器相连，并自动采集和记录监测到的水质状况信息. 然后把采集到的数据通过GPRS与上层的监控中心进行数据交换. 这里由S3C44B0X嵌入式系统承当RTU控制器，并与各种水质监测仪器或传感器的数据线和控制线相连接. 数据线用来定时传输水质信息，控制线用来对监测仪器或传感器做相应的初始化和参数的设置.

监测站的程序首先要对RTU进行初始化，包括对本身的系统初始化和对各种监测仪器的初始化，并进入工作状态. 监测中心主要负责监控本区域内的监测站的数据采集工作，并有查询历史记录和数据库管理等功能. 监测中心主程序流程如图1.