水质环境在线监测系统设计及其在工业生产中的应用

陈向进

（福建省厦门环境监测中心站，福建 厦门 361022）

在水资源保护中，水量和水质都需要进行保护。针对水量保护，主要涉及到的是水资源合理利用的问题。针对水质保护，我们需要做好水质动态信息的监测，从而及时对所监测区域的水质状况做出反应。而在水质保护工作中，通过一套水质在线监测系统，往往能够使水质监测效率更高。而且，还可以使监测速度快、自动化。如果水质污染较为严重，还可以及时发出警报，为环境监测有关的决策提供信息支持。

1 水质在线监测系统概述

水质在线监测系统主要的两个特征：连续性和自动监测。该套系统需要基于在线水质进行自动分析。与此同时，该系统还综合利用了自动控制技术和电子通信技术等技术。该系统的主要组成部分是水样采集和水质分析单元、数据采集及传输单元、远程监控中心。系统的发展历史较长，现在已经出现了多种形式。主要的形式有传统站房式自动监测站、箱体式预警站、浮标站等。通过实践发现，这些形式所适用的范围是不一样的，而且有各自的优势和劣势。比如，第一种形式传统站房式自动监测站的检测精度比较高，而且其稳定性也很好。一般情况下，该系统应用于水质检测较为严格的场合。其劣势是需要一次性投入大量的资金，而且后期维护成本也较高。第二种形式是箱体式预警站，这种形式属于站房式水质自动站的范畴，其主要特征是小型化和模块化。箱体式预警站的体积比较小，在不需要站房的前提下就能够稳定运行，方便在野外安装。经实践发现，这种形式的水质在线监测系统某些指标的检测精度不高。第三种形式的水质在线监测系统是浮标站，该系统通常是在湖泊监测场合中使用。

2 水质在线监测系统硬件设计

以嵌入式节点水质在线监测系统为例，针对水质在线监测系统硬件进行设计。

2.1 Balun 与阻抗匹配设计

Balun 电路，即巴伦电路，它是一种平衡不平衡转换器。这种电路应用于天线设计，可以连接平衡传输线与非平衡传输线，从而是平衡信号和非平衡信号之间的信号实现转换。CC1101 无线模块包括两个端口，且都有平衡结构，分别为RF_P端口和RF_N 端口。因为尺寸的限制，所以通常可以将其设计成单极性天线。在此时，巴伦（Balun）电路就能够起到作用：使等幅、反向的平衡信号合成单端信号。当然，还有另外一种处理方案，就是可以将合成的单端信号进行调制，使调制的信号成为两路信号。这两路信号的特征是幅值相等，但相位差是180，通过通道进行传输。通过阻抗匹配，可以激励源内部阻抗与负载阻抗相匹配，输出最大功率。

2.2 单端滤波设计

对于一个射频放大器，最重要的两项指标是线性度和效率，然而这两项指标又相互制约，二者不可兼得。在CC1101 模块设计中，若为减少内部电源消耗，提高工作效率，则非线性失真也必将增加，导致形成较高的谐波信号。为抑制电路中谐波信号，在后面需要增加单端滤波器，主要有π 型和T 型两种可供选择，如图1 所示。

图1 两种单端滤波器电路模型

2.3 天线选择

目前广泛应用的天线有三种，即PCB 天线、鞭状天线和芯片天线，每种天线都有自身的缺点和优点，需要结合实际项目进行选择，本文设计的无线通信模块采用的是辐射效率较高的鞭状天线。

3 水质在线监测系统软件设计

3.1 CC1101 寄存器配置

CC1101 内部寄存器较多，而且其功能要求是不一样的，所以我们通过手动配置来实现。然后，可以将MISO、MOSI、CSn、SCLK 协议读入从机。这样，当系统处于运行状态的时候，CC1101 内部寄存器发挥从机的作用，而通过单片机来充当主机。然后，完成片选、时钟信号输入、主机数据输入和数据收发等任务。主机与从机SPI 接口工作方式是环形总线结构，借助按位传输方式传输。

3.2 GPRS 远程通信设计

SIM900A 应用GPRS 业务时，TCP 与监控中心服务器连接。GPRS 网络可以看作Internet 的子网，当SIM900A 发起TCP 连接时，Internet 会为模块随机分配一个IP，而此时，IP 是不固定的。所以导致SIM900A 模块只能作为客户端，而服务器为监控中心。在服务器需要发送巡检命令之时，等待SIM900A 主动发起连接。这样，GPRS 网络的应用受到的限制就较大。除此之外，GPRS 网络来源于GSM 网络。众所周知，该网络的语音业务优先级别较高。所以，如果TCP 在一定时间内有连接，但是没有任务。此时，数据业务优先级降低。这样，互联网基站服务器为了节省宽带会自动断开网络，通信功能会处于暂停状态。

为了解决上述两个问题，在SIM900A 通信程序设计中增加了“心跳”功能。在TCP 连接后，采用STM32F103ZE 定时器功能周期性的给监控中心服务器发送“心跳”数据包监控中心服务器收到“心跳”信号后，再给SIM900A 发送一个响应信号，如此SIM900A 不仅能够始终与监控中心服务器连接，而且数据业务优先级不会降低，保证TCP 正常连接及GPRS 通信服务器状态转换关系。

4 水质环境在线监测系统在工业生产中的应用

4.1 数据传输系统的建设

4.1.1 确定传输方式

众所周知，在传统的环境在线仪器中，一般是需要专人对现场数据进行抄写的。因为需要人工，所以需要花费大量的实践，而且因为人为因素的影响，数据的抄写也不一定能够确保百分之百准确。而且，过度依赖人工现场抄写数据，也会使在线仪器的自动传输功能逐步丧失。所以，传统的环境在线仪器不符合现有的环境监测的需要。在科学技术发展和进步的过程中，网络技术也得到了进一步的发展。现在，我国的水质环境在线监测系统发展飞速，特别是在数据传输系统建设方面。目前的数据传输系统的数据传输方式，主要有电话线、局域网、GPRS网络以及手机短信等这些传输方式。

为了确定合适的传输方式，首先需要明确各种数据传输方式的优劣势。然后根据当地的实际状况，选择最为合理的传输方式，以确保数据传输达到最好的效果。

4.1.2 确定监测子站

根据上文中数据传输方式的优劣势分析，我们根据当地的实际情况，选择了最合理的传输方式之后，下一步就是确定监测子站。监测子站一次性可以传输较多的数据，一般情况下，对监测子站使用的原则是就近原则。换言之，就是将距离较近的排污点布置在同一个监测子站周围。然后借助泵，可以使排污点污水流入监测子站，从而进行后续的监测。所以，排污点到子站的距离必须合理控制好。为确定监测子站，首先确定好数据的传输方式。然后，使各个子站和中心站与网络互连。通过中心站进行数据发布。授权用户通过利用接入网络的信号，可以查找有关数据，这样可以提高授权用户查找数据的效率。

4.2 水质环境在线监测仪器的安装

为了建设好的数据传输系统，还需要在线监测仪器的辅助，因为数据传输系统需要数据支持。在线监测仪器在工业生产中应用的过程中，对于仪器的选择而言，这也是极为关键的。

4.2.1 仪器的选型分析

在线监测仪器的选型中，使用较多的在线监测仪器是PH计、流量计等。通过不完全调查发现，目前我国的水质环境在线监测仪器比较多，国内外生产的在线监测仪器普遍能够满足一般的在线监测需求。所以，我们需要做的是，先对仪器的性能有充分的了解之后，才进行选择。对于仪器的选择，还需要注意确保测量的准确性和稳定性。另外还需要注意购买仪器所需费用的多少等细节问题。这样，才能够有利于后期的仪器维护，避免出现一些问题。

4.2.2 对于在线取样系统的建设

在线仪器的一个缺陷就是难以维持长时间的稳定运行。因此，为了实现长时间的运行，往往需要大量的人力支持。究其原因，主要包括以下几个方面。第一，监测点的水位经常变换，而且水中的杂质较多。如此，泵头堵塞就容易发生。另外，有时不能一次得到足够容量的取样，就需要人力清理。因此，会造成人力的浪费。第二，在线仪器中，部分仪器需要全天候运行，而且有些仪器本身对取样环境的要求较高，消耗较大，而且对泵的要求较高。在监测点发生改变的情况下，极可能造成水质取样的失败，从而使在线取样仪器不能正常工作。鉴于此，为了解决这个难题，我们可以通过设置自动阀和自吸泵进行组合来是实现在线取样系统的功能。如图2 所示，为某在线取样系统的流程图。

图2 某在线取样系统的流程图

在线取样系统的原理是仪器在启动前自控阀A 会自动启动，自控阀B 此时是关闭的。

当自来水流进取样系统的前边时，泵头部分流出。系统该部分主要功能是反洗泵头和自动灌引水。当自动阀A 关闭，自控阀B 以及泵启动。然后，水流通过滤池进入取样池。此时，自控阀B 以及泵自动关闭。这样，在线取样系统能够实现反复循环操作。

5 结论

水质自动在线监测系统能够对水质24 小时在线监测，从而掌握工业生产排污水质的变动状况。这样，方便水环境管理。实践表明，水质环境在线监测系统的应用，可以为水环境污染做出预警，从而进行应急处理，改善水环境质量。