基于GPRS 的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

陸桂明，李 釗，王起龍

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

水質(zhì)監(jiān)測作為水環(huán)境管理和保護(hù)的基礎(chǔ)，在環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)中具有十分重要的地位.近年來隨著科技的進(jìn)步和社會的發(fā)展，水資源污染的種類不斷增多，程度也日益加深.因此，如何快速準(zhǔn)確地實現(xiàn)對水質(zhì)的監(jiān)測和預(yù)警，已成為水資源保護(hù)工作的重中之重.進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測，首先要確定檢測的水質(zhì)指標(biāo).所謂水質(zhì)指標(biāo)，乃是用于評價水域水質(zhì)特性的一系列重要參數(shù).水質(zhì)指標(biāo)已形成了比較完整的指標(biāo)體系，常規(guī)檢測的5 項指標(biāo)(《水和廢水監(jiān)測分析方法》)包括溫度、酸堿度、溶解氧、導(dǎo)電率、濁度.

現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)主要有以下幾種類型:①總線型監(jiān)測系統(tǒng)，使用雙絞線將若干測量儀連接成網(wǎng)絡(luò)，通過適當(dāng)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議在現(xiàn)場測量儀與監(jiān)測中心之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這種系統(tǒng)線路較為復(fù)雜，特別是監(jiān)測點較多的情況，給系統(tǒng)維護(hù)帶來極大不便;②嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)，使用嵌入式芯片來處理TCP/IP 協(xié)議，通過RS232/485 接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，這種方式可靠性高、實時性強，但工作量較大;③局域網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，以監(jiān)測中心為服務(wù)器，在各監(jiān)測終端設(shè)立視頻服務(wù)器，以局域網(wǎng)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，但不能實現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的監(jiān)測.

針對傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中存在的系統(tǒng)過于復(fù)雜、工作量大、不能用于偏遠(yuǎn)地區(qū)監(jiān)測等問題，提出一種基于GPRS(General Packet Radio Service)技術(shù)的新型監(jiān)測系統(tǒng)，即通用分組無線業(yè)務(wù).支持TCP/IP 業(yè)務(wù)，最高可提供約171.3 kb/s 的傳輸速度，遠(yuǎn)超現(xiàn)有GSM 網(wǎng)約9.6 kb/s 的速度.系統(tǒng)選用的GPRS 模塊MC55 內(nèi)嵌有TCP/IP 協(xié)議棧，省去了系統(tǒng)對協(xié)議的處理，同時GPRS 的傳輸范圍較廣，使系統(tǒng)能用于遠(yuǎn)距離監(jiān)測，應(yīng)用范圍更廣.

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)能夠監(jiān)測水質(zhì)的溫度、溶解氧、電導(dǎo)率、酸堿度以及濁度等5 個指標(biāo).系統(tǒng)由C8051F020單片機(jī)控制模塊、GPRS 無線通信模塊MC55、A/D轉(zhuǎn)換模塊、信號處理模塊、信號采集模塊以及電源模塊等組成，監(jiān)控中心界面由C#語言編寫.工作時，首先由信號采集模塊采集水質(zhì)信息信號，經(jīng)信號處理電路處理和A/D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換后送至C8051F020 單片機(jī)主控模塊，該模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷并將結(jié)果通過單片機(jī)串口傳遞至無線通信模塊MC55，最后由MC55 將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測中心.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

考慮到實際工作條件的復(fù)雜性和多樣性，系統(tǒng)中加入了鍵盤和顯示液晶，使系統(tǒng)信號采集終端既能用作水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的信號采集部分，同時還能實現(xiàn)水質(zhì)信息的現(xiàn)場顯示，可用作水質(zhì)信息采集儀單獨使用.系統(tǒng)以Cygnal 公司的高性能混合信號SoC級微控制器［1］C8051F020 為主控芯片，主要包括單片機(jī)主控模塊、GPRS 無線通信模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、信號處理模塊、信號采集模塊、鍵盤顯示模塊以及電源模塊等.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示.

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 GPRS 通信模塊

系統(tǒng)的GPRS 模塊選用的是西門子公司的MC55，它被譽為當(dāng)今世上最具價值、尺寸最小的三頻GSM/GPRS 模塊之一，性能可靠，穩(wěn)定性較高.它不僅具有普通GSM 模塊的通話、短信、CSD(電路交換數(shù)據(jù)傳輸)、電話薄管理和無線MODEM 的GPRS連接功能，還內(nèi)嵌有完整的TCP/IP 協(xié)議棧，支持SOCKET 連接下的TCP/UDP 數(shù)據(jù)傳輸，以及HTTP、FTP、SMTP、POP3 等上層應(yīng)用協(xié)議.它兼容標(biāo)準(zhǔn)的ITU－T 的AT 指令集［2］，使用時只需調(diào)用適當(dāng)?shù)腁T指令對其進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置即可完成各項功能，使用方便，在無線通信中應(yīng)用廣泛.

系統(tǒng)單片機(jī)和MC55 的連接示意圖如圖2 所示.單片機(jī)的TX0 和RX0 分別與MC55 的RX0 和TX0 連接，二者通過UART0 進(jìn)行通信，調(diào)用相應(yīng)的AT 指令，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸.

圖2 通信電路示意圖

2.2 傳感器選擇

系統(tǒng)主要對水質(zhì)的溫度、pH 值、電導(dǎo)率、溶解氧和濁度等5 個指標(biāo)信息進(jìn)行檢測，綜合考慮應(yīng)用環(huán)境條件、精度要求、成本等幾方面，所用傳感器為美國Global Water 公司的WQ 系列的水質(zhì)信號傳感器［3］.傳感器的部分指標(biāo)見表1.

表1 傳感器部分指標(biāo)表

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件部分按照結(jié)構(gòu)可分為兩個部分:單片機(jī)控制程序和MC55 控制程序.

3.1 單片機(jī)控制程序設(shè)計

單片機(jī)控制程序采用C 語言編寫，以KEIL4 為編譯器.按照該部分結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)的功能可將程序分為幾個部分.

1)A/D 轉(zhuǎn)換部分.用于完成與A/D 轉(zhuǎn)換相關(guān)的操作，包括初始化、通道選擇、轉(zhuǎn)換開關(guān)與循環(huán)、轉(zhuǎn)換狀態(tài)查詢、緩存設(shè)置等操作.

2)單片機(jī)主控部分.用于完成關(guān)于系統(tǒng)數(shù)據(jù)的邏輯運算與判斷，例如監(jiān)測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的比對等.

3)串口通信部分.用于實現(xiàn)單片機(jī)和MC55 之間的串口通信，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的GPRS 無線通信，包括串行通信方式的選擇、波特率的制定等.

4)鍵盤顯示部分.在該部分設(shè)定了液晶顯示芯片的工作情況，例如顯示數(shù)據(jù)的設(shè)置和讀取，延時等等.同時由于系統(tǒng)設(shè)計有大量按鍵，因此在這部分還編寫了相應(yīng)的去抖函數(shù)用以消除按鍵過程中的抖動現(xiàn)象.

5)電源控制部分.用于檢查電池狀態(tài)，保持系統(tǒng)的正常工作.

單片機(jī)控制部分的流程圖如圖3 所示.

圖3 單片機(jī)控制流程圖

3.2 MC55 控制程序

系統(tǒng)中的通信通過MC55 以GPRS 接入互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn).為了確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸，單片機(jī)與MC55 的通信以TCP 協(xié)議為傳輸協(xié)議.MC55 不存在所謂的在線模式和命令模式，它實現(xiàn)的所有操作均通過調(diào)用相應(yīng)的AT 指令來實現(xiàn).對MC55 的操作一般包括2 個步驟:①建立GPRS 連接服務(wù)，例如SOKET 服務(wù)、FTP 服務(wù)以及短信服務(wù)等;②數(shù)據(jù)傳輸操作［4］.MC55 控制部分流程圖如圖4 所示.

圖4 MC55 控制部分流程圖

系統(tǒng)所用部分AT 指令及其功能如下所示:

AT^SICS=0，conType，gprs0//選定連接模式0，連接方式為GPRS

AT^SICS=0，user，cm

AT^SICS=0，passwd，gprs//設(shè)定用戶名和密碼

AT^SICS=0，apn，cmnet//選擇接入APN

AT^SISS=1，srvType，socket//選擇Socket 服務(wù)

AT^SISS=1，conId，0//設(shè)定網(wǎng)絡(luò)連接模式0

AT^SISS=1，address，″socktcp://10.0.190.62:6060″//設(shè)置服務(wù)器IP 地址和TCP 端口

AT^SISO=1// 打開網(wǎng)絡(luò)連接，開始收發(fā)數(shù)據(jù)

4 監(jiān)控中心軟件設(shè)計

監(jiān)控中心界面由C#語言編寫，開發(fā)工具使用的Visual Stdio2010.C#是微軟公司發(fā)布的一種面向?qū)ο?、運行于.NET Framework 平臺上的高級程序設(shè)計語言，它綜合了C/C ++和Visual Basic 等語言的優(yōu)點，既能使用戶完成各種靈活的操作，同時又大大縮短了開發(fā)周期.

界面功能結(jié)構(gòu)如圖5 所示，系統(tǒng)的登錄分為管理員和普通用戶2 種權(quán)限.普通用戶可以對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、搜索、打印、統(tǒng)計分析等操作;管理員權(quán)限除了能進(jìn)行上述操作外，還能進(jìn)行用戶管理、權(quán)限設(shè)定、通信端口設(shè)定、標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)設(shè)定等系統(tǒng)維護(hù)操作.

圖5 監(jiān)控中心界面功能結(jié)構(gòu)圖

5 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)設(shè)計完成后對其進(jìn)行了初步測試，圖6 是使用該系統(tǒng)于2012 年11 月2 日對當(dāng)?shù)刈詠硭|(zhì)的部分測量結(jié)果.

表2 是使用試紙得到的測試結(jié)果與該系統(tǒng)進(jìn)行對比的情況.通過比較可以看出，二者平均誤差不超過1%，說明該系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測功能.

圖6 系統(tǒng)測試效果圖

表2 結(jié)果對比情況表

6 結(jié)語

提出了一種基于GPRS 技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，將目前無線通信領(lǐng)域傳輸速度較快的GPRS 技術(shù)和操作靈活、開發(fā)周期短的C#語言應(yīng)用到水質(zhì)監(jiān)測方面，解決了現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)存在的系統(tǒng)復(fù)雜、工作量大、監(jiān)測范圍小等問題，實現(xiàn)了水質(zhì)信息快速、準(zhǔn)確的監(jiān)測.系統(tǒng)成本低、功耗小，同時覆蓋面積廣，特別適用于監(jiān)測點分散、距離較遠(yuǎn)地區(qū)的監(jiān)測工作，具有廣闊的應(yīng)用前景，對遠(yuǎn)程監(jiān)測工作具有重要的參考價值.

［1］吳炳勝.80C51 單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:冶金出版社，2001.

［2］李繼超.基于GPRS 的河流水位實時檢測系統(tǒng)的研究［J］.黑龍江科技信息，2008(32):51－52.

［3］唐慧強，徐芳.基于GPRS 的水情自動測報儀［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2007(1):74－76.

［4］劉西秀，張民，劉勇.GSM 技術(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2012(10):79－84.