摘 要:面對日益嚴(yán)重的水環(huán)境污染問題,要關(guān)注和加強城市地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用,構(gòu)建一定數(shù)量及分布的水質(zhì)監(jiān)測站點,使之成為嚴(yán)謹(jǐn)、密集的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng),進行地下水環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、預(yù)測和查詢,較好地提升城市地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用效能。
關(guān)鍵詞:地下水;環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng);應(yīng)用
當(dāng)前對地下水的不合理開發(fā)和利用引發(fā)日益嚴(yán)重的水環(huán)境污染問題,對此要關(guān)注和加強對城市地下水環(huán)境的監(jiān)測,要設(shè)計和應(yīng)用科學(xué)先進、易于操作的地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),結(jié)合單片機技術(shù)、GPRS技術(shù)和傳感器技術(shù),進行地下水?dāng)?shù)據(jù)的自動采集、處理、傳輸和存儲,實時獲悉和把握地下水的水體狀況和水情信息,節(jié)約地下水監(jiān)測成本,提高地下水監(jiān)測效率。
1 地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的功能分析
可以借助于單片機技術(shù)、GPRS無線傳輸技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)和傳感器技術(shù),進行城市地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用,使之具有一定的可擴展性,滿足實時監(jiān)測的需求,并利用良好的人機交互界面,進行數(shù)據(jù)的可視化顯示和分析。具體來說,地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的功能主要包括以下方面:(1)數(shù)據(jù)采集。通過前端監(jiān)測設(shè)備進行地下水環(huán)境的在線實時監(jiān)測,包括地下水水位、水溫、PH值、電導(dǎo)率等水質(zhì)參數(shù),并將其通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進行信息數(shù)據(jù)的發(fā)送,使終端監(jiān)控中心接收和獲悉地下水監(jiān)測值,體現(xiàn)出實時、連續(xù)、準(zhǔn)確的特性。(2)數(shù)據(jù)存儲。將采集的地下水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)依照統(tǒng)一格式進行存儲,使之自動存放至現(xiàn)場SD卡,可以作為數(shù)據(jù)傳輸丟失時的查詢之用。(3)數(shù)據(jù)傳輸。前端監(jiān)測設(shè)備與終端監(jiān)控數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸要借助于GPRS、Internet進行無線傳輸,并將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中。(4)設(shè)備運行狀態(tài)管理。要利用在線實時監(jiān)測設(shè)備和系統(tǒng)實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測、維護和故障處理,體現(xiàn)其抗干擾、過壓保護、開機后自動復(fù)位等性能。[1]
2 地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用分析
(1)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用。地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)由三部分構(gòu)成,即:系統(tǒng)前端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、監(jiān)控管理中心,其中:系統(tǒng)前端設(shè)備涵蓋監(jiān)測太陽能供電模塊、配電箱模塊、傳感器采集模塊、微控制處理器模塊,用于采集地下水水位、水溫、導(dǎo)電率、酸堿度、相關(guān)模擬量信號等數(shù)據(jù);網(wǎng)絡(luò)傳輸層涵蓋有GPRS、Internet等網(wǎng)絡(luò),利用網(wǎng)絡(luò)進行采集數(shù)據(jù)的傳輸控制;監(jiān)控管理中心涵蓋有服務(wù)器、顯示器等模塊,接收并實時顯示、查詢數(shù)據(jù),并對異常故障數(shù)據(jù)信息進行告警。
(2)系統(tǒng)硬件設(shè)計和應(yīng)用。地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計要體現(xiàn)出相對獨立性、可擴展性、集成性和穩(wěn)定性,并具有低成本、防干擾和防雷擊的特點,主要包括以下內(nèi)容:a.硬件電路的設(shè)計與應(yīng)用。系統(tǒng)前端供電設(shè)備要采用3.3-12V的電源電壓,可以選取供電電壓為12V的太陽能供電方案,利用電壓轉(zhuǎn)換芯片進行電壓轉(zhuǎn)換和供應(yīng)。微控制處理器單元則以STM32F103VET6芯片為核心,利用可擴展的外圍電路接口,與RS-485通信的電導(dǎo)率、PH值傳感器、水位傳感器、水溫傳感器、GPRS無線通信單元相匹配。傳感器單元主要涵蓋對地下水的水位、水溫、PH值、電導(dǎo)率等信號進行傳感和數(shù)據(jù)采集。GPRS無線通信單元則以ARM9216EJ-S為內(nèi)核,借由GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸,使之進入到Internet網(wǎng)絡(luò)之中。b.傳感器模塊的應(yīng)用??梢圆捎肈S18B20數(shù)字式溫度傳感器,將測量的溫度值轉(zhuǎn)化為可輸出信號,由一個普通端口實現(xiàn)與DS18B20溫度傳感器的雙向通信,適用于-55℃~+125℃的水溫測量。還可以選取投入式壓力水位傳感器進行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集,適用于較小的井孔觀測。選取電極型PH傳感器,通過電極測電位的方法獲取地下水的PH值,衡量地下水環(huán)境的健康狀態(tài)。選取Rs-485接口輸出方式的傳感器,通過對稱脈沖法進行電導(dǎo)率的測量。c.微控制器模塊的應(yīng)用??梢赃x取應(yīng)用核心元件為STM32F103ZET6的微處理器,與外圍電路構(gòu)成微控制器單元模塊,并將微控制器模塊與前端監(jiān)測點、監(jiān)控管理中心相鏈接,實現(xiàn)對地下水環(huán)境參數(shù)信息的采集、數(shù)據(jù)處理、存儲和遠(yuǎn)程無線傳輸。d.GPRS無線傳輸模塊的應(yīng)用??梢岳猛ㄓ梅纸M無線服務(wù)技術(shù),利用其接入范圍廣、傳輸速率快、接入時間短、實時在線的優(yōu)勢,進行地下水環(huán)境數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程傳輸。
(3)系統(tǒng)軟件設(shè)計與應(yīng)用。地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用KEIL MDK軟件工具和C語言進行開發(fā)環(huán)境,進行下位機軟件開發(fā)和應(yīng)用,并采用B/S構(gòu)架開發(fā)和應(yīng)用上位機軟件系統(tǒng),對服務(wù)器軟件進行設(shè)計和應(yīng)用,如:服務(wù)器控制系統(tǒng)登陸界面、Socket連接程序、數(shù)據(jù)庫操作程序的設(shè)計和應(yīng)用,同時還對客戶端軟件進行設(shè)計和應(yīng)用,如:客戶端注冊界面、客戶端登錄界面、客戶端主界面等。
(4)使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行地下水環(huán)境數(shù)據(jù)的預(yù)測。可以引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理念和方法,基于地下水監(jiān)測站點采集的環(huán)境數(shù)據(jù),構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型,進行地下水環(huán)境的預(yù)測和分析。[2]
3 小結(jié)
綜上所述,地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)基于低成本、模塊化、系統(tǒng)化的理念進行設(shè)計和應(yīng)用,整合利用嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù),面向城市地下水環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、存儲和查詢,并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行地下水環(huán)境趨勢變化的預(yù)測,未來還要加強對監(jiān)測終端設(shè)備的微型化、集成化研究,使之具有更強的抗干擾能力和穩(wěn)定性。
參考文獻(xiàn):
[1]趙敏華,李莉,呼娜.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機工程,2014(02).
[2]趙靜,喻曉紅,黃波,譚秀蘭.物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)體系與發(fā)展[J].通信技術(shù),2010(09).
作者簡介:楊陽(1988-),女,漢族,江蘇南京人,本科,助理工程師,目前從事環(huán)境監(jiān)測方面工作。