潘春麗，蒙建波，吳 杉，劉一兵，張 能，汪 明，王設(shè)計(jì)

(1.重慶大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，重慶400044;2.重慶工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所，重慶401123)

0 引言

目前，我國(guó)主要的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集——實(shí)驗(yàn)室分析的方法、采用有線電話撥號(hào)通信、無(wú)線MODEM通信以及SMS短消息通信的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［1］。但這些方法存在水質(zhì)采樣不足、缺乏自動(dòng)測(cè)報(bào)能力、水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息處理時(shí)效性差、沒(méi)有對(duì)突發(fā)性污染事故的預(yù)警能力等問(wèn)題，而且有線電話撥號(hào)系統(tǒng)受自然條件限制，無(wú)線MODEM系統(tǒng)網(wǎng)路覆蓋范圍有限，數(shù)據(jù)傳輸慢，SMS短消息系統(tǒng)運(yùn)行成本高，不能實(shí)現(xiàn)真正實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和傳輸［2］。因此，針對(duì)中國(guó)廣大村鎮(zhèn)供水水廠現(xiàn)狀，為中國(guó)農(nóng)村飲水安全目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要設(shè)計(jì)出一種解決方案，能有效、可靠地對(duì)水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)已成為一個(gè)必須解決的問(wèn)題。

有線通信受固定位置限制，根據(jù)業(yè)務(wù)需要隨時(shí)需要增減數(shù)據(jù)傳輸點(diǎn)，極大地拓展了通信的領(lǐng)域，而中國(guó)移動(dòng)的通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(GPRS)網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，可全國(guó)漫游而不增加額外費(fèi)用，特別適合中小用戶以低成本方式在短時(shí)間內(nèi)組建自己的跨區(qū)域性數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò);另外，GPRS比較適用于頻繁傳送小數(shù)據(jù)量的場(chǎng)合和偏遠(yuǎn)地區(qū)，架設(shè)通信線路困難的地方。鑒于以上情況，水質(zhì)監(jiān)測(cè)環(huán)境比較復(fù)雜，而水利部門又希望實(shí)時(shí)得到管轄供水站點(diǎn)的水質(zhì)信息，以便加強(qiáng)對(duì)水質(zhì)的監(jiān)控力度，預(yù)防水質(zhì)惡化。因此，可利用GPRS技術(shù)來(lái)解決地理位置受限的問(wèn)題。

為此，設(shè)計(jì)了基于PIC18F6722單片機(jī)與GPRS的水質(zhì)自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案。該系統(tǒng)利用單片機(jī)為核心對(duì)水質(zhì)進(jìn)行采樣，并借助現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)GPRS對(duì)分散的水廠水質(zhì)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，具有不受地理環(huán)境、氣候等因素限制，監(jiān)測(cè)范圍廣，實(shí)時(shí)性好，運(yùn)行成本低等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。

1 系統(tǒng)組成

多參數(shù)水質(zhì)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示，多參數(shù)的多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)GPRS技術(shù)，構(gòu)成多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的上位機(jī)與監(jiān)測(cè)儀及信號(hào)板之間的數(shù)據(jù)傳輸用RS—485總線進(jìn)行，且實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的采樣。上位機(jī)的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS技術(shù)與監(jiān)控中心進(jìn)行傳輸，組成了多點(diǎn)采集、統(tǒng)一監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化遠(yuǎn)程多參數(shù)水質(zhì)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig 1 Block diagram of system structure

位于現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)儀由PIC18F6722單片機(jī)、EEROM模塊、內(nèi)部時(shí)鐘電路、通信系統(tǒng)、報(bào)警電路、LCD顯示器等元件構(gòu)成。監(jiān)測(cè)儀終端數(shù)據(jù)采集框架圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集終端總體框架圖Fig 2 Overall frame work of data acquisition terminal

監(jiān)測(cè)儀將多種傳感器置于水中，一體化智能傳感器、水壓、水位傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，直接送往PIC18F6722單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。監(jiān)測(cè)儀具有Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線和GPRS遠(yuǎn)程通信功能，通信接口電路定期把信號(hào)傳到控制室中。此外，如果水環(huán)境的參數(shù)超標(biāo)，報(bào)警電路便會(huì)發(fā)出聲光警報(bào)告知工作人員，并在LCD顯示器上具體參數(shù)超限的報(bào)警標(biāo)志圖片。PIC18F6722單片機(jī)自帶看門狗功能，在運(yùn)行程序的時(shí)候看門狗便發(fā)揮巨大的作用，它可以有效地防止程序的“跑飛”，并通過(guò)復(fù)位等措施使之返回正常的程序流程，使系統(tǒng)正常工作保證連續(xù)監(jiān)測(cè)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)選型

本設(shè)計(jì)選用單片機(jī)是美國(guó)Microchip公司的PIC18F6722單片機(jī)，PIC18系列單片機(jī)是高性能CMOS集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的全靜態(tài)MCU系列它采用先進(jìn)的精簡(jiǎn)指令集RISC(reduced instruction set computing)架構(gòu)支持Flash和一次性編程器件PIC18系列具有增強(qiáng)型內(nèi)核32級(jí)堆棧和多種內(nèi)部和外部中斷源哈佛結(jié)構(gòu)，使得16位指令總線與8位數(shù)據(jù)總線完全分離兩級(jí)流水線，使得除跳轉(zhuǎn)指令外其余指令都是在一個(gè)周期內(nèi)執(zhí)行。內(nèi)置有128 k字節(jié)可串行下載Flash存儲(chǔ)器，3936字節(jié)片內(nèi)RAM，7個(gè)8位的雙向可尋址I/O口，1024個(gè)字節(jié)的EEROM，2個(gè)全雙工UART的串行接口，4個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，多個(gè)優(yōu)先級(jí)的嵌套中斷結(jié)構(gòu)，以及一個(gè)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路［3］。本系統(tǒng)中利用了PIC18F6722既可永久保存實(shí)時(shí)監(jiān)控中的各種信息，也可方便地反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)可以編入不同的程序，以此保證用戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)，而且隨用戶的需要和發(fā)展還可以進(jìn)行修改，使系統(tǒng)能不斷符合用戶的最新要求。

2.2 傳感器的選型

設(shè)計(jì)中的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，需要對(duì)幾個(gè)有代表性參量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一些常用的傳感器大多數(shù)不適用于水下的信號(hào)提取，即使有這樣的傳感器也必須對(duì)其進(jìn)行密閉封裝，成本大大提高［4］。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一體化智能傳感器，具有獨(dú)特的流通池，把余氯、濁度、溫度等傳感器巧妙地結(jié)合在一起;它的精度可靠性都能滿足村鎮(zhèn)水廠的需求，而價(jià)格相對(duì)較低。

系統(tǒng)中所選用的水位傳感器型號(hào)為CYB500液位傳感器，它自帶的敏感芯片輸出的電信號(hào)與作用在芯片上的液深壓力有著良好的線性關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液深的準(zhǔn)確測(cè)量，具有體積小、精度高等特點(diǎn)。水壓傳感器選用HDP503水壓傳感器，采用不銹鋼整體構(gòu)件，進(jìn)口彈性體原件，高精度應(yīng)變計(jì)及先進(jìn)的貼片工藝，具有高靈敏度、穩(wěn)定的性能、良好的抗沖擊能力。

2.3 通信電路設(shè)計(jì)

2.3.1 GPRS通信單元

系統(tǒng)中GPRS模塊采用CM3160P GPRS DTU模塊，采用移動(dòng) GPRS網(wǎng)絡(luò)，串口/RS—232接口，工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)TCP/UDP透明數(shù)據(jù)傳輸;內(nèi)置TCP/UDP透明數(shù)據(jù)傳輸;支持多種工作模式;智能防掉線，支持在線檢測(cè)，在線維持，掉線自動(dòng)重?fù)?，確保設(shè)備永遠(yuǎn)在線，是一種性能比較穩(wěn)定的工業(yè)級(jí)GPRS模塊。

2.3.2 RS—485 通信

系統(tǒng)中采用了RS—485半雙工異步通信總線，是EIA(美國(guó)電子工業(yè)聯(lián)合會(huì))在1983年公布的新的平衡傳輸標(biāo)準(zhǔn)，具有抑制共模干擾、抑制線路噪聲的能力，加上接收器具有高靈敏度，能檢測(cè)低達(dá)200 mV的電壓，數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)千米之外［5］。RS—485總線接口適合于多站互連，一個(gè)發(fā)送驅(qū)動(dòng)器最多可連接32個(gè)負(fù)載設(shè)備，它以其高速遠(yuǎn)距離傳送和多站互聯(lián)方便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的串行通信中。本裝置的 RS—485通信接口由PIC18F6722單片機(jī)、RSM系列隔離RSM485CT收發(fā)器組成，通信電路如圖3所示。

圖3 通信電路圖Fig 3 Circuit of communication

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，主要考慮軟件的靈活性，實(shí)現(xiàn)程序的模塊，為其他的產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了方便。軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)主程序、數(shù)據(jù)處理程序、鍵盤以及LCD顯示子程序，報(bào)警子程序，通信程序，EEROM數(shù)據(jù)及設(shè)備相關(guān)信息存儲(chǔ)程序等。

主程序開始后，先對(duì)單片機(jī)PIC18F6722核心芯片以及CS5524數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行初始化設(shè)置，例如:開中斷，寄存器初始化等，再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，在采樣過(guò)程中采用中斷優(yōu)先的原則，如果發(fā)生中斷進(jìn)入中斷程序，沒(méi)有中斷發(fā)生，則循環(huán)重復(fù)采樣。一旦發(fā)生中斷，關(guān)閉RS—485接收功能，以防在對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析的時(shí)候受到其他中斷的干擾。如果解析正確，則根據(jù)應(yīng)用協(xié)議要求發(fā)送數(shù)據(jù)，解析有誤，則重新啟動(dòng)AD采樣，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖Fig 4 Flow chart of system main program

中斷程序子程序主要包括RS—485串口發(fā)送和接收，及對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。中斷程序流程圖如圖5所示。當(dāng)系統(tǒng)中斷標(biāo)志位置1，表明發(fā)生中斷，為了防止數(shù)據(jù)解析錯(cuò)誤，關(guān)閉中斷，從RS—485總線接收數(shù)據(jù)，依次對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，包括設(shè)備特征解析，CRC校驗(yàn)，內(nèi)部地址，命令異常，數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)等進(jìn)行解析。

圖5 中斷子程序流程圖Fig 5 Flow chart of interruption subprogram

4 系統(tǒng)性能測(cè)試與分析

監(jiān)控中心子系統(tǒng)軟件主要包括GPRS數(shù)據(jù)接收/發(fā)送、數(shù)據(jù)庫(kù)、報(bào)表、曲線圖、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。監(jiān)控中心保持連接在專網(wǎng)上，接收各水質(zhì)采集子系統(tǒng)發(fā)回的數(shù)據(jù)，根據(jù)特定的規(guī)約解析數(shù)據(jù)包。所解析數(shù)據(jù)指導(dǎo)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行水質(zhì)數(shù)據(jù)的分析處理以及根據(jù)水質(zhì)變化情況適時(shí)啟動(dòng)緊急預(yù)案、發(fā)出預(yù)警信息。數(shù)據(jù)庫(kù)功能用以保存和管理各個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

為測(cè)試系統(tǒng)的綜合性能，在重慶幾個(gè)水廠對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。系統(tǒng)對(duì)水廠中水質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣、傳輸、分析處理。在系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，考慮到可能影響系統(tǒng)傳輸性能的各方面因素，針對(duì)不同時(shí)間段、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量，進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸記錄實(shí)驗(yàn)和性能分析。監(jiān)控中心子系統(tǒng)某一時(shí)刻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 監(jiān)控中心系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Tab l Monitoring data of monitoring center

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)對(duì)農(nóng)村村鎮(zhèn)水廠的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，性能測(cè)試表明:該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測(cè)與報(bào)警，準(zhǔn)確性、精度、安全性都能滿足村鎮(zhèn)水廠的需求，且應(yīng)用方便。一體化多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可根據(jù)用戶需求隨時(shí)更改程序，可優(yōu)化系統(tǒng)性能，具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］蔣建虎，張振江.基于GPRS和GPS的移動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2006，25(8):66-68.

［2］萬(wàn)眾華，武云志.水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用解決方案［J］.水資源管理，2004(1):32-33.

［3］劉向宇，秦 龍.PIC單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)實(shí)例精粹［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［4］秦明宏，荻山正生，木村豐.PIC單片機(jī)基礎(chǔ)與傳感器應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2010.

［5］錢顯毅，唐興國(guó).傳感器原理與檢測(cè)技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1994.