盧 娜,張鳳莉

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電系，河南 商丘 476000)

2014年“6·5”世界環(huán)境日中國主題為“向污染宣戰(zhàn)”，可見當(dāng)前中國環(huán)境保護的任務(wù)日益艱巨. 過去，我國的水質(zhì)監(jiān)測基本上是采取手工操作的方法. 由于采樣間隔時間長，數(shù)據(jù)分析匯總慢，傳遞不及時，不能實時反映出水質(zhì)污染的變化情況，不能對當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境現(xiàn)狀正確、及時地進行整體把握，無法滿足環(huán)境管理的要求. 這種傳統(tǒng)的監(jiān)測方式已經(jīng)不能滿足水質(zhì)監(jiān)測的需求，急需尋求一種現(xiàn)代化方法進行監(jiān)測. 本文旨在實現(xiàn)對水質(zhì)進行連續(xù)自動監(jiān)測、采樣、處理，并自動將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測中心，建立一套水質(zhì)遠程監(jiān)測系統(tǒng).

1 系統(tǒng)功能分析與設(shè)計

本監(jiān)測系統(tǒng)主要是為實現(xiàn)實時監(jiān)測河流的水質(zhì)情況而設(shè)計的. 主要實現(xiàn)的功能包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、水質(zhì)信息管理、歷史信息查詢、數(shù)據(jù)分析、報表生成、和系統(tǒng)管理等功能[1]6.

從分散在河流沿線的多個監(jiān)測站獲得水質(zhì)數(shù)據(jù)到管理層對各點數(shù)據(jù)的查看和分析，整個數(shù)據(jù)流向可以把該系統(tǒng)的功能分為以下三個層面：

第一層位于水質(zhì)監(jiān)測的最前端，是主要的水質(zhì)信息的采集部分，主要功能是：(1)連接并控制監(jiān)測設(shè)備或傳感器；(2)采集并記錄監(jiān)測點的水質(zhì)狀況；(3)在自動優(yōu)化模式下可根據(jù)水流的流速情況優(yōu)化采樣頻率； (4)與上層的監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)交換；

第二層即中間層，屬于較小區(qū)域的控制監(jiān)測中心層. 該層主要是考慮到水質(zhì)監(jiān)測時信息傳輸?shù)膮^(qū)域范圍和管理上的方便，主要功能是：對本區(qū)域的監(jiān)測站進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、監(jiān)控功能；接收監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并做相應(yīng)的處理和存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)；與管理站進行數(shù)據(jù)通信，包括接收命令和上傳報警等信息；有客戶操作界面，可以做一些監(jiān)測參數(shù)設(shè)置、監(jiān)測數(shù)據(jù)和報警信息查詢等；

第三層即最高的管理監(jiān)控層. 其主要功能是：收集中間層中各個控制監(jiān)測中心的實時數(shù)據(jù)，并做相應(yīng)地統(tǒng)計等分析；對全網(wǎng)監(jiān)測信息的統(tǒng)計、處理、分析；對水質(zhì)的污染能快速、準確地發(fā)出警報；生成各種分析后的報表供管理部門裁決.

2 河流水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)分析

監(jiān)測參數(shù)的確定對于水質(zhì)的監(jiān)測起著至關(guān)重要的作用，只有正確地設(shè)定了待監(jiān)測的參數(shù)才能讓我們準確地監(jiān)測到我們所關(guān)心的指標，也可以為我們準確地評價水質(zhì)等級提供依據(jù).

根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標準——GB3838-2002，我們可以把監(jiān)測項目分為三大類：必評、選評和參評[2]19. 必評項目包括溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、氨氮、揮發(fā)酚和砷共6項；評選項目有：五日生化需氧量、氟化物、氰化物、汞、銅、鉛、鋅、鎘、鉻(六價)、總磷、石油類等11項；參評項目包括：PH值、水溫和總硬度3項. 當(dāng)然，根據(jù)地區(qū)的不同可以選擇需要監(jiān)測的項目. 對于水質(zhì)的評價分類有一些指標限制，主要指標如表1.

表1 地表水環(huán)境質(zhì)量主要項目標準限制值

表1列出的項目只是整個GB3838-2002標準里有關(guān)地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測標準的部分項目. 在組建監(jiān)測系統(tǒng)時應(yīng)根據(jù)被監(jiān)測河流的具體情況來確定監(jiān)測項目. 在本設(shè)計中我們以水溫、PH值、溶解氧等指標為例來設(shè)計我們的河流監(jiān)測系統(tǒng). 另外本系統(tǒng)將根據(jù)水流的情況來自動設(shè)定采樣頻率，所以河流的流速也是本系統(tǒng)的監(jiān)測指標，但不計入河流的水質(zhì)考評項目.

3 系統(tǒng)的組網(wǎng)(通信方式)設(shè)計

無線通信網(wǎng)絡(luò)是連接遠程監(jiān)控終端與監(jiān)控中心的橋梁，是組成水質(zhì)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵. 本課題中采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通道. GPRS技術(shù)是通用無線分組業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service)的英文簡稱，是在現(xiàn)有的GSM(Global System for Mobile Communications)系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)[3]12. GPRS與現(xiàn)有的GSM語音系統(tǒng)最根本的區(qū)別是GPRS特別適用于間斷、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸. 這一特點正適合水質(zhì)遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸特性.

4 水質(zhì)監(jiān)測站及監(jiān)測中心軟件流程圖設(shè)計

水質(zhì)監(jiān)測站作為監(jiān)測終端，它的主要功能就是控制各個監(jiān)測儀器工作并獲得相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù). 它由多臺嵌入式水質(zhì)實時監(jiān)測終端機組成，每一臺監(jiān)測終端機與在線監(jiān)測設(shè)備或傳感器相連，并自動采集和記錄監(jiān)測到的水質(zhì)狀況信息. 然后把采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS與上層的監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)交換. 這里由S3C44B0X嵌入式系統(tǒng)承當(dāng)RTU控制器，并與各種水質(zhì)監(jiān)測儀器或傳感器的數(shù)據(jù)線和控制線相連接. 數(shù)據(jù)線用來定時傳輸水質(zhì)信息，控制線用來對監(jiān)測儀器或傳感器做相應(yīng)的初始化和參數(shù)的設(shè)置.

監(jiān)測站的程序首先要對RTU進行初始化，包括對本身的系統(tǒng)初始化和對各種監(jiān)測儀器的初始化，并進入工作狀態(tài). 監(jiān)測中心主要負責(zé)監(jiān)控本區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測站的數(shù)據(jù)采集工作，并有查詢歷史記錄和數(shù)據(jù)庫管理等功能. 監(jiān)測中心主程序流程如圖1.

圖1 監(jiān)測中心主程序流程圖

5 結(jié)語

本監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用分布式多傳感器數(shù)據(jù)融合機制、水質(zhì)成分感器監(jiān)測等技術(shù)，實現(xiàn)對環(huán)境水質(zhì)的主要指標，如溫度、溶解氧飽和度、溶解氧、pH、氧化還原電位等的可靠實時檢測，建立分布式環(huán)境監(jiān)測和智能分析系統(tǒng)，為環(huán)保、市政、水利等監(jiān)理部門提供現(xiàn)代化管理工具和輔助決策支持.

[1] 鄭巨雙. 智能水質(zhì)在線監(jiān)測方法及系統(tǒng)的研究[D]. 長沙：湖南大學(xué)，2006.

[2] 常曉敏.水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D]. 太原：太原理工大學(xué)，2006.

[3] 于 強.水質(zhì)遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2007.