張 海 傳，　林 云 鐸，　李 　 月

( 大連工業(yè)大學 信息科學與工程學院, 遼寧 大連　116034 )

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基于無線通信技術(shù)的環(huán)境水質(zhì)現(xiàn)場監(jiān)測終端設計

張 海 傳，林 云 鐸，李 月

( 大連工業(yè)大學 信息科學與工程學院, 遼寧 大連116034 )

摘要:為實現(xiàn)環(huán)境水質(zhì)的遠程在線實時監(jiān)測，設計了環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，對其最基礎的現(xiàn)場監(jiān)測終端進行了詳細設計。采用TI公司的MSP430F5438A控制器為核心，以ZM2410模塊和USR-GPRS232-7S2模塊分別構(gòu)建了ZigBee和GPRS無線通信系統(tǒng)，同時設計了多種通信接口以滿足現(xiàn)場需求。測試結(jié)果表明，該現(xiàn)場監(jiān)測終端結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞:水質(zhì)監(jiān)測；ZigBee；GPRS

0引言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，水質(zhì)污染問題和水資源短缺日益引起人們的關(guān)注[1-3]。水污染嚴重威脅到人們的生存環(huán)境，不僅加劇了水資源的短缺，也對我國實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略帶來嚴重的負影響，對水資源的有效利用和管理已上升到國家戰(zhàn)略的高度。環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)既是環(huán)境信息的源頭，又是環(huán)境質(zhì)量評價監(jiān)督管理的有效手段。為實現(xiàn)對環(huán)境水污染及其治理進行監(jiān)督和監(jiān)測，迫切需要先進的環(huán)境水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)[4-6]。

環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場終端負責所有水質(zhì)參數(shù)的采集和傳送，是整個環(huán)境水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的根本和核心。但由于目前使用的水質(zhì)監(jiān)測儀表接口多樣，兼容性不好，而且大都是采用有線連接，不僅連線復雜，成本高，在有些大范圍的監(jiān)測現(xiàn)場更是難以實現(xiàn)，所以環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場終端往往都是采用現(xiàn)有的PLC或者其他大型的控制器來實現(xiàn)[7-9]，連接方式也是多種多樣，這大大限制了環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展。本文設計了一種基于無線通信技術(shù)的環(huán)境水質(zhì)現(xiàn)場監(jiān)測終端，不僅結(jié)構(gòu)簡單，兼容性好，而且采用更加靈活的無線傳感技術(shù)傳送數(shù)據(jù)，對環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)自動化水平的提高具有一定意義。

1環(huán)境水質(zhì)遠程監(jiān)測系統(tǒng)

為了實現(xiàn)對環(huán)境水質(zhì)參數(shù)的遠程實時監(jiān)測，設計了環(huán)境水質(zhì)遠程監(jiān)測系統(tǒng)，采用GPRS無線通信技術(shù)[10-12]將現(xiàn)場監(jiān)測終端與遠程數(shù)據(jù)中心相連，對環(huán)境水質(zhì)在線、連續(xù)監(jiān)測，整個監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)測區(qū)域1～N中水質(zhì)的各類參數(shù)如溶解氧、COD及濁度等通過無線傳輸模塊傳輸?shù)竭h程的水質(zhì)監(jiān)測中心，當監(jiān)測區(qū)域的水質(zhì)出現(xiàn)問題時，及時報警，將具體水質(zhì)參數(shù)及報警區(qū)域等信息傳送給有關(guān)負責人。將分散的環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測儀表進行數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，自動接收、存儲水質(zhì)各類參數(shù)的數(shù)據(jù)，隨時隨地掌握環(huán)境水質(zhì)情況，并當水質(zhì)情況出現(xiàn)問題時，及時報警。

圖1　環(huán)境水質(zhì)遠程監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2環(huán)境水質(zhì)現(xiàn)場監(jiān)測終端設計

2.1硬件系統(tǒng)設計

2.1.1終端總體架構(gòu)

現(xiàn)場監(jiān)測終端的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。現(xiàn)場監(jiān)測終端的構(gòu)成主要包括微控制器MSP430M5438A核心電路、ZigBee和GPRS無線通信電路、RS232電路、RS485電路、電流環(huán)電路以及其他外圍電路?，F(xiàn)場終端采集現(xiàn)場水質(zhì)監(jiān)測儀表的各項水質(zhì)參數(shù)，這些水質(zhì)數(shù)據(jù)通過微控制器MSP430M5438A處理后，在現(xiàn)場終端的顯示器上顯示，以供現(xiàn)場調(diào)試使用，同時，將水質(zhì)數(shù)據(jù)通過GPRS無線通信方式傳送到遠程的數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)環(huán)境水質(zhì)參數(shù)的遠程實時監(jiān)測。

圖2　現(xiàn)場監(jiān)測終端硬件結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場監(jiān)測終端的硬件設計中，重點是無線通信電路的設計，下面對ZigBee無線通信電路和GPRS無線通信電路進行詳細設計。

2.1.2ZigBee無線通信電路設計

采用ZM2410模塊進行ZigBee無線通信電路的設計，ZM2410模塊工作于2.4 GHz頻段，傳輸速率為250 kb/s，傳輸距離大于100 m(可視距離)，工作穩(wěn)定，可靠性高。其外圍電路及與主控制器的接口電路如圖3所示。ZigBee無線通信模塊ZM2410外圍接口電路比較簡單，3個指示燈D1、D2和D3分別用于指示模塊的錯誤、發(fā)送和接收的狀態(tài)，其與主控制器MSP430F5438A的通信僅需要3根線。由于主控制器采用3.3 V電源系統(tǒng)，而ZM2410是5 V電源，所以當主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)時可與ZM2410直連，而當其接收數(shù)據(jù)時，則需要通過圖中的電阻和二極管進行限壓，保證主控制器的安全。

2.1.3GPRS無線通信電路設計

采用USR-GPRS232-7S2模塊進行GPRS無線通信電路的設計，USR-GPRS232-7S2模塊可在850、900、1 800和1 900 MHz 4種頻段下工作，性能穩(wěn)定，使用方便，其外圍接口電路如圖4所示。GPRS無線傳輸模塊USR-GPRS232-7S2與主控制器MSP430F5438A的通信也僅需要三根線，方便簡單。

2.2軟件系統(tǒng)設計

現(xiàn)場監(jiān)測終端通過電流環(huán)、RS232、RS485以及ZigBee無線通信等方式與現(xiàn)場的多種水質(zhì)參數(shù)儀表進行通信，讀取其水質(zhì)參數(shù)，經(jīng)過主控制器處理后，將數(shù)據(jù)通過GPRS無線傳輸系統(tǒng)傳送到遠程數(shù)據(jù)中心，同時在終端的液晶屏上顯示?，F(xiàn)場監(jiān)測終端的主程序流程圖如圖5所示。

現(xiàn)場終端在上電后首先對系統(tǒng)內(nèi)部和外部的設施進行檢測。自檢通過后運行系統(tǒng)初始化程序，對主控制器各個端口和內(nèi)部寄存器進行初始化設定。完成初始化后，測試系統(tǒng)各個端口是否正常，測試無線網(wǎng)絡是否正常，如果出現(xiàn)故障，則停機進行故障處理。當系統(tǒng)全部正常后從各現(xiàn)場儀表中讀取水質(zhì)參數(shù)，然后等待中斷，當中斷發(fā)生時，判斷是定時中斷還是外部中斷。定時中斷發(fā)生后，立即讀取現(xiàn)場水質(zhì)參數(shù)，在終端顯示屏上顯示數(shù)據(jù)，同時通過GPRS無線方式傳送到數(shù)據(jù)中心。外部中斷發(fā)生后，進行數(shù)據(jù)的輸入以及液晶顯示等操作，當完成中斷服務程序時，終端進入休眠狀態(tài)，以節(jié)約功耗。

圖3　ZM2410模塊外圍接口電路設計

圖4　USR-GPRS232-7S模塊外圍接口電路設計

圖5　現(xiàn)場監(jiān)測終端主程序流程圖

3測試結(jié)果與分析

為了測試現(xiàn)場監(jiān)測終端系統(tǒng)的實際應用情況，選用最常見的測量水質(zhì)溫度的溫度儀對終端的各個通信接口的工作狀態(tài)進行測試。選用L91-1高精度工業(yè)溫度記錄顯示儀，通過為其配置不同的轉(zhuǎn)換器使其分別輸出電流環(huán)、RS232和RS485信號，再配置ZigBee無線模塊使其能夠加入ZigBee網(wǎng)絡并發(fā)送數(shù)據(jù)。GPRS的測試則由發(fā)送到數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)進行對比。進行了10次測試，分別在不同的溫度點進行，測試比較結(jié)果如表1所示。

在測試比較的10組數(shù)據(jù)中，各通信端口都能夠正確地接收儀表發(fā)送的數(shù)據(jù)，RS232、RS485、ZigBee無線傳輸及GPRS無線傳輸接收數(shù)據(jù)的正確率基本上是100%，其中第7次測試有誤差應該是進行數(shù)據(jù)處理時造成的。所有接口中電流環(huán)接收的數(shù)據(jù)偶爾會有與儀表數(shù)據(jù)不一致的，這應該是由于電路中電路參數(shù)的微小差別造成的。盡管電流環(huán)電路偶爾會有誤差，但是誤差很小，實際中可忽略不計。測試結(jié)果表明，本現(xiàn)場監(jiān)測終端完全能夠滿足水質(zhì)遠程監(jiān)測系統(tǒng)的需求。

表1　終端通信接口測試結(jié)果

4結(jié)論

環(huán)境水質(zhì)遠程監(jiān)測系統(tǒng)對我國水資源的保護和管理利用都具有重要的意義，現(xiàn)場監(jiān)測終端是整個系統(tǒng)的基礎和核心。本文基于無線通信技術(shù)構(gòu)建了環(huán)境水質(zhì)現(xiàn)場監(jiān)測終端系統(tǒng)，該終端系統(tǒng)具有工業(yè)上常用的RS232、RS485、電流環(huán)以及ZigBee無線網(wǎng)絡等多種通信接口，方便終端系統(tǒng)與現(xiàn)場多種水質(zhì)儀表進行通信，結(jié)構(gòu)簡單，兼容性強，可靠性高，實際測試表明該終端系統(tǒng)性能良好。本文設計的現(xiàn)場終端系統(tǒng)對于其他領(lǐng)域的類似應用也具有很高的借鑒意義。

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Design of water quality monitoring terminal based on wireless communication technology

ZHANGHaichuan,LINYunduo,LIYue

( School of Information Science and Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

Abstract:The environmental water quality monitoring system was designed to monitor the remote environmental water on line. And the monitoring terminal of the system was designed in detail. Zigbee and GPRS wireless communication system were construct by ZM2410 module and USR-GPRS232-7S2 module using micro-controller MSP430F5438A as the core of the monitoring terminal, while a variety of communication interfaces were designed to meet the site requirements. The test results showed that the monitoring terminal was simple and reliable.

Key words:water quality monitoring; ZigBee; GPRS

中圖分類號:TN92

文獻標志碼:A

作者簡介:張海傳(1980-)，男，副教授.

收稿日期:2015-03-16.

文章編號:1674-1404(2016)02-0153-04