王星星，姜 嵐，黃 科，趙賢林

(中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

巢湖是我國五大淡水湖之一,坐落于長江和淮河之間,位于安徽省中部,流域獨(dú)特的地理位置、良好的生態(tài)環(huán)境和豐富的自然資源,為地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了優(yōu)越的條件,巢湖水環(huán)境質(zhì)量狀況直接關(guān)系到當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[1]。20世紀(jì) 60～70年代初期巢湖處于中營養(yǎng)狀態(tài),80年代中期,受人類活動(dòng)的影響,巢湖及其流域生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞,湖盆淤積,水質(zhì)迅速惡化,已經(jīng)成為長江下游地區(qū)典型的富營養(yǎng)湖泊[2]。因此，針對(duì)巢湖水質(zhì)實(shí)施自動(dòng)在線監(jiān)測，構(gòu)建巢湖水環(huán)境評(píng)價(jià)預(yù)警系統(tǒng)顯得尤為重要。

國內(nèi)現(xiàn)有的遠(yuǎn)程水質(zhì)數(shù)據(jù)采集主要有3種方式：一為采用PLC采集通過以太網(wǎng)傳輸，此種方式需要基建施工架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，工程量大、施工周期長、資金消耗大；二為采用ZigBee或者無線電波的方式傳輸數(shù)據(jù)，此種方式通信距離近，中控室需要建立在水質(zhì)采集點(diǎn)附近，對(duì)中控室的選點(diǎn)造成很大的限制；三為采用GPRS方式傳輸數(shù)據(jù)，此種方式雖然能夠?qū)崿F(xiàn)大面積覆蓋，但是依賴基站通信，在人跡較少或者多山地區(qū)容易出現(xiàn)信號(hào)盲區(qū)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛?。而本文提出的基于北斗短?bào)文通信的遠(yuǎn)程水質(zhì)采集傳輸系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)大面積范圍覆蓋的同時(shí)，又能做到無信號(hào)盲區(qū)，保證水質(zhì)采集的連續(xù)與穩(wěn)定。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于北斗短報(bào)文通信的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由水質(zhì)傳感器模塊(如溫度、pH、濁度、溶解氧、電導(dǎo)率、COD、氨氮、TP、TN等傳感器)、信號(hào)調(diào)理模塊、傳感器清洗模塊、北斗通信模塊、北斗指揮型用戶機(jī)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)工作原理：水質(zhì)傳感器信號(hào)輸出形式分為兩種，第一種為4～20 mA信號(hào)，此種傳感器通過I-V轉(zhuǎn)換電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，現(xiàn)場水質(zhì)采集終端中主控制器接收該電壓信號(hào)之后通過AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行相應(yīng)的處理。第二種為RS485信號(hào)，此種信號(hào)通過RS485收發(fā)控制器轉(zhuǎn)換之后由主控制器讀取并作處理。主控制器對(duì)采集到的傳感器數(shù)據(jù)通過“加權(quán)平均法”、“移動(dòng)平均法”等進(jìn)行初步處理，去除一些冗余信息，將處理結(jié)果通過北斗通信模塊發(fā)送到北斗指揮型用戶機(jī)以便上位機(jī)軟件進(jìn)行下一步分析處理，傳感器清洗模塊則定時(shí)對(duì)所有水質(zhì)傳感器進(jìn)行清洗，以確保每次采集水質(zhì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)軟件包括三部分：北斗通信協(xié)議、主控制器軟件程序、上位機(jī)軟件。北斗通信協(xié)議主要包括針對(duì)北斗短報(bào)文通信特點(diǎn)而特殊定制的通信協(xié)議；主控制器軟件程序主要包括傳感器數(shù)據(jù)讀取、傳感器探頭清洗和北斗通信等功能模塊之間的邏輯關(guān)系；上位機(jī)軟件用Java開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、分析以及實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和水質(zhì)預(yù)警。

2.1 北斗通信協(xié)議設(shè)計(jì)

終端的短報(bào)文傳輸帶寬由用戶卡決定，與設(shè)備本身無關(guān)，以一個(gè)用戶卡為例，有兩個(gè)參數(shù)：傳輸容量和傳輸頻度。傳輸容量：7～120漢字/min，也就是說每條報(bào)文最大長度為120 B。傳輸頻度：1 次/min或2～3次/min，取決于ID卡級(jí)別。按每分鐘單向1次報(bào)文傳輸，每條短信報(bào)文100 B計(jì)算，單卡終端：6 KB/h，60 KB/10 h，144 KB/d[3]。與GPRS通信方式相比，使用北斗衛(wèi)星的數(shù)據(jù)通信具有以下優(yōu)點(diǎn)：覆蓋范圍大，沒有通信盲區(qū)。北斗系統(tǒng)覆蓋了中國及周邊國家，不僅可為中國服務(wù)，也可為周邊國家服務(wù)，特別適合集團(tuán)用戶大范圍監(jiān)控管理與數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸；北斗系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，不但性價(jià)比高，而且具有安全性、可靠性、穩(wěn)定性和保密性強(qiáng)的特點(diǎn)，適合關(guān)鍵部門應(yīng)用[4]。

根據(jù)以上北斗短報(bào)文傳輸?shù)奶攸c(diǎn)和所受限制，結(jié)合水質(zhì)數(shù)據(jù)采集的具體需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套簡單可行的短報(bào)文傳輸?shù)目煽啃运惴ǎ撍惴ê唵我仔?，具體實(shí)現(xiàn)思路如下：

(1)每個(gè)數(shù)據(jù)包包含水質(zhì)采集站ID、數(shù)據(jù)類型標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)包校驗(yàn)字節(jié)。

(2)發(fā)送方發(fā)送之前先暫存要發(fā)送的數(shù)據(jù)，發(fā)送之后在約定的超時(shí)時(shí)間內(nèi)如果沒有收到確認(rèn)收到數(shù)據(jù)的回復(fù)，就重發(fā)要發(fā)送的數(shù)據(jù)，如此循環(huán)發(fā)送三次，如若三次發(fā)送全部失敗則丟棄此包數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)而進(jìn)入下一輪數(shù)據(jù)發(fā)送環(huán)節(jié)。

(3)北斗指揮型用戶機(jī)具備通播功能，可以對(duì)同一時(shí)間內(nèi)接收到的所有采集站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行回復(fù)確認(rèn)。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了如表1所示的通信協(xié)議。

表1 北斗通信數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議

應(yīng)用此通信協(xié)議可以最大限度地使用民用北斗卡的服務(wù)頻度，在一次服務(wù)頻度周期內(nèi)發(fā)送間隔10 s的6次采樣數(shù)據(jù)，10 s的水質(zhì)數(shù)據(jù)刷新周期可以滿足大部分水質(zhì)監(jiān)測的應(yīng)用。另一方面，北斗短報(bào)文通信具備雙向通信能力，可以接收北斗指揮機(jī)發(fā)送的配置指令，也可以配置水質(zhì)數(shù)據(jù)采集周期、水質(zhì)傳感器清洗間隔等參數(shù)。

2.2 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

水質(zhì)數(shù)據(jù)采集終端主要包含水質(zhì)傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、傳感器清洗模塊、北斗通信模塊。采集終端上電后，系統(tǒng)先初始化傳感器、北斗模塊以及其他接口，系統(tǒng)開始工作循環(huán)檢測北斗衛(wèi)星信號(hào)，檢測到信號(hào)之后，每隔10 s讀取一次所有水質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)暫存，北斗用戶卡發(fā)送頻度1 min時(shí)間到達(dá)之后，把6次暫存的水質(zhì)數(shù)據(jù)通過北斗發(fā)送到目標(biāo)北斗指揮機(jī)。當(dāng)水質(zhì)數(shù)據(jù)采集周期比較長時(shí)(比如5 min一次)，系統(tǒng)會(huì)在每次水質(zhì)數(shù)據(jù)采集之后，將北斗等功耗較大的模塊進(jìn)入睡眠模式，在下一次采集周期到來之前自動(dòng)喚醒，以節(jié)約終端的功耗。

水質(zhì)數(shù)據(jù)采集終端流程圖如圖2所示。

圖2 主控制器流程圖

2.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件即是水質(zhì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件，包含通信層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層三個(gè)部分[5]。

通信層模塊采用JavaScript開發(fā)，主要功能有兩個(gè)：一是讀取北斗指揮機(jī)接收到的各個(gè)水質(zhì)采集站上報(bào)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，根據(jù)ID進(jìn)行解析，添加時(shí)間等必要信息之后分類、存儲(chǔ)；二是接收配置參數(shù)指令，通過北斗指揮機(jī)發(fā)送給水質(zhì)數(shù)據(jù)采集終端。

數(shù)據(jù)層模塊主要功能是實(shí)現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的分類存儲(chǔ)與備份。

圖3 上位機(jī)軟件架構(gòu)

應(yīng)用層模塊包括人機(jī)交互、顯示各站點(diǎn)水質(zhì)數(shù)據(jù)、采集站點(diǎn)參數(shù)配置、歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)查詢、水質(zhì)數(shù)據(jù)報(bào)表打印、水質(zhì)閾值報(bào)警等功能。

上位機(jī)的軟件架構(gòu)如圖3所示。

3 部分系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元包含水質(zhì)傳感器、信號(hào)調(diào)理單元、485總線收發(fā)單元。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集單元結(jié)構(gòu)框圖

電源電路采用AOZ1284PI開關(guān)穩(wěn)壓芯片將24 V電源電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓。采用AMS1117-3.3芯片將5 V轉(zhuǎn)為3.3 V。經(jīng)過兩級(jí)降壓后，系統(tǒng)功耗大大降低，工作時(shí)的散熱也減小了很多，增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性[6]。

北斗模塊在發(fā)送信號(hào)的瞬間需要20 W的功率，保證穩(wěn)定的電源供應(yīng)是北斗模塊正常工作的先決條件。電源模塊電路如圖5所示，采用AOZ1284PI開關(guān)電源芯片將12～24 V電源電壓轉(zhuǎn)換成5 V電壓，此芯片最大可以達(dá)到5 A電流，且輸出電壓可調(diào)整(Vo=0.8×(1+R2/R1))。

I-V轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 I-V轉(zhuǎn)換電路

溫度傳感器和pH傳感器的輸出信號(hào)為電流信號(hào)，通過圖5所示的I-V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓之后送到主控制器，主控制器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行濾波處理，完成信號(hào)采集、分析、存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)。該同相放大電路的放大倍數(shù)為：A=1+R4/R2。若按圖中參數(shù)取值，當(dāng)輸入信號(hào)為4～20 mA時(shí)，輸出電壓為1～5 V。其中C1可以濾除輸入信號(hào)的波動(dòng)，提高轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性。

3.2 北斗傳輸模塊

本系統(tǒng)中采用的北斗模塊為GNS1531通信模組，該模組經(jīng)低噪聲LNA放大所接收到的天線信號(hào)，由射頻收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)下變頻功能，將射頻信號(hào)變換到數(shù)字中頻信號(hào)，作為RDSS基帶芯片的數(shù)字中頻輸入?；鶐酒闪?0個(gè)獨(dú)立的數(shù)字接收機(jī)通道和1個(gè)發(fā)射通道，完成北斗RDSS基帶信號(hào)的接收和發(fā)射基帶信號(hào)的生成等功能。該模組通過標(biāo)準(zhǔn)的UART接口與主控制器通信[7]，可以直接與MCU相連接，通過AT指令來控制數(shù)據(jù)的收發(fā)。

4 系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證基于北斗短報(bào)文通信的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的正確性與穩(wěn)定性，在馬鞍山雨山湖和博望區(qū)博望河安置了5個(gè)采集站點(diǎn)進(jìn)行測試。上位機(jī)軟件部署于帶有北斗用戶指揮機(jī)的服務(wù)器上，各個(gè)采集站點(diǎn)部署完成后將會(huì)定時(shí)上傳采集站點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)。上報(bào)的部分水質(zhì)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 采集站上報(bào)的部分水質(zhì)數(shù)據(jù)表

在整個(gè)系統(tǒng)測試期間，組織專人對(duì)5個(gè)水質(zhì)采集站點(diǎn)進(jìn)行同步人工采集，將人工采集結(jié)果與在同一地點(diǎn)同一時(shí)間采集系統(tǒng)上報(bào)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自動(dòng)采集設(shè)備采集的結(jié)果與人工采集的結(jié)果基本一致，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程、穩(wěn)定、正確傳輸。

5 結(jié)論

本文從軟件和硬件兩個(gè)方面設(shè)計(jì)了一種基于北斗短時(shí)通信服務(wù)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，描述了采集終端軟件功能及流程圖，部分硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測、存儲(chǔ)、顯示、統(tǒng)計(jì)等功能。該系統(tǒng)沒有通信盲區(qū)、不依賴基站通信、無后續(xù)流量費(fèi)用，并且北斗系統(tǒng)由我國自主研發(fā)，安全性、可靠性、穩(wěn)定性和保密性強(qiáng)。本系統(tǒng)對(duì)河道、湖泊的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、傳輸提供了一種科學(xué)有效的技術(shù)解決方案，具有很好的市場應(yīng)用前景。下一步工作將會(huì)在降低系統(tǒng)功耗、減小采集系統(tǒng)體積、優(yōu)化采集系統(tǒng)安裝、提高數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定性等方面進(jìn)行改進(jìn)，以擴(kuò)展系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

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[2] 殷福才,張之源.巢湖富營養(yǎng)化研究進(jìn)展[J].湖泊科學(xué),2003,15(4):37-38.

[3] 龐瑜.基于北斗短報(bào)文通信的小水電站用電采集系統(tǒng)研究[D].長春:吉林大學(xué),2016.

[4] 陳鋼.基于北斗的遠(yuǎn)程水文監(jiān)測系統(tǒng)[D].成都:西南石油大學(xué),2013.

[5] 陳東升.基于GPRS的下水道氣體遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2014,22(12):3932-3934.

[6] 張文建,趙路佳,吳鵬,等. 基于STM32的溫濕度變送器設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2016,24(4):287-290.

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