陳向進(jìn)

（福建省廈門(mén)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，福建 廈門(mén) 361022）

在水資源保護(hù)中，水量和水質(zhì)都需要進(jìn)行保護(hù)。針對(duì)水量保護(hù)，主要涉及到的是水資源合理利用的問(wèn)題。針對(duì)水質(zhì)保護(hù)，我們需要做好水質(zhì)動(dòng)態(tài)信息的監(jiān)測(cè)，從而及時(shí)對(duì)所監(jiān)測(cè)區(qū)域的水質(zhì)狀況做出反應(yīng)。而在水質(zhì)保護(hù)工作中，通過(guò)一套水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，往往能夠使水質(zhì)監(jiān)測(cè)效率更高。而且，還可以使監(jiān)測(cè)速度快、自動(dòng)化。如果水質(zhì)污染較為嚴(yán)重，還可以及時(shí)發(fā)出警報(bào)，為環(huán)境監(jiān)測(cè)有關(guān)的決策提供信息支持。

1 水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要的兩個(gè)特征：連續(xù)性和自動(dòng)監(jiān)測(cè)。該套系統(tǒng)需要基于在線水質(zhì)進(jìn)行自動(dòng)分析。與此同時(shí)，該系統(tǒng)還綜合利用了自動(dòng)控制技術(shù)和電子通信技術(shù)等技術(shù)。該系統(tǒng)的主要組成部分是水樣采集和水質(zhì)分析單元、數(shù)據(jù)采集及傳輸單元、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。系統(tǒng)的發(fā)展歷史較長(zhǎng)，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了多種形式。主要的形式有傳統(tǒng)站房式自動(dòng)監(jiān)測(cè)站、箱體式預(yù)警站、浮標(biāo)站等。通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，這些形式所適用的范圍是不一樣的，而且有各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。比如，第一種形式傳統(tǒng)站房式自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的檢測(cè)精度比較高，而且其穩(wěn)定性也很好。一般情況下，該系統(tǒng)應(yīng)用于水質(zhì)檢測(cè)較為嚴(yán)格的場(chǎng)合。其劣勢(shì)是需要一次性投入大量的資金，而且后期維護(hù)成本也較高。第二種形式是箱體式預(yù)警站，這種形式屬于站房式水質(zhì)自動(dòng)站的范疇，其主要特征是小型化和模塊化。箱體式預(yù)警站的體積比較小，在不需要站房的前提下就能夠穩(wěn)定運(yùn)行，方便在野外安裝。經(jīng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，這種形式的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)某些指標(biāo)的檢測(cè)精度不高。第三種形式的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是浮標(biāo)站，該系統(tǒng)通常是在湖泊監(jiān)測(cè)場(chǎng)合中使用。

2 水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

以嵌入式節(jié)點(diǎn)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，針對(duì)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 Balun 與阻抗匹配設(shè)計(jì)

Balun 電路，即巴倫電路，它是一種平衡不平衡轉(zhuǎn)換器。這種電路應(yīng)用于天線設(shè)計(jì)，可以連接平衡傳輸線與非平衡傳輸線，從而是平衡信號(hào)和非平衡信號(hào)之間的信號(hào)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。CC1101 無(wú)線模塊包括兩個(gè)端口，且都有平衡結(jié)構(gòu)，分別為RF_P端口和RF_N 端口。因?yàn)槌叽绲南拗?，所以通?？梢詫⑵湓O(shè)計(jì)成單極性天線。在此時(shí)，巴倫（Balun）電路就能夠起到作用：使等幅、反向的平衡信號(hào)合成單端信號(hào)。當(dāng)然，還有另外一種處理方案，就是可以將合成的單端信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，使調(diào)制的信號(hào)成為兩路信號(hào)。這兩路信號(hào)的特征是幅值相等，但相位差是180，通過(guò)通道進(jìn)行傳輸。通過(guò)阻抗匹配，可以激勵(lì)源內(nèi)部阻抗與負(fù)載阻抗相匹配，輸出最大功率。

2.2 單端濾波設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)射頻放大器，最重要的兩項(xiàng)指標(biāo)是線性度和效率，然而這兩項(xiàng)指標(biāo)又相互制約，二者不可兼得。在CC1101 模塊設(shè)計(jì)中，若為減少內(nèi)部電源消耗，提高工作效率，則非線性失真也必將增加，導(dǎo)致形成較高的諧波信號(hào)。為抑制電路中諧波信號(hào)，在后面需要增加單端濾波器，主要有π 型和T 型兩種可供選擇，如圖1 所示。

圖1 兩種單端濾波器電路模型

2.3 天線選擇

目前廣泛應(yīng)用的天線有三種，即PCB 天線、鞭狀天線和芯片天線，每種天線都有自身的缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，需要結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行選擇，本文設(shè)計(jì)的無(wú)線通信模塊采用的是輻射效率較高的鞭狀天線。

3 水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 CC1101 寄存器配置

CC1101 內(nèi)部寄存器較多，而且其功能要求是不一樣的，所以我們通過(guò)手動(dòng)配置來(lái)實(shí)現(xiàn)。然后，可以將MISO、MOSI、CSn、SCLK 協(xié)議讀入從機(jī)。這樣，當(dāng)系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，CC1101 內(nèi)部寄存器發(fā)揮從機(jī)的作用，而通過(guò)單片機(jī)來(lái)充當(dāng)主機(jī)。然后，完成片選、時(shí)鐘信號(hào)輸入、主機(jī)數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)收發(fā)等任務(wù)。主機(jī)與從機(jī)SPI 接口工作方式是環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，借助按位傳輸方式傳輸。

3.2 GPRS 遠(yuǎn)程通信設(shè)計(jì)

SIM900A 應(yīng)用GPRS 業(yè)務(wù)時(shí)，TCP 與監(jiān)控中心服務(wù)器連接。GPRS 網(wǎng)絡(luò)可以看作Internet 的子網(wǎng)，當(dāng)SIM900A 發(fā)起TCP 連接時(shí)，Internet 會(huì)為模塊隨機(jī)分配一個(gè)IP，而此時(shí)，IP 是不固定的。所以導(dǎo)致SIM900A 模塊只能作為客戶端，而服務(wù)器為監(jiān)控中心。在服務(wù)器需要發(fā)送巡檢命令之時(shí)，等待SIM900A 主動(dòng)發(fā)起連接。這樣，GPRS 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用受到的限制就較大。除此之外，GPRS 網(wǎng)絡(luò)來(lái)源于GSM 網(wǎng)絡(luò)。眾所周知，該網(wǎng)絡(luò)的語(yǔ)音業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)別較高。所以，如果TCP 在一定時(shí)間內(nèi)有連接，但是沒(méi)有任務(wù)。此時(shí)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)降低。這樣，互聯(lián)網(wǎng)基站服務(wù)器為了節(jié)省寬帶會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，通信功能會(huì)處于暫停狀態(tài)。

為了解決上述兩個(gè)問(wèn)題，在SIM900A 通信程序設(shè)計(jì)中增加了“心跳”功能。在TCP 連接后，采用STM32F103ZE 定時(shí)器功能周期性的給監(jiān)控中心服務(wù)器發(fā)送“心跳”數(shù)據(jù)包監(jiān)控中心服務(wù)器收到“心跳”信號(hào)后，再給SIM900A 發(fā)送一個(gè)響應(yīng)信號(hào)，如此SIM900A 不僅能夠始終與監(jiān)控中心服務(wù)器連接，而且數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)不會(huì)降低，保證TCP 正常連接及GPRS 通信服務(wù)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系。

4 水質(zhì)環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

4.1 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的建設(shè)

4.1.1 確定傳輸方式

眾所周知，在傳統(tǒng)的環(huán)境在線儀器中，一般是需要專人對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行抄寫(xiě)的。因?yàn)樾枰斯?，所以需要花費(fèi)大量的實(shí)踐，而且因?yàn)槿藶橐蛩氐挠绊?，?shù)據(jù)的抄寫(xiě)也不一定能夠確保百分之百準(zhǔn)確。而且，過(guò)度依賴人工現(xiàn)場(chǎng)抄寫(xiě)數(shù)據(jù)，也會(huì)使在線儀器的自動(dòng)傳輸功能逐步喪失。所以，傳統(tǒng)的環(huán)境在線儀器不符合現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測(cè)的需要。在科學(xué)技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步的過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也得到了進(jìn)一步的發(fā)展?，F(xiàn)在，我國(guó)的水質(zhì)環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展飛速，特別是在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)建設(shè)方面。目前的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式，主要有電話線、局域網(wǎng)、GPRS網(wǎng)絡(luò)以及手機(jī)短信等這些傳輸方式。

為了確定合適的傳輸方式，首先需要明確各種數(shù)據(jù)傳輸方式的優(yōu)劣勢(shì)。然后根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際狀況，選擇最為合理的傳輸方式，以確保數(shù)據(jù)傳輸達(dá)到最好的效果。

4.1.2 確定監(jiān)測(cè)子站

根據(jù)上文中數(shù)據(jù)傳輸方式的優(yōu)劣勢(shì)分析，我們根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，選擇了最合理的傳輸方式之后，下一步就是確定監(jiān)測(cè)子站。監(jiān)測(cè)子站一次性可以傳輸較多的數(shù)據(jù)，一般情況下，對(duì)監(jiān)測(cè)子站使用的原則是就近原則。換言之，就是將距離較近的排污點(diǎn)布置在同一個(gè)監(jiān)測(cè)子站周圍。然后借助泵，可以使排污點(diǎn)污水流入監(jiān)測(cè)子站，從而進(jìn)行后續(xù)的監(jiān)測(cè)。所以，排污點(diǎn)到子站的距離必須合理控制好。為確定監(jiān)測(cè)子站，首先確定好數(shù)據(jù)的傳輸方式。然后，使各個(gè)子站和中心站與網(wǎng)絡(luò)互連。通過(guò)中心站進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布。授權(quán)用戶通過(guò)利用接入網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)，可以查找有關(guān)數(shù)據(jù)，這樣可以提高授權(quán)用戶查找數(shù)據(jù)的效率。

4.2 水質(zhì)環(huán)境在線監(jiān)測(cè)儀器的安裝

為了建設(shè)好的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，還需要在線監(jiān)測(cè)儀器的輔助，因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)需要數(shù)據(jù)支持。在線監(jiān)測(cè)儀器在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的過(guò)程中，對(duì)于儀器的選擇而言，這也是極為關(guān)鍵的。

4.2.1 儀器的選型分析

在線監(jiān)測(cè)儀器的選型中，使用較多的在線監(jiān)測(cè)儀器是PH計(jì)、流量計(jì)等。通過(guò)不完全調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前我國(guó)的水質(zhì)環(huán)境在線監(jiān)測(cè)儀器比較多，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的在線監(jiān)測(cè)儀器普遍能夠滿足一般的在線監(jiān)測(cè)需求。所以，我們需要做的是，先對(duì)儀器的性能有充分的了解之后，才進(jìn)行選擇。對(duì)于儀器的選擇，還需要注意確保測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。另外還需要注意購(gòu)買儀器所需費(fèi)用的多少等細(xì)節(jié)問(wèn)題。這樣，才能夠有利于后期的儀器維護(hù)，避免出現(xiàn)一些問(wèn)題。

4.2.2 對(duì)于在線取樣系統(tǒng)的建設(shè)

在線儀器的一個(gè)缺陷就是難以維持長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，往往需要大量的人力支持。究其原因，主要包括以下幾個(gè)方面。第一，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水位經(jīng)常變換，而且水中的雜質(zhì)較多。如此，泵頭堵塞就容易發(fā)生。另外，有時(shí)不能一次得到足夠容量的取樣，就需要人力清理。因此，會(huì)造成人力的浪費(fèi)。第二，在線儀器中，部分儀器需要全天候運(yùn)行，而且有些儀器本身對(duì)取樣環(huán)境的要求較高，消耗較大，而且對(duì)泵的要求較高。在監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)生改變的情況下，極可能造成水質(zhì)取樣的失敗，從而使在線取樣儀器不能正常工作。鑒于此，為了解決這個(gè)難題，我們可以通過(guò)設(shè)置自動(dòng)閥和自吸泵進(jìn)行組合來(lái)是實(shí)現(xiàn)在線取樣系統(tǒng)的功能。如圖2 所示，為某在線取樣系統(tǒng)的流程圖。

圖2 某在線取樣系統(tǒng)的流程圖

在線取樣系統(tǒng)的原理是儀器在啟動(dòng)前自控閥A 會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，自控閥B 此時(shí)是關(guān)閉的。

當(dāng)自來(lái)水流進(jìn)取樣系統(tǒng)的前邊時(shí)，泵頭部分流出。系統(tǒng)該部分主要功能是反洗泵頭和自動(dòng)灌引水。當(dāng)自動(dòng)閥A 關(guān)閉，自控閥B 以及泵啟動(dòng)。然后，水流通過(guò)濾池進(jìn)入取樣池。此時(shí)，自控閥B 以及泵自動(dòng)關(guān)閉。這樣，在線取樣系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)反復(fù)循環(huán)操作。

5 結(jié)論

水質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)λ|(zhì)24 小時(shí)在線監(jiān)測(cè)，從而掌握工業(yè)生產(chǎn)排污水質(zhì)的變動(dòng)狀況。這樣，方便水環(huán)境管理。實(shí)踐表明，水質(zhì)環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，可以為水環(huán)境污染做出預(yù)警，從而進(jìn)行應(yīng)急處理，改善水環(huán)境質(zhì)量。