（检测技术与自动化装置专业论文）城市雨污水管网水质监测系统的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 城市雨污水管网系统是城市基础设施中的一个重要组成部分，关系到城市的 生存和发展。随着经济的发展，人口的增长和城市的规模化，雨污合流制水管网 的老化以及监测技术的相对落后问题比较严重。面对新时期水利发展的形势和要 求，迫切需要建立现代化的管网运行调控系统，从技术层面上来讲，存在一些急 待解决的问题，主要集中在自动化程度低，以及信息处理的及时性与管理工作的 要求不相适应。本文针对这些亟待解决的技术问题，结合国家科技部重大专项课 题城市雨污水合流制管网改造、运行、调控技术示范课题，研究设计了城市 雨污水管网水质在线监测系统。 通过查阅文献，分析国内外现状，本文首先针对城市雨污水合流制管网改造、 运行、调控技术示范课题提出了系统总体层次结构的设计思想，把系统的架构根 据功能分为三层，最底层为现场监测终端层，中间层为区域监控层，最高层为城 市监控中心层，每一层都有各自具体的功能，各层之问相互联系，组成了集水质 监测、水质信息管理、管网运行调控为一体的综合系统。其中，现场监测终端的 软硬件设计是本文工作的重点。 在分析了嵌入式技术的优点，详细了解g p r s 网络的原理和特点的基础上， 本文提出了基于嵌入式技术和g p r s 技术的水质监测终端的设计方案。在该方案 中采用了三星公司的a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 1 0 作为现场监测终端的核心，完成对现 场水质传感器信号的采集及处理工作；在远程通信方面，由于g p r s 技术成熟、 实时性强、建设成本少、通信费用较低，故采用了g p r s 无线通信技术作为远程 传输的通信方式，g p r s 模块使用了西门子公司的m c 5 5 。m c 5 5 与$ 3 c 2 4 1 0 通 过串口连接，将监测数据封装成t c p i p 数据包，然后通过g p r s 网络接入i n t e r n e t 发送至上层监控中心。 本文对现场监测终端的软硬件技术的实现进行了深入的研究，硬件方面包括 处理器和g p r s 模块的分析选型，$ 3 c 2 4 1 0 芯片的电源、存储模块、键盘、l c d 等接口电路的设计，m c 5 5 的电源、串口、s i m 卡电路的设计，以及硬件功能的 调试等。软件方面包括了嵌入式l i n u x 系统移植的相关工作、驱动程序的编写、 应用程序的设计以及m c 5 5 实现g p r s 通信的a t 指令的设计。本文在最后还用 江苏大学硕士学位论文 一台p c 模拟了监控中心服务器，通过建立s o c k e t 实现了与监测终端的i n t e m e t 通信。 管网水质监测系统的设计方案广泛应用了榆测技术，计算机网络技术，通信 技术等多学科的综合技术，设计的在线监测系统实时性和可靠性较高，可以科学、 准确的实现对现场数据的实时在线监测。 关键词：水质监测，嵌入式，a r m ，g p r s ，l i n u x 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t u r b a nr a i n w a t e ra n ds e w a g ep i p en e t w o r ks y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to fu r b a n i n f r a s t r u c t u r e ，w h i c hi sr e l a t i o n s h i pt ot h ec i t y ss u r v i v a la n dd e v e l o p m e n t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fe c o n o m i c ，t h eg r o w t ho fp o p u l a t i o na n dt h es c a l eo ft h ec i t y t h e a g i n go fr a i n w a t e ra n ds e w a g ep i p e n e t w o r ka n dt h er e l a t i v eb a c k w a r d n e s so f m o n i t o r i n gb e c o m eas e r i o u sp r o b l e m i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fw a t e r r e s o u r c e sd e v e l o p m e n ts i t u a t i o n ，o b v i o u s l yn e e d i n gt oe s t a b l i s ham o d e mr e g u l a t o r y p i p en e t w o r ks y s t e mi nn e wp e r i o d b u tt h e r ea r es t i l l s o m ep r e s s i n gp r o b l e m s a s t e c h n i c a l l ys p e a k i n g ，w h i c hc o n c e n t r a t e di n t h el o wa u t o m a t i o n ? t h et i m e l i n e s so f i n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga n dt h en e e d so fm a n a g e m e n tc a nn o tm e e t t os o l v et h e s e p r e s s i n gp r o b l e m s ，w ec o m b i n es p e c i a li s s u e so fm a j o ro ft h em i n i s t r yo fs c i e n c e ， w h i c hm e a n sm o d e li s s u e so fu r b a nr a i n w a t e ra n ds e w a g ep i p en e t w o r ks y s t e mw i t h n e wt e c h n o l o g yo ft r a n s f o r m a t i o n ，r u n n i n ga n dc o n t r o l l i n g ? f o rd e s i g n i n gw a t e r q u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mo fu r b a nr a i n w a t e ra n ds e w a g ep i p e t h r o u g hs e a r c h i n gp l e n t yo fd o c u m e n t s a n da n a l y z i n gt h es t a t u so ft h eo v e r s e a s ， t os o l v et h ep r e s s i n gp r o b l e mo fm o d e li s s u e so fu r b a nr a i n w a t e ra n ds e w a g ep i p e n e t w o r ks y s t e m p r o p o s i n gt h ed e s i g no fo v e r a l ls y s t e mh i e r a r c h y , t h es t r u c t u r eo ft h e s y s t e mi s d i v i d e di n t ot h r e el a y e r sa c c o r d i n gt of u n c t i o n t h eb o t t o ml a y e ri s m o n i t o r i n gt e r m i n a l ，t h em i d d l el a y e ri sr e g i o n a lm o n i t o r i n g ，a n dt h et o pl a y e ri s u r b a nm o n i t o r i n gc e n t e r e a c hl a y e rh a si t so w ns p e c i f i cf e a t u r e s ，a n dt h e r ei s i n t e r a c t i o nb e t w e e nl a y e r s ，w h i c hf o r ma ni n t e g r a t e ds y s t e mw i t hw a t e rq u a l i t y m o n i t o r i n ga n dw a t e rq u a l i t yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ta n dn e t w o r ko p e r a t i o nc o n t r 0 1 t h i sd i s s e r t a t i o np a y sa ni m p o r t a n ta t t e n t i o nt oh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h e w a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e m i nt h e a n a l y s i so ft h ea d v a n t a g e s o fe m b e d d e dt e c h n o l o g ya n dd e t a i l e d u n d e r s t a n d i n go ft h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fg p r sn e t w o r k ，t h i sd i s s e r t a t i o n p r e s e n t st h ed e s i g no fw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n gt e r m i n a l a r m 9c h i p s $ 3 c 2 4 10i s a d o p t e da st h ec o r eo fm o n i t o r i n gt e r m i n a li no r d e r t oa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gf i e l d 江苏大学硕士学位论文 s e n s o r s s i g n a l g p r sn e t w o r kh a sm a n ya d v a n t a g e si nr e m o t ec o m m u n i c a t i o n g p r si sam a t u r en e t w o r kw h i c hh a sb e t t e rr e a l t i m ep e r f o r m a n c ea n dl e s sc o s to f c o n s t r u c t i o n g p r sm o d u l em c 5 5c o n n e c tw i t h $ 3 c 2 410b ys e r i a li n t e r f a c e s e n s o r s i g n a l sa r ep r o c e s s e db ya r m 9p r o c e s s o r $ 3 c 2 4 10 ，a n dt h e ne n c a p s u l a t e di n t o t c p i pd a t ap a c k sb yg p r sm o d u l em c 5 5 t h r o u g hg p r sa c c e s s i n gt h ei n t e m e t ， t h e s ed a t ap a c k sa r et r a n s m i t t e dt ot h em o n i t o r i n gc e n t e r t h ed e s i g no ff i e l dw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n gt e r m i n a lm a i n l yi n c l u d e st w op a r t s ： h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n h a r d w a r ed e s i g ni s m a i n l ya b o u ti n t e r f a c e c i r c u i to f $ 3 c 2 410a n dm c 5 5 ，s u c ha sp o w e rs u p p l yc i r c u i t ，m e m o r yc i r c u i t ， k e y b o a r dc i r c u i t l c dc i r c u i t ，s e r i a lp o r tc i r c u i t ，s i mc a r dc i r c u i ta n dh a r d w a r e f u n c t i o nt e s t i n ga l s o s o f t w a r ed e s i g ni n c l u d el i n u xs y s t e mt r a n s p l a n t a t i o n ，d r i v e r s a n da p p l i c a t i o n sd e s i g n ，a tc o m m e n d sf o rg p r sc o m m u n i c a t i o n t h r o u g hu s i n gp c t os i m u l a t et h em o n i t o r i n gc e n t e rs e r v e r , t h em o n i t o r i n gt e r m i n a lc o m m u n i c a t e sw i t h s e r v e rs u c c e s s f u l l yb ys o c k e t t h ed e s i g ns c h e m eo fw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mw i d e l ya p p l i e dd e t e c t i o n t e c h n o l o g y ，c o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n do t h e r c o m p r e h e n s i v et e c h n o l o g y t h i ss y s t e mi sar e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hh a s h i g hr e l i a b i l i t y i tc a nm o n i t o rf i e l dw a t e rq u a l i t yd a t as c i e n t i f i c a l l ya n da c c u r a t e l y k e yw o r d s ：w a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n g ，e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，g p r s ，l i n u x 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 学位论文作者签名之易 签字同期：洌。年参月fd 师签名：函腹笈 字日期：矽年石月加f i 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：力、荔 日期：m 旧年易月i o 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景及意义 本课题研究的“城市m 污水管网水质监测系统”是国家水体污染控制与治理 科技重大专项“高截污率城f h 陌污水管网建设、改造和运行调控技术研究与工程 示范课题”( 课题编v r j - ：2 0 0 8 z x 0 7 317 - 0 0 1 ) 的重要组成部分。 城市排水管网系统是城市基础设施中的一部分，关系到城市的生存和发展。 改革丌放以来，随着经济的发展，人口的增k 和城订的规模化，城市的原有排水 管网系统丌始曲i 临着越米越大的威胁，阿污合流管网系统存在溢流污染严重、纳 污水体水质差以及老城区合流管嗍改造技术单一等问题。特别是雨污合流水管网 的老化以及监测技术的棚对落后问题比较严f 重。虽然我国的水质监测体系和能力 都有了一定的基础，但面对新时期水利发展的形势和要求，还存在一些急待解决 的问题。从技术层面上来讲，主要集中在自动化程度低，以及信息处理的及时性 与管理工作的要求不相适应随个方i l t i 。 当今世界上很多困家都建立了以监测水质污染综合指标及某些特定项目为 基础的水质自动豁测系统。它能对水质水样进行实时，快速，高精度的分析，并 把分析结果数据通过有线或无线网络传输到监控中心，方便了管理人员及时了解 水质水情，准确合理的对管网运行状态进行调控l 列。为了实现对合流管网的有效 调控，有必要研究改造后合流管网全流程的水质水量监测技术，同时实现污染物 排放的预警技术；研究雨污水管道状况监测技术，以利于管道淤积、渗漏、堵塞 等状况的发现与问题的解决；在以上研究基础上，构建数字化城市排水系统，为 构建数字城市，促进城市管理水平提供技术依据l j j 。 随着近年来计算机和通信技术的迅速发展，广泛应用自动监控、网络与通信、 数据库技术、地理信息系统、数据分析与挖掘、决策支持系统等现代化技术手段 和方法，对改造后合流管网系统实行实时监控，建立水量水质调控应用系统。结 合相关业务属性数据以及区域内自然、经济、社会等要素从而构建一体化的数字 集成平台，加强信息化支持下的合流管网监管能力和执法能力；结合合流管网改 造管理的业务需求，对合流管网建设、改造、运行数据和业务要求进行深入分析 和挖掘；以功能强大的系统软件和数学模型群对合流管网系统管理的各种方案进 江苏大学硕士学位论文 行模拟、分析和研究，最大限度地实现污染源管理的数字化、网络化和智能化， 这对于合流制管网的改造和运行调控具有非常深远的意义。 1 2 管网水质监测的现状及趋势 1 2 1 雨污水合流制管网的状况 在我团城市排水系统建设过程中，最初采用的排水体制基本上均为合流制排 水系统。随着合流制系统排出的混合污水对水体污染的加剧，很多城市开始对合 流制管道系统进行改造。合流系统改造后雨污合流水的水质监测和溢流污染控制 技术是影响溢流污染的一个主要因素。目前，合流制管网改造中的溢流污染问题 在我国尚未引起足够的重视，相应的技术研究和设备研制还很缺乏。因此，开发 适合中国具体情况的合流管网改造溢流污染控制技术，从而可以有效防止合流管 网溢流污染对城市河道的污染，并大大提高城市河道的景观功能。对合流制系统 雨天溢流污染的控制主要对策是，减少进入排水系统的雨天径流水量及对雨天溢 流进行处理。这些做法与英国、法国等发达国家的策略是一致的，英、法两囤的 大部分城市均保留了合流制体系，泰晤士河和莱茵河的水体都得到了很好的保 护，主要措施是在源头控制面源污染并保证旱流污水的收集处理率。这就要求必 须有相关的管网水质水量监测系统等配套系统和没施，才能做到有理有利有节。 1 2 2 管网水质监测的方法及现状 水质自动监测技术涉及化学分析技术，检测技术，计算机网络技术，通信技 术等多学科的综合技术。它通过高度自动化的水质监测系统，采集定点水域水样， 测定水质参数及将检测数据发送给水质监测中心。 水质自动监测在二十世纪中期还处于一个不发达的阶段。那时的监测时间间 隔较长，一般是每月数次，监测方法多是人工操作，这样的监测工作不能及时的 反映水质的连续动态变化，而且也不易发现由于偶尔事件引起的水质的急剧变 化，因而这样的监测工作对于及时发现污染源，准确预报水质均有很大制约。 国外对于管网水质在线监测系统的建设比较早，美国、同本以及西欧等经济 发达国家在环境自动监测技术研究和应用方面一直走在前面，特别是2 0 世纪7 0 年代，水质自动监测技术有了很大的发展，发达国家在对河流湖泊等地表水实现 了自动监测的同时也对城市和企业的生活用水及污水实现了在线监测，监测的项 2 江苏大学硕士学位论文 目也从常规的水温、浊度、电导率、p h 值、溶解氧、氨氮等指标扩展到生物需 氧量、化学需氧量、总磷、总氮、总有机碳、铅、汞等重金属指标等，监测项目 r 趋增加引。美国于1 9 7 5 年就建立国家水质监测网，对污水、地下水、地表水 这三类水质进行豁测1 6 i 。 f 1 前，世界 ：很多国家都建立了以监测水质污染综合指标及某些特定项目为 基础的水质自动监测系统。它能对水质水样进行实时，快速，高精度的分析，并 把分析结果数据通过有线或无线网络传输到监控中心。r 本大阪水质在线监测系 统是将大阪所管辖区域内的河流、湖泊、下水道、工厂废水排水口设置水质监测 设备并联网，使政府环保部门能实时掌握所管辖地方所有水源和排污口的水质状 况，同时向所管辖地区的居民提供实时水质数据【7 j 。如果一旦发生水质污染事故 等异常情况，则! 葬故的种类、影响区域等信息通过系统的通信网络传到中央控制 室，为有天部f j 掌握污染的性质状态、制定对策提供依据。 因内对于管网水质的监测，j ：作传统上还足采用人工巡检的方式。这种管网水 质监测的方法存在着一定的弊端，及时性，全局性和连续性较差，人为误差也比 较大| 8 l i 叭。我国对于水质自动监测的研究始7 ：8 0 年代，用于对一些重点水域和大 型企业的污水的监测和管理。近年来，随着经济的发展及环保形势的严峻，在消 化吸收了困外的一些先进技术的基础上，我国也根据一些国内的特殊情况研究开 发了一系列的监测设备和监控系统，在一些大城市的生活用水和污水水质监测方 面发挥了重要的作用。但从全国范围来看，由于地域差别和经济差异，各省市的 监测水平差异较大，同时在线监测数据联网存在的问题也较多，数据传输方式落 后，成本较高，系统运行不稳定，故障率高，无法满足高性能、稳定性的要求， 数据分析处理与管理，决策支持等方面还存在诸多缺陷和不足。 1 2 3 管网水质监测的发展趋势 当今世界的水质监测在规模、手段、监测数据的后期处理及预测等各方面都 在取得同新月异的进步。随着化学分析技术，检测技术，计算机技术，通信技术 的快速发展，未来的水质监测发展趋势会体现在以下几个方面： 1 嵌入式技术的应用 近年来，嵌入式操作系统和微处理器飞速发展，给嵌入式系统的发展提供更 高的要求、也为其功能创新注入活力。嵌入式技术所特有的软硬件可裁剪，功能 江苏大学硕士学位论文 全，体积小，功耗低，可靠性高的特点使得嵌入式设备几乎应用到了生活各个方 面，包括手机、掌上电脑、机项盒、汽车电子、自动售货机、医疗仪器等。应用 嵌入式技术的水质监测设备和产品也已日益成熟，水质监测设备也向着便携，多 功能，多参数，低功耗的方向发展i l o l 。 2 数据通信的无线接入 由于各种信号处理、传输的新技术的出现和蓬勃发展，使得监测系统的设计 以及实现的方法趋于多样化。通用分组无线业务( g p r s ) 技术的发展成熟，实时 在线、按流量计费、快捷登陆、高速传输、自由切换的特点使得分布偏僻的站点 在线监测成为可能，并且随着第三代移动通信技术的发展，监测数据的远程传送 会更加方便快捷。 3 先进的监测技术与先进的信息管理技术相结合 随着水质监测技术迅速发展，仪器分析、计算机控制等现代化手段在水质监 测中得到了广泛应用。分析方法从分光光度法、电位法发展到原子吸收法、原子 荧光光谱法、气相色谱法和液相色谱法等；手动和半自动实验方法、仪器也f 逐 步被计算机控制的自动监测、遥测装置所代替。然而，2 1 世纪的水利水质监测任 务是以流域或区域水环境为主要研究对象的系统化工程，水质监测技术仅仅是系 统工程中的基础组成部分，更为繁重的工作是将这些监测数据进行必要的信息化 处理，构筑全国性的水质站网和监测信息中心；将遥感遥测技术、地理信息系统、 网络通信技术、数据库技术和管理信息系统应用于环境监测中，建立以综合指标 及其特定项目为基础的在线监测信息系统；将各级监测中心的数据进行统计、分 类和组合，建立水体分析模型综合分析预测，为水资源的开发利用、优化调度和 水环境的保护管理提供决策性的依据。 1 3 本课题研究的主要内容及论文结构 城市雨污水合流制管网改造、运行、调控技术示范课题是一项庞大而又纷杂 的工作，其中管网水质的在线监测是一项比较重要的任务。在分析了国内外水质 监测的背景和趋势情况下，本文对监测系统的层次结构和功能进行了设计，提出 了基于嵌入式技术和g p r s 技术的水质监测终端的设计方案。现场的监测站点对 管网水体进行采样，嵌入式监测终端对传感器及各检测仪的信号进行分析处理， 4 江苏大学硕士学位论文 通过无线通信将监测终端的实时数据传送到监控中心，而后将监测到的数据保存 到数据库中，监控中心也可以通过无线通信对现场的仪器设备发送控制指令。主 要研究工作集中在以下方面： ( 1 ) 现场嵌入式监测终端的硬件设计，包括电源电路、存储模块电路、 r s 2 3 2 r s 4 8 5 接n 电路、l c d 接口电路、键盘连接电路、u s b 接口电路、j t a g 接门电路及g p r s 模块相关接口的设计等。 ( 2 ) 嵌入式系统的软件设计，包括嵌入式l i n u x j l ：发平台的搭建，内核的移 植及驱动程序和通信子程序的编写等。 ( 3 ) 现场监测终端与上层监控中心的远程通信，采用了g p r s 接入i n t e r n e t 的方法进行远程数掘的传输。 ( 4 ) 上位机部分监测软件的设计，包括建立s o c k e t 完成数据监听和接收等。 本论文共分为六章，第一章为绪论部分，简要介绍课题的背景意义、研究现 状和趋势；第二章介绍系统的总体设计和应用到的相关技术；第三章对监测终端 的硬件电路设计做了比较详细的说明；第四章对监测终端的嵌入式系统和软件设 计进行系统的介绍；第五章介绍上位机通信和监控软件的相关设计；第六章是对 全文的总结与展望。 江苏大学硕士学位论文 第二章监测系统的总体设计 2 1 系统的层次结构及功能 管网水质的在线监测是城市雨污水合流制管网改造、运行、调控技术示范课 题的重要组成部分。水质监测系统的设计，应该充分考虑课题所要解决的问题， 剖析系统所要实现的功能，并综合考虑应用实际进行设计。管网水质监控中比较 重要的问题是监测点的分布比较广，比较分散，而同常管网的水质水情监测及运 行和调控等必须进行集中、统一、规范的管理i i 。市级的监控中心是在对各监 控站的监测数据统计和分析的基础上管理和调控其管辖范围内管网的运行，而监 控站的盟测数据则是来自现场水质监测终端。因此，为了满足管理需求，监测系 统设计成三层结构，最底层为现场监测终端层，中间层为区域监控层，最高层为 城市监控中心层。结构图如图2 一l 所示。 城市监控目臼田冒 巾一心层 公j 训i h 务器柏扑雌符器 ”：i 群豁摔j ：作站豁拧j ：作站监挖1 。作站 l , i i = = j 盛撼囡| i 撼臼 ；i ：i 拧眦务器船柠i 什站 ：一 e = ：ii = = = = = 盈 “城h 现场层 现场监测 站点 现搿 蒙 图2 1 管网水质监测系统架构图 6 鬈，太 盒笑 江苏大学硕士学位论文 系统的设计融合了现代传感与检测技术，自动控制技术，计算机技术，通信 技术等，使得监控中心的管理人员对管网现场的水质水情和管网运行情况得到及 时的了解，并借助管理软件实现对管网运行的优化调控。系统主要实现以下功能： ( 1 ) 现场数据采集和上报，数据的分析和处理。 ( 2 ) 监测数据信息的接收、保存、查询，报表的生成处理，信息的网上发 布。 ( 3 ) 通过地理信息系统和决策支持系统的技术支持，对管网运行情况的实 时监测和预测，实现优化调控。 监测系统的三层结构设计使得总体功能能够满足实际需要，下面分别说明系 统各层的具体功能和设计方案。 2 1 1 现场监测终端层 现场监测终端层位于监测系统三层结构的最底层。监测终端安装于监测站现 场，是水质监测数据的直接来源。每个水质监测终端自成系统能够独立工作，现 场监测终端结构如图2 2 所示，主要由以下3 部分构成： ( 1 ) 水质自动检测仪器设备，包括各种水质指标和状态指标监测仪及传感 器。 ( 2 ) 水质监测终端嵌入式控制系统。 ( 3 ) g p r s 远程通信模块。 e 0 e m b e d d e d 刊篇s y s t e m 图2 - 2 监测终端结构图 作为管网水质监测系统的底层现场部分，水质监测终端的控制系统是终端的 核心，它负责接收来自上层监控中心的命令，控制现场监测设备的运行并将监测 到的实时水质状态数据处理后通过g p r s 骨干网接入i n t e m e t 网将数据传送至监 控中心【1 羽。 江苏大学硕士学位论文 考虑到监测终端的性能，要求水质监测的连续性和自动化；数据处理的准确 性、实时性；通信的及时性、可靠性以及简便的人机交互性能。监测终端的设计 可以按功能分为以下部分： ( 1 ) 实时数据的获取 各种水质状态传感器或自动监测仪负责对水体的水质和状念指标进行实时 的监测。 监测的水质指标主要包括：水温、p h 值、溶解氧( d o ) 、电导率、浊度、 氨氮( n h 3 一n ) 、总磷( t p ) 、总氮( t n ) 、总有机碳( t o c ) 、化学需氧量( c o d ) 等。 监测的状态指标包括：流量，流速，水位。 常规血参数的检测有独立的传感器，也有多参数传感器，一般使用1 0 - - 一3 6 v 的直流电源供电，提供标准的模拟输出为4 2 0 m a 电流信号。化学需氧量，总 有机碳，氨氮，总磷，总氮的检测一般需采用自动监测仪，使用2 2 0 v 交流电供 电，支持串口传送数据。传感器的模拟通道的信号经过调制、a d 转换后得到采 样数据，支持串口通信的检测仪器可以用串行总线连接到处理器的串口，处理器 通过读串口获得监测数据。 ( 2 ) 数据的处理 处理器得到的数据只是一连串的二进制代码，并不具有实际的物理意义，需 要对这些数据进行相应的处理，转化为与监测仪器的量程相对应的具有实际意义 的数值，同时需要把这些数据以一定的数据包的格式传送给远程通信模块。 ( 3 ) 数据的上传 监测终端获得即时的水质监测数据后需要把这些数据上传到区域监控层，这 里就会遇到数据通信方式的选择问题。由于监测站点与上层监控层距离比较远， 所以可以选择宽带光纤通信或者g p r s 无线网络通信。 光纤通信的优点是频带宽，传输速率高，抗干扰性强，适合上层通信网络和 大批量的数据传输，但是安装结构受限并且成本较高。而g p r s 无线通信恰能适 应监测站点分布广且比较分散，部分站点也比较偏僻这一特点，并且足够满足监 测终端小流量，骤发性的数据传输。 考虑到以上诸方面因素，监测终端的监测数据是通过g p r s 骨干网接入 8 江苏大学硕士学位论文 i n t e m e t 网的方式传送至上层监控层。 ( 4 ) 人机交互 监测站点现场的监测终端一般是工作在无人值守的自动运行状态，但是为了 方便对监测终端进行手动的设置和数据查询，监测终端就必须具有简单的人机交 互功能，包括键盘输入和液晶显示两部分。用户可以对监测终端的一些基本参数 进行手动设置，包括监测项目、采样周期、数据上传周期和报警设置等，用户也 可以通过液晶屏直接了解当时的水质水情和奄阅近期历史数据。 水质监测终端层在整个监测系统中起着至关重要的作用，监控中心的水质数 据都直接来源于此，所以当与监控中心通信发生异常时，水质监测终端应具备独 立工作的能力，将该监测点近期监测的数据自动存储在本地存储器，且保证掉电 后数据不会消失。 2 1 2 区域监控层 区域监控层是水质监测系统的中问层，介于现场层和城市监控中心层之间， 它是上下层之间信息传递的纽带。该层主要由监控计算机、服务器及一些网络设 备构成，通过城市成熟的光纤网络接入i n t e m e t 。区域监控层的主要功能包括以 下几方面： ( 1 ) 通过建立s o c k e t ，从i n t e m e t 接收现场层的监测数据，对数据解包提取 有效数据13 1 。经过预处理后，对于一些明显错误的数据，例如超过监测仪量程 范围数值的数据进行剔除，并将正常的数据写入本地数据库以备查询。 ( 2 ) 监控计算机将最新的水质监测信息及时通过i n t e m e t 上传至城市监控中 心服务器，并接受来自城市监控中心的管理和调控指令。 ( 3 ) 区域监控层负责管理该区域内的所有现场监测终端的运行情况，并能 在不同现场站点之间切换管理，获取不同站点信息。 区域监控层实现了所辖区域内实时监测数据的汇总，以及对现场站点管理的 作用，方便了监控中心对各站点监测数据的分类和处理，减轻了监控中心对现场 站点的管理负担，从而使得城市监控中心更好的对管网水质水量变化情况进行预 测，优化管网的运行调控。 9 江苏大学硕士学位论文 2 1 3 城市监控中心层 城市监控中心层是监测系统的最高层，通过成熟的公用互联网与区域监控层 进行数据交换，获得城市区域内所有监控点的管网水情。中心内部配备监控服务 器、数据库服务器和若干监控工作站，利用局域网实现数据的共享。实现模拟屏 数据实时显示，历史数据记录、查询、发稚等功能。同时，监控中心具有决策支 持系统( d s s ) 的软件支持，在对历史数据分析的基础上进行预测，根据城市实 际情况开发南污水排放优化调度模型，实现管网的泵站和闸站的远程优化调度运 行。并在地理信息系统( g i s ) 平台上将各个监测站点实时采集到的监测数士i ；! ：和 泵站闸站的调度信息与各自的地理信息捆绑，使得在监控中心进行管网的调度更 加直观形象。 城市监控中心对管网的调度既依赖于现场水质水情的实时监测数据，也离不 开地理信息系统和决策支持系统的软件支持，下面简要说明一下地理信息系统和 决策支持系统。 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) ： 有时又称为“地学信息系统”或“资源与环境信息系统”。它是一种特定的十分 重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表 层空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述 的技术系统。地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系， 包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在 一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。 g i s 的操作对象是空间数据，即点、线、面、体这类有三维要素的地理实体。空 间数据的最根本特点是每一个数据都按统一的地理坐标进行编码，实现对其定 位、定性和定量的描述、这是g i s 区别于其它类型信息系统的根本标志，也是 其技术难点之所在。g i s 的技术优势在于它的数据综合、模拟与分析评价能力， 可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息，实现地理空间过程演化 的模拟和预测。 决策支持系统【1 5 】( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，d s s ) ： 是辅助决策者通过数据、模型和知识，以人机交互方式进行半结构化或非结 构化决策的计算机应用系统。它是管理信息系统( m i s ) 晦j 更高一级发展而产生的 l o 江苏大学硕士学位论文 先进信息管理系统。它为决策者提供分析问题、建立模型、模拟决策过程和方案 的环境，调用各种信息资源和分析工具，帮助决策者提高决策水平和质量。随着 决策支持系统的不断发展，把数据仓库、联机分析处理、数据挖掘、模型库、数 据库、知识库结合起来形成的综合决策支持系统能够实现更有效的辅助决策。 如果说现场监测终端是监测数据的起点，那么城市监控中心作为整个监测系 统的最高层则可以说是监测数据的终点，监控中心通过对即时水质状态数据的分 析结果实现埘管网的优化调度。 2 2 水质指标的常规监测项目及检测原理 管网水质在线监测系统是一个多监测项目的监测系统，对水体的一些常规指 标进行监测，包括状态指标如流量、流速、水位，水质指标如水温、p h 值、溶 解氧( d o ) 、电导率、浊度、氨氮( n h 3 - n ) 、总磷( t p ) 、总氮( t n ) 、总有机 碳( t o c ) 、化学需氧量( c o d ) 掣1 6 1 。水体中的污染物质主要包括有机物、无 机物和细菌三大类【1 7 1 ，有机物和无机物污染指标是我们重点监测的目标，其中 一些项目的检测工艺和方法比较复杂，对于这些项目的监测使用了自动监测仪， 下面对这些水质指标的检测原理和方法简要做一下介绍f 1 引。 ( 1 ) t p 磷含量是表示水中磷化合物在水中存在的形式和浓度。t p 含量是重要水质 指标之一。 测定方法：氯化亚锡还原光度法。 方法原理：酸性条件下，正磷酸盐与钼酸铵及氯化亚锡反应生成蓝色络合物， 在7 0 0 n m 处测量其吸光度。 ( 2 ) t n 氮的含量是表示水体中含氮化合物在水中存在的形式和浓度。t n 含量也是 重要水质指标之一。 测定方法：光度法。 方法原理：以过硫酸钾氧化水样，使有机氮化合物转变为硝酸盐后，用紫外 分光光度法进行测定。 ( 3 ) n h 3 - n 江苏大学硕士学位论文 氨氮含量指水中游离氨和铵盐的浓度。 测定方法：纳氏试剂比色法。 方法原理：水样中的氨与碘化汞和碘化钾的反应生成淡红棕色胶念化合物， 其在4 2 0 n m 处具有最大吸收，通过测其吸光度得出浓度，在4 1 0 - - 4 2 5 n m 范刚内 进行检测。 ( 4 ) t o c 水中的有机物质的含量，以有机物中的主要元素碳的含量来表示，称为总有 机碳。 测定方法：燃烧氧化一红外吸收法。 方法原理：水样在进样装置中酸化后，将无机碳变成二氧化碳，通过氮气除 去二氧化碳，酸化曝气后，有机物在6 8 0o c 温度下密封燃烧氧化成二氧化碳， 然后用红外线检测仪检测计算出水样中的t o c 。 ( 5 ) c o d 化学需氧量是指在一定条件下，采用一定的强氧化剂处理水样时所消耗的氧 化剂量，它是表示水中还原性物质多少的一个指标。当以重铬酸钾作为氧化剂时， 化学需氧量表示为c o d c ，当以高锰酸钾作为氧化剂时，化学需氧量表示为 c o d m n 。 c o d c ，的测定原理是在酸性条件下，将水样中有机物和无机还原性物质用重 铬酸钾氧化，测定氧化剂消耗的量。 2 3 监测系统的相关技术 本章的第一节已经介绍了管网水质监测系统的层次结构以及各层的功能。水 质监测终端作为系统的底层需要完成数据采集、处理、上传的任务，本文对监测 终端做了详细介绍，特别是终端的控制系统和通信模块的设计，本节将对监测终 端的设计中的相关技术进行一些说明。 2 3 1 基于a r m 和l i n u x 的嵌入式系统 从2 0 世纪7 0 年代初微处理器诞生的同时就出现了嵌入式系统( e m b e d d e d s y s t e m s ) ，面向2 1 世纪的科技发展，嵌入式系统开始进入到i t 时代，并且稳健 发展，逐步形成一个主流。嵌入式系统的定义并不统一，国际电气和电子工程师 1 2 江苏大学硕士学位论文 协会( i e e e ) 给出的定义是：嵌入式系统是用于控制、监视或者辅助操作机器 或设备的装置。这种定义说明嵌入式系统是用于完成什么工作的。另外一种目前 比较流行的定义是：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件 可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用 计算机系统l 侈】。它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新，基于硅 片的知识集成系统。嵌入式系统已经成为后p c 时代的宠儿，普遍应用于国防电 子、数字家庭、工业自动化、汽车电子、医学科技、消费电子、无线通信、电力 系统等国民经济的各个行业。形式多样的嵌入式设备不仅仅丰富了人们的应用， 而且与移动通信、传感器网络等技术一道，改变了现有的计算环境2 叭。 嵌入式系统广泛应用的同时，与通用台式计算机系统的丌发相比较，在软硬 件设计方面也有许多特殊要求和特点，主要体现在以下几方面。 ( 1 ) 系统的实时性、低功耗、小体积、低成本的要求。 ( 2 ) 软件要求固态化存储，软件代码高质量、高可靠性。 ( 3 ) 嵌入式系统软件需要实时操作系统丌发平台。 ( 4 ) 嵌入式系统丌发需要特定的开发工具和环境，开发人员以应用专家为 主。 嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用 户的应用程序等部分组成1 2 。 嵌入式系统的处理器可以分为下面几类： ( 1 ) 嵌入式微控制器m c u 嵌入式微控制器又