（控制理论与控制工程专业论文）水质远程监测数据采集系统设计.pdf

大连理= 大学硕七学位论文 摘要 当今世界的水环境面临两大问题：水资源短缺和水污染加重。造成水污染的主要原 因是工业废水、农时排水以及城乡生活污水向江河湖海及土壤中大量排放，使地面水和 地下水水质同趋恶化，更加剧了水资源的紧张，严重制约了经济的发展和危害着人类的 健康。因此及时的对企业废水，城乡污水以及一些河流污染源的定期实时监测管理成为 我们当今环境保护的重要工作。 目前我国的水质监测多采用人工操作，技术难以满足水质监测的需要。针对我国的 水质监测现状，为了更有效地实现对水环境管理和监测工作，本文论述了一种水质远程 监测数据采集系统。本系统的使用将有助于水质监理的科学化和精确化，提高了水质监 理的信息化水平，并最终达到水质监理监测自动化、信息化和现代化的目的。 本文设计的系统由两个部分组成，即监测现场部分和水质监测中心部分。监测现场 主要由现场水质监测采集模块和r t u 模块组成。水质监测中心则是装有环保综合管理 信息系统软件的计算机，负责监测数据的调取，建立相应的数据库，对数据进行统计管 理。最后将监测数据上传到高级管理部门计算机。 在水质数据采集系统中包括对p h 、电导率、c o d 、温度、硝酸根离子、氯离子、 氧离子、钾离子等项目进行监测。其中p h 是水溶液最重要的物理化学参数之一，儿涉 及到水及溶液的自然现象、化学变化以及生产过程都与p h 有关。针对现代水环境监测 的要求，本文在设计水质监测数据采集系统中重点对环境水质p h 值监测采集模块进行 了研究和开发。利用c y g n a l 8 0 5 1 单片机通过传感器对水质p h 值进行数据采集，此装置 带有r s 4 8 5 总线可与r r o 模块相连实现水质远程监测数据采集任务。通过系统调试， 实现了数据的即时收发，达到了预期目标，证明了本系统的可行性。 关键词：p i t ；c y g n a l 8 0 5 1 单片机；g s m ；远程监测 大连理 大学硕士学位论文 d e s i g n o ft h ew a t e rq u a l i t yr e m o t e m o n i t o r i n ga n dd a t ac o l l e c t i n g s y s t e m a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h es h o r t a g eo f w a t e rr e s o u r c e sa n di n c r e a s i n g l yw a t e r p o l l u t i o na r et w ob i g p r o b l e m se n c o u n t e r e di nw a t e re n v i r o n m e n t t h em a i nr e a s o ni st h a ti n d u s t r i a lw a s t e w a t e r , f a r m l a n dd r a i n a g ea n du r b a na n dr u r a ls a n i t a r ys e w a g ea r ed i s c h a r g e di n t or i v e r s ，l a k e sa n d s e a s ，w h i c ha r ed e t e r i o r a t i n gw a t e rq u a l i t yd a yb yd a y ，b e s i d e s ，t h e yh a v ei n t e n s i f i e dw a t e r r e s o u r c e sa n x i e t y ，s e r i o u s l yr e s t r i c t e de c o n o m i c a ld e v e l o p m e n ta n dg r e a t l yh a r m e dh u m a n s h e a l t h n o wt h em o s ti m p o r t a n tw o r kw es h o u l dd oi st od e t e c ta n dc o n t r o lt h ep o l l u t i o n s o u r c e so fi n d u s t r i a lw a s t e w a t e r ，f a r m l a n dd r a i n a g ea n du r b a na n dr u r a ls a n i t a r ys e w a g e r e g u l a r l y a tp r e s e n t ，m o s to ft h o s ew a t e r q u a l i t ym o n i t o r i n gw o r ki no u rc o u n t r yi sm a n u a l ，w h i c h i sh a r dt os a t i s f yt h et e c h n i c a ln e e d t h i ss t u d yp r o v i d e sar e m o t ew a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n g d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mt om a k et h ej o bm o r ee f f e c t i v e l y t h eu s eo ft h es y s t e mw i l lb e h e l p f u lt om a k et h ew a t e rq u a l i t ys u p e r v i s i o nm o r es c i e n t i f i c l ya n dp r e c i s e ，i m p r o v et h e i i l f o r m a n i z a t i o nl e v e l ，a n dr e a l i z ea u t o m a t i z a t i o na n dm o d e m i z a t i o no ft h ew o r k t h i ss y s t e mc o n s i s t so ft w om a i np a r t s ，w h i c ha r em o n i t o r i n gs c e n ea n dw a t e rq u a l i t y d e t e c t i o nc e n t e r m o n i t o r i n gs c e n ei sc o m p o s e db yw a t e rq u a l i t yd e t e c t i o na n dd a t a a c q u i s i t i o nm o d u l ea n dr t um o d u l e w a t e rq u a l i t yd e t e c t i o nc e n t e ri sac o m p u t e rl o a d e d w i t he n v i r o n m e n tp r o t e c t i o ni n t e g r a t e dm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，w h i c hw i l ld i s p o s e t h es u p e r v i s i n gd a t a ，b u i l dc o r r e s p o n d i n gd a t a b a s e ，m a n a g ea n dc o n t r o la l lt h ed a t a s t h e n ，i t w i l lu p l o a dt h ei n f o r m a t i o nt ot h es e n i o rm a n a g e m e n tc o m p u t e r w a t e rq u a l i t ya c q u i s i t i o ns y s t e mc a nd e t e c tl o t so fp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gt h ev a l u eo fp h ， c o n d u c t i v i t y ，c o d ，t e m p e r a t u r e ，n i t r a t er a d i c a li r o n ，c h l o r i d ei r o n ，o x y g e ni r o na n d p o t a s s i u mi r o n ，t h ev a l u eo fp hi st h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e ra m o n g s t t h i ss t u d yp a y s m o r ea t t e n t i o nt od e s i g na n dd e v e l o pt h ev a l u eo fp ha c q u i s i t i o nm o d u l ea c c o r d i n gt ot h e r e q u e s t c y g n a l 8 0 5 1s c mi su s e dt oc o l l e c tt h ed a t at h r o u g has e n s o r , a n dt h i sw o r ki s c a r r i e db yr s 一4 8 5b u sa n dr t um o d u l e a f t e ras e r i e so fs y s t e md e b u g g i n g ，r e a l t i m ed a t a r e c e i v i n ga n dd i s p a t c h i n gh a sb e e nr e a l i z e d f i n a l l yt h ed e s i r e dg o a li sa c h i e v e d ，i th a s p r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：p h ；c y g n a l s 0 5 1s c m ；g s m ；r e m o t em o n i t o r i n g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论丈中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理t 大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：彳弼、作者签名：! 盔2 兰! 导师签名：乒痞屯 j 堕年l 月l 同 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 研究意义及背景 当今世界的水环境面临两大问题：水资源短缺和水污染加重。造成水污染的主要原 因是工业废水、农田排水以及城乡生活污水向江河湖海及土壤中大量排放，使地面水和 地下水水质日趋恶化，更加剧了水资源的紧张，严重制约了经济的发展和危害着人类的 健康。严峻的水形势提高了人们对水污染控制的重视，各因都加大和加快了水污染治理 的力度和速度。我国随着工农业的发展和人民生活水平的提高，水资源紧缺的矛盾同趋 紧张。而目前日趋严重的水污染又进一步加剧了水资源短缺的矛盾。过去我国的水质监 测i l j 基本上采取手工操作的方法，因此监测的数据代表性很差，不能真实的反映出水质 污染的状况，满足不了现代环境管理的要求。在此背景之下，研制与开发一套水质自动 监测系统具有重大的社会意义。，。 虽然我国的水质监测体系【2 j 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需要不相适应两个方面。首先，测定各种水质参数 是水质监测工作的重要内容。在测定的过程中，虽然有些参数是由仪器完成的，但大部 分的测定工作包括取样和化验，都是由人工完成的。不仅工作量大，监测效率低，而且 很难在短时问内提供水质参数的信息，实时掌握水质的变化情况。其次，水质监测网络 的信息化 3 1 1 4 1 程度偏低，使得众多的监测部门各行其是，既浪费了人力、物力，又因时 间、指标上的差异而导致监测数据客观上无法共享。通过邮政信件完成一个监测周期需 要2 0 天的时间。数据的整编则在每年年底或者第二年的年初进行。而在监测频次上， 仅能做到枯、平和丰水期各两次，这对于水量、水质变化较大的河流来说，远不能满足 管理的需要。因此，传统的监测模式已经不能适应和满足当前信息化管理工作的需求。 本课题可以实现2 4 小时对水质进行连续自动监测，自动采样，自动处理，并自动 将数据传送到远端水质监测中心。由于是不间断的监测，所获得的数据能够真实地反映 水体质量和污染变化趋势【5 j ，可以为环境管理部门提供可靠的数据依据。同时，由于实 现了监测数据的远程传输1 6 1 ，为各级环境管理部门及时掌握水质状况、预警预报重大水 质污染事故、排放达标情况等提供可靠的保证。远程水质自动监测系统体现了水环境监 测技术手段的科学化、现代化。 水质远程监测数据采集系统设计 1 2 水质自动监测技术的国内外发展现状及趋势 水质监测自动化是包含了化学分析技术、计算机技术、通信技术和检测技术等多学 科的综合技术。通过水质自动监测系统，对于定点水域的水样采集，多项水质参数的测 定以及数据的处理和传送都可以自动的进行1 7 1 。水质自动监测系统是指在人为设置好程 序之后，由水质采集及处理模块、无线传输模块【剐、计算机、网络和其他设备组成的系 统，执行从环境采样、处理、测定、数据传输、保存和管理直至打印出最终报表的全过 程。 1 2 1 国外研究现状 水质自动监测系统是2 0 世纪7 0 年代发展起来的，在美国、英国、日本、荷兰等国 已有相当规模的应用，并被纳入网络化的“环境评价体系”和“自然灾害防御体系”1 9 j 。 1 9 6 0 年纽约州的环保部门开始着手建立水质自动监测系统，用以代替人工监测网的工 作，该卅i 于1 9 6 6 年安装了第一台水质自动电化学监测器。从1 9 7 5 年起建立国家水质监 测网，进行污水、地下水、地表水的自动监测，仅俄亥俄河流域就设置了1 4 个监测点， 而且建立了国家水质警戒系统。现在美国已有了以计算机为主体的、全国性的远程水质 自动监测网，并发展了航空及卫星监测技术。 2 0 世纪7 0 年代末，同本也出现了水质在线监测系统。在水质在线监测方面，目前 日本的技术水平处于国际领先地位，典型的产品有日本大阪水质在线监测系统。r 本大 阪水质在线监测系统是将大阪所管辖区域内的河川湖泊、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。如果一旦发生水质污染事故等异 常情况，则事故的种类、影响区域等信息通过系统的通信网络传到中央控制室，为有关 部门掌握污染的性质状态、制定灾害对策提供依据。 日前，世界上越来越多的国家和地区都将遥感遥测技术、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，建立了以大气、水质环境综合指 标及其特定项目为基础的环境在线监测信息系统。欧美等许多经济发达国家，经过近2 0 年的大力发展，环境在线监测信息系统基本普及。 1 2 2 国内研究现状 我国对水质自动监测系统的研究始于八十年代。我国传统的环境监测方法多是人工 操作，主要是在某些断面或监测点定时定点瞬时取样，然后将样品带回实验室分析或者 野外进行现场测赳1 0 1 。由于人力和物力的限制，监测工作仅限于几个断面和点，监测频 率也是每月数次，不能保证所测数据的准确性和时效性，难以实现对环境要素全时段、 大连理工大学硕士学位论文 全方位的动态监测。近些年来，尽管部分城市采用并安装了一些自动或在线监测设备， 大大提高了监测的频率和监测数据的准确时效性，但是这些监测设备大多没有与环境监 测部门联网，监测得到的数据不能及时有效地被环境监测部门所掌握。在后继的环境评 估和决策支援中，用有限的监测数据束评价整个区域的环境质量以及污染源的排放情况 也是不完全的，这对于尽早发现污染事故，及时预报区域环境质量等均有很大限制。同 时，我国还有大量的监测数据仍以纸制文档形式保存，几乎不能进行大批量的查询和统 计工作，而部分已经建立电子文档入库的数据，也只停留在简单查询检索和统计功能上， 并未转化为环保工作人员和管理人员所需要的具有分析和决策帮助功能的数据。 近2 0 年来，随着经济的飞速发展，面对环境保护的严峻形式，我国的环境监测也 相继经历了被动监测、主动监测和自动在线监测三个阶段l l l l 。我国在8 0 年代初开始通 过引进和消化吸收，首先在北京、上海、青岛等1 5 个重点城市建立空气质量自动监测 系统，在黄浦江、天津引滦入津河段以及吉林化工、宝钢等大型排污企业的排水系统建 立了水质自动监测系统。1 9 9 9 年起，国家环保总局在淮河、长江、黄河、松花江和太湖 流域开始建设水质自动监测站，监测的数据通过卫星通信直接传输到国家环保总局中心 控制室，并实现全国的联网。迄今为止，我国已经基本建立全国重点流域水质在线监测 系统。 但从全国来看，我国大部分省市开展的在线监测水平不一，全国仅有北京、上海、 苏州、哈尔滨、大连等城市率先出台了污染源在线监测管理的措施和办法。同时水污染 在线监测部分联网的系统存在的问题也较多，主要表现在现有系统运行不稳定，故障率 高，无法满足高性能、稳定性的要求。数据传输方式落后多采用电话线拨号的方式，成 本较高，在监测数据采集与监控模式、广域接入远程通信、系统容错、系统长期稳定性、 数据分析处理与管理、环境决策支持等方面还存在诸多缺陷和不足： ( 1 ) 规模小，仅提供企业排污现场、地市级环保局两级网络结构，不同行政区域之 间无法共享信息。 ( 2 ) 数据接入方式单一，对大量没有条件接入网络的中小企业无法实施有效监控。 ( 3 ) 无法实现多种功能扩充，由于网络规模小，许多扩展功能都无法开展。 ( 4 ) 仪器的功能分散，产品没有统一的通讯协议标准，没有一套较完备的统一的多 功能集合于一体的智能监测仪器。 ( 5 ) 记录仪的可扩展能力比较差。 目前，我国的环境监测手段主要以人工监测为主，极少单位采用了仪器监测，在线 网络监测才刚刚开始。随着国家环保总局提出对环境监测数据联网的要求，环境监测技 术也逐步从人工随机监测发展到仪表在线连续监测，最终实现在线网络监测。在线网络 水质远程监测数据采集系统设计 监测的实现将改变现有水质监测手段落后的状况，巩固污染治理成果，确保水质持续好 转以及提高水环境管理自动化水平。 基于以上原因，我们研制开发了“水质远程监测数掘采集系统”。该系统继承了前 两阶段的技术，进行多点、多参数实时监测、控制，便于操作，用统一的m o d b u s 协议 将各个水质参数通过4 8 5 总线和基于g s m 无线网络的r t u 模块定时传输给水质监测管 理中心。可以晚是一套较完备的统一的多功能水质远程监测系统，使得水质污染预测、 预警、预报、评价更为成熟、实用。 1 3 课题的主要研究内容 本课题为解决对水环境的实时监测，及时了解水质变化而设计开发一套适合中国环 境保护部门工作需要的多功能的水质远程监测数据采集系统，包括各种水质参数现场监 测采集模块、r t u 模块和水质综合信息管理中心模块几个部分。 该系统运用现代传感器技术、自动测量技术、自动控制技术、计算机应用技术以及 相关的专用分析软件和通l n 网络所组成的一个综合性的远程在线自动监测体系。监测数 据采集模块安装在被监测现场( 企业污染源或需要监测的江河湖海采样室) ，下端接有专 用分析仪，如：测汞仪、p h 检测仪、c o d 测定仪、污水流量计，由专用分析仪对污染 源水质进行污染浓度分析，对各通道数据进行采集、分析整理，将其转化为标准格式并 且将结果通过4 8 5 总线与r t u 模块和监测p c 机( 装有环保综合信息管理系统软件) 相 连，r t u 模块可将此数据定时发送到离现场很远的监测中心站。 在各种需要检测的环境水质参数中，p h 值是水溶液最重要的物理化学参数之一， 凡涉及到水及溶液的自然现象、化学变化以及生产过程都与p h 有关。针对现代水环境 监测的要求，本文在设计水质监测数据采集系统中重点对环境水质p h 值监测采集模块 进行了研究和开发。重点自主研发环境水质p h 值自动监测模块主要是为了能更好的兼 容这个整体系统。 p h 值自动监测模块是利用低功耗、高性能的c y g n a l 8 0 5 1 单片机通过传感器对水质 p h 值进行数据采集及处理，并通过单片机串口控制，经由4 8 5 总线与r t u 模块以及p c 机连接，将p h 值数据传输到远端的水质监测中心。水质监测中心作用为数据监听、接 收并将其与数据库进行连接，将p h 值数据保存到数据库中，利用v i s u a lc + + 实现对数 据库的开发，增强对数据库管理的有效性。完成了水质监测中心对水质参数的接收、保 存及管理功能。 4 一 大连理工大学硕+ 学位论文 2 系统总体设计分析 2 1水质远程监测系统描述 一套完整的水质远程监测系统应包括：污染物质浓度数据分析采集模块1 1 1 j 水质监测 p h 、c o d 、水中油，溶解氧i l2 j 等浓度分析仪表，网络通讯子系统，数据管理系统等几 部分。污染物质浓度【1 3 】监测仪表在工业测量及工业控制上早有应用，且产品已经成熟， 但一台或几台分析仪表用于现场监测并不能构成一套完整的网络监测系统，只能称为水 质监测中的仪器监测手段。因此我们在现有污染物浓度分析仪表的基础上开发了数据采 集、数据记录、网络通讯系统，并将以上功能充分集成，形成了该“水质远程监测数据 采集系统”，其中监测分析模块被安装在监测现场，实现与污染物浓度分析仪表接口， 进行数据采集，现场数据处理，将采集到的各种不同标准与格式的数据转化为全国统一 的标准数据格式，通过r s 4 8 5 总线与r t u 模块相连并利用m o d b u s 协议将数据传给 r t u ，r t u 模块内部配有g s m 模块，可将数据通过g s m 无线网络传入水质监测中心， 并将数据存放于数据库中。可实现对各类污染数据自动生成报表，通过公共传输介质定 期上报省局、国家局。另外，国家局、省局也可以直接对各企业的水质进行监测； 2 2 系统布局 水质远程监测数据采集系统由监测现场和水质监测中心两部分组成。监测现场主要 由水质监测模块和内部带有g s m 模块的r t u 单元组成。水质监测中心则是装有环保综 合管理信息系统软件的p c 机和短信息接收设备，两者通过g s m 无线【1 4 j 网络实现互通。 该系统是以在线自动采集仪器为核心，运用现代传感器技术、自动测量技术、自动控制 技术、计算机应用技术以及相关的专用分析软件和通讯网络所组成的一个综合性的远程 在线自动监测体系。监测记录仪安装在被监测现场，水源地或企业污染源，下端接有专 用分析仪，如：测汞仪、测油仪、c o d 测定仪、各种离子浓度及污水流量计，由专用 数据采集分析仪对污染源水质进行污染浓度分析，将结果保存并通过4 8 5 总线连接r t u 然后通过g s m 无线网络传输到主站控制中心。最后将环保数据上传到高级管理部门p c 机。水质远程监测数据采集系统设计构造图如下图2 1 。 水质远程监测数据采集系统设计 一1 7 无线嘲络l 巴一 f 誓翔翔 | l 4 8 5 总线 “1 1 j 7 ，赫兹：，壅： ：黝俐。l 图2 1 系统设计构造幽 f i g 2 1s y s t e mc h a r t 2 3 系统功能分析 由于用户组成复杂，各类用户对功能的需求有较大差异。总体来说，系统的功能分 成基本功能、监测功能和延伸功能。 基本功能：水质信息管理、现场数据采集、信息查询服务、数据分析处理、水质监 理管理、报表生成处理、数据上报、系统管理。 监测功能：排污企业污水处理设施运转状况监测、重点污染企业排污口监测、重大 危险污染源的监测、禁止排污的江河重要地段监测等。 延伸功能：区域环境质量评价、区域环境预测、区域环境影响评估、区域环境污染 结构分析、区域排污总量控制战略技术支持、区域污染治理效果分析、区域环境信息网 上发布、智能环境决策支持等【1 5 j 。 主机系统是装有具有环保综合管理信息系统软件的p c 机，环保综合管理信息系统 软件是结合我国环境保护的实际需求，面向全国各地市级环境监理部门的一种数据监测 一l | 一尸川必 。、 m 丫掣 大连理工大学硕士学位论文 管理系统。整个软件由v c 程序设计语占编制完成，采用国家统一的标准通讯协议1 1 6 j ， 与现场监测模块实现远程通讯。它作为一个中枢平台，能联系企业与环保部门，有接收 数据和管理数据的功能，将采集的数据存放入一个数据库中，并可以对数据库进行各种 操作。满足了对污染源监测、统计、管理及评价的实际需要，将污染源的基本情况、污 染物监测数据、排放量及评价结果融为一体，实现了数据共享，能及时、方便地为污染 源管理需要提供各种信息。 远端设备即安装在监控现场的监控仪，主要具备以下几种功能： 据采集与监控：可采集1 2 位模拟信号，实现实时监测，并根据参数设定动态显示 被测数据。 历史数据存储：可连续存储历史记录，具有系统掉电存储数据不丢失特点。 通讯线路自动控制：可实时定期将采集到的各个测量参数数据通过g s m 无线网络 传输到主站水质控制中心。 现场采集模块自动清洗系统：由于各种分析仪的传感器长期浸泡在待测水源中或污 染源中，时间久了一些水中的污染源或杂质会附着在传感器头上，慢慢会影响传感器的 灵敏度，所以为了解决这个问题，我们还要设计一个现场测量模块及测量池的清洗系统， 它能过定期自动清洗各个分析仪的传感器和采样池，使其能保持长期清洁状态，更加准 确的得到各种现场数据。 2 4 水质监测中心设计 水质监测中心主要完成以下功能：在监测中心配置g s m 无线网络接受器，其串口 与p c 机相连，建立完成对网络中传输的数掘监听【1 7 l 、接收及与数据库的连接，数据自 动保存至数据库及对数据库的管理。 监测中心的工作人员可以直接在监测中心的p c 机上查收到每天通过g s m 无线网 络发送到的不同时间段的水质分析数据，也可以通过g s m 无线网络直接将一些关键数 据直接发送到监测中心人员工作随身手机中，更及时的得到水质变化数据。监测中心的 管理人员通过查询数据库就可以方便的了解到各个单位的水质情况。为各级环境管理部 门及时掌握水质状况、预警预报重大水质污染事故、排放达标情况等提供可靠的保证。 为了增强对数据库管理的灵活性及安全性，开发了对数据库中的数据进行管理的查询、 增加、修改、删除等各种功能并对不同的用户设置了不同的登陆权限。体现了远程环境 水质自动监测系统监测技术手段的科学化、现代化。图2 2 为水质监测中心结构图。 水质远程监测数据采集系统设计 图2 2 水质监测中心结构图 f i g 2 2 t h ec e n t e ro fw a t e rm o m i t o r i n gc h a r t 2 5 监测现场部分设计 我们的现场测量采集部分设计是由水样采集部分、测量池部分组成。水样采集部分 主要是由伸向待测水源中的水管通道、水泵、杂质过滤器组成。通过水管管道伸入待测 的河水或企业废水中，并由水泵将待测水样抽取入管道中，再经过一个杂质过滤器装置， 将一些较大的沙石杂草和水生物残体等影响检测采集的杂质过滤掉，再将处理过的水样 传输到测量池部分。 测量池部分分为水预处理装置、测量池、和测量池清洗装置组成。水预处理装置主 要是将刚刚经过过滤的水样储存起来，等溶液稳定在传输到测量池中。在测量池里安装 了各种分析仪表及各种监测传感器，对该水样进行测量分析。由于各种分析仪的传感器 长期浸泡在待测水源中或污染源中，时间久了一些水中的污染源或杂质会附着在传感器 头上，慢慢会影响传感器的灵敏度，所以为了解决这个问题，我们还要设计一个现场测 量模块及测量池的清洗系统，它能过定期自动清洗各个分析仪的传感器和采样池，使其 能保持长期清洁状态，更加准确的得到各种现场数据。图2 3 为监测采集现场设计图。 现场监测系统主要由现场水质监测采集模块和r t u 模块组成。水质监测采集模块 安装在测量池内对各个水质数据进行采集、分析整理，通过r s 4 8 5 总线与r t u 模块相 连并利用m o d b u s 协议将数据传给r t u ，r t u 模块内部配有g s m 短信模块，可将数 据通过g s m 无线网络传入水质监测中心。 8 大连理工大学硕士学位论文 图2 3 监测采集现场设计 f i g 2 3m o n i t o r i n gp a r td e s i g n 装美 2 6 无线传输技术 g s m 全球移动通信系统，是数字移动通信系统的先行者，它采用数码式移动通讯 技术，传输速度为9 6 k b p s ，使用的波段为9 0 0 m h z 和1 8 0 0 m h z 。由于g s m 系统在全 球许多国家之间有漫游协议，所以g s m 用户能够漫游到许多国家。 g s m 的短消息就是通过g s m 网络传输的有限长度的文本信息或a s c i i 码i l ”。它 的实现简单，具有通信成本低、频谱利用率高、系统容量大、业务种类多、抗干扰能力 强、国际自动漫游等优点。短消息【1 9 】利用信令信道传输，不用拨号建立连接，直接把要 发的信息加上目的地址发送到短消息服务中心，由短消息服务中心再转发给最终的信 宿，是目自口应用最广泛的通信方案之一。 2 6 10 s m 网络 g s m 数字蜂窝移动通信系统是根据e t s 2 - o i 制定的g s m 技术规范研制的，它作为 一种开放式结构和面向未来设计的系统具有下列主要特点： g s m 系统是由几个子系统组成的，并且可与各种公用通信网互连互通。各子系统 之问或各子系统与各种公用通信网之间都明确、详细地定义了标准化接口规范，保证任 何厂商提供的g s m 系统或子系统能互连。g s m 系统能提供国际的自动漫游功能，使得 全部g s m 移动用户都可进入g s m 系统。 g s m 系统除了可以开放语音业务外，还可以开放各种承载业务、补充业务和与工 s d n 相关的业务。 g s m 系统具有加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全。 水质远程监测数据采集系统设计 g s m 系统具有灵活和方便的组网结构，频率重复利用率高，移动业务交换机的话 务承载能力很强，能保证在话音和数掘通信两个方面满足用户对大容量、高密度业务的 要求。g s m 系统抗于扰能力强，覆盖区域内的通信质量高。 随着大规模集成电路技术的进一步发展，用户终端设备向更小型、轻巧和增强功能 方向发展。 随着移动通信技术的发展，根据目前g s m 网络技术成熟，覆盖范围广等特点，合 理有效的利用g s m 网络资源，可以避免组建专用数据传输网络的成本费用高，通讯距 离短，通讯效果差等诸多难题。 ( 1 ) g s m 网络组成 数字蜂窝移动通信是在模拟蜂纠2 1 】移动通信的基础上发展起来的，在网络组成、设 备配置、网络功能和工作方式上，二者都有相同之处。但因数字蜂窝网采用全数字传输， 因而在实现技术和管理控制方面，均与模拟蜂窝网有较大的差异。简单地说，数字蜂窝 网技术更先进，功能更完备且通信更可靠，并可与其它发展中的数字通信网，如综合业 务数字网i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ) ，公用数据网p d n ( p u b l i cd a t a n e t w o r k ) 实现互连。 g s m 蜂窝系统的主要由移动台、基站子系统和网络子系统等部分组成。基站子系 统( b a s es t a t i o ns u b s y s t e m ，简称基站b s s ) 由基站收发台( b a s et r a n s c e i v e rs t a t i o n ，简 称b t s ) 和基站控制器( b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ，简称b s c ) 组成；网络子系统包括移动交 换中心( m o b i l e s e r v i c e ss w i t c h i n gc e n t e r ，简称m s c ) 、操作维护中心( o p e r a t i o n sa n d m a i n t e n a n c ec e n t e r ，简称o m c ) 、原籍位置寄存器( h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ，简称h l r ) 、 访问位置寄存器( v i s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r ，简称v l r ) 、鉴权中心( a u t h e n t i c a t i o nc e n t e r ， 简称a u c ) 和设备标志寄存器( e q u i p m e n ti d e n t i t yr e g i s t e r ，简称e i r ) 等组成。一个m s c 可管理多达几十个基站控制器，一个基站控制器最多可控制2 5 6 个b t s 。由m s ，b s 和网络子系统构成公用陆地移动通信网( p u b l i cl a n dm o b i l en e t w o r k ，简称p l m n ) ，该 网络由m s c 与公用交换电话网( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ，简称p s t n ) 、综合 业务数字网( i s d n ) 和公用数据网( p d n ) 进行互连。 ( 2 ) g s m 系统主要性能参数 工作频段 陆地公用蜂窝数字移动通信网g s m 通信系统采用9 0 0 m h z 、1 8 0 0 m h z 频段。 频道问隔 相邻两频道间隔为2 0 0 k h z 。每个频道采用时分多址接入( t d m a ) 方式，分为8 个 信道( 全速率) 。将来g s m 采用半速率话音编码后，每个频道可容纳1 6 个半速率信道。 1 0 大连理工大学硕士学位论文 频道配置 采用等问隔频道配置方法，频道序号为l 。1 2 4 ，共1 2 4 个频点。 双工收发i 日j 隔 双工收发i b j 隔为4 5 m h z ，与模拟t a c s 系统相同。 干扰保护比 载波干扰保护比就是接收到的希望信号电平与非希望信号电平的比值，此值与m s 的随机位置有关。这是由于地形不规则性及本地散射体的形状、类型及数量不同，以及 其他一些因素如天线类型、方向性及高度，站址的标高及位置，当地的干扰源数目等所 造成的。 保护带宽 当一个地区数字移动通信系统与模拟移动系统共存时，两系统之间频道中心频率之 间应有约4 0 0 k h z 的保护带宽，通常是模拟网预留。中国移动公司与中国联通公司的数 字移动通信系统之间也应有4 0 0 k h z 的保护带宽，即它们之间用一个频道，或由中国移 动公司一方预留，或由中国联通公司一方预留。 2 ，6 2 短消息技术 ( 1 ) 短信息技术介绍 g s m 短消息业务是移动通信部门利用g s m 网络在提供电路交换的各种电信业务和 承载业务之外提供的基于数据分组交换的一项增值业务。 短消息业务( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ，简称为s m s ) 包括点对点短消息业务( s m s p p ) 附和小区广播短消息业务( s m s c b ) 。点对点短消息业务包括移动台( m o b i l es t a t i o n ，简 称为m s ) 发起的短消息业务s m m o 及移动台m s 终止的短消息业务s m m t 。对于点对 点短消息，每条消息最长为1 6 0 个a s c i i 字符( 7 b i t 编码英文字符) ，或7 0 个汉字。对 于小区广播短消息，每条消息最长为9 2 个a c s i i 码字符或4 0 个汉字。通过短消息业务， 用户可以接收各种文字信息，如金融行情、天气预告、新闻娱乐信息等。 点对点短消息的传递与发送是由短消息业务中心( s h o r tm e s s a g es e r v i c ec e n t e r 简 称为s m s c ) 来提供服务的。s m s c 的作用像邮局一样，接收来自各方面的邮件，然后 把它们进行分拣，再发给各个用户。 s m s c 的主要功能是存储和转发用户的短消息。s m s c 向用户提供类似于寻呼的业 务，但有别于常规的单向寻呼通信。常规的寻呼机关机或不在服务区内，寻呼机就收不 到消息，寻一呼中心对此一无所知，也不会重发。而用户在等待中反复传呼，浪费大量 的时i h j 和精力，寻呼机主也可能因此而误事。然而，s m s c 依靠g s m 网的双向通信能 水质远程监测数据采集系统设计 力，如果手机关机或不在服务区内，s m s c 的消息发送被拒绝，所有的短消息将被存放 在s m s c 的信箱内，一旦用户开机或回到服务区内，在网络注册成功后，s m s c 就马上 丌始对用户发送消息内容。 随着科技的发展，短消息业务不但用于一般的信息交流，现在己广泛应用到各种远 程监测系统之中。 ( 2 ) 短信息技术应用范围 随着g s m 短消息作为一种数据传输模式，具备网络覆盖面广、用户投资小、运营 费用少的优点，对于解决监控点分散、覆盖面广、监控点移动、实时性要求较低的监控 采集系统具有无可比拟的优势。针对不同的对象，系统进行相应的设计，可应用至生产 和生活的许多领域。 水利部门为取得水文数据往往要在河道旁或湖泊边建立许多水文站。这些水文站定 时获取水文数据，并通过一定的传输通道将数据传送回数据中心。水文数据的特点是数 据量较小、采集间隔时间长、采集点分散，特别适合利用短消息进行通信。它通过短消 息模块，利用其开关量输入和原有的传感器等设备相连实现数据采集。利用其继电器输 出和原来的被控设备相连实现远程控制。只要有g s m 信号的地方就可以使用知消息通 信，无须架设光缆、微波线路或者卫星地面站，比起使用光缆、微波或卫星通信，使用 用短消息模块的费用相当低廉。使用同样的投资可以建设更多的检测站，可以提高水文 检测的准确率，还可以实现远程控制，甚至可以通过普通手机加上事先设定的密码控制 模块做出一定的动作，例如打开加热器、打开排水管的电磁阀门等。 气象部门为了取得准确的温度、湿度、风向、风速、气压等气象数据，往往需要建 立许多气象检测站，以定时获取气象数据，并通过一定的传输通道将数据传送回数据中 心。气象数据的特点是数据量较小、采集问隔时间长、采集点很多且很分散，这种特点 也非常适合用短消息进行通信。 2 7 系统组成及工作原理 为实现对一野外无人值守设备运行状态的监测和有关参数的远程传输，系统设计利 用了短消息技术。图2 3 为系统网络拓扑图。 大连理工大学硕士学位论文 p c o d 电铮率锐离子 瓴离子滩浊废 监测嚣监期i 器 监删辩监湔嚣 监测嚣靛删鼯 图2 3 系统网络拓扑图 f i g 2 3s y s t e 加n e 押o f kc h a n 系统能够随时查询设备的状态参数，处理现场设备采集的数据，及时有效地对异常 情况进行报警，并通过g s m 网络将现场监测器采集的数据传输到监测中心站服务器平 台上，同时将数据保存至数据库中进行数据备份和管理。该系统主要由两个模块构成： 现场监测器模块和监测中心信息接收、数据处理模块。 现场监测器模块由信号采集、信号分析处理1 2 2 l 及g s m 通信等几部分组成，完成无 人值守数据采集工作，如p h 、电导率、c o d 、等信号的采集、处理，然后通过r s 4 8 5 总线将数据传输到r t u 模块，r t u 模块上带有g s m 无线短信息模块实现其无线通讯 将数据最终传输到水质监测中心站。 监测中心信息接收、数据处理模块由短信收发设备，数据分析处理程序、报警呼叫 程序和数据库组成，完成对故障信息的接收、分析、存储、转发等功能，确定设备的编 号、位置及故障种类等。同时，将有关信息自动发送到指定维护部门的接收终端，呼叫 值班人员。该系统的关键技术包括：信息采集、信息编码、s m s 收发技术、报警呼叫、 环境适应性及软、硬件设计技术。 首先通过各种传感器对反映设备工作状态的数据进行采集，并进行分析处理和判 断，然后将结果数据保存在单片机的存储单元中，数据可以按采集的时问存入相应时段 的存储单元中。现场采集模块再通过r s - 4 8 5 总线与r t u 模块相连通讯，r t u 内的单 水质远程监测数据采集系统设计 片机通过串口与短信模块相连，定时的将收到的现场采集水质数掘通过g s m 无线网络 发送短消息给监测中心站，实现水质远程璐测无线传输。系统工作原理如图2 - 4 所示。 际翮 墨_ 监测现场 图2 4 系统t 作原理图 f i g 2 4s y s t e r mw o r k i n gp r i n c i p l ec h a r t 水质监测中心 短消息经