（信号与信息处理专业论文）基于arm和gprs网络的水质检测系统设计.pdf

摘要 摘要 随着经济的发展，社会的进步，环境问题越来越受到人们的重视，特别是水污染问 题，已成为人们日益关注的焦点问题。为了更好的加强水环境管理和监测工作，有必要 在全国各流域建立水质自动监测站，实现水质信息的在线监测。本课题所研究的水质在 线监测系统可以很好的对水体中的总氮信息进行实时监测，对正确评价污染状况，研究 污染物的扩散、转化规律有重要意义。 无线通信技术的不断发展与成熟，使得无线通信网络在工业数据传输中的应用也日 益多起来。中国移动推出的g p r s 无线通信技术与其他无线通信技术相比具有实时在线、 按流量计费、快捷登陆等优点，使得它在中小用户以低成本方式在短时间内组建自己的 跨区域性数据网络具有较大优势。另外，基于3 2 位a r m 处理器的嵌入式系统技术在当 前一个热点技术，目前的3 2 位a r m 具有体积小、功耗低、主频高、外设多等特点，因 此，也越来越广泛的被应用于工业控制、无线通信、网络应用、消费类电子、成像和安 全等领域。 本课题即运用当前的技术，开发了无线远程水质在线监测系统。整个系统由移动数 据采集终端和中心服务器两大部分组成。其中移动采集终端由水质传感器组成，负责总 氮等水质信息的电信号采集、滤波及a d 变换，并将采集到的信号通过g p r s 网络实时 的传送到中心服务器。移动终端和中心服务器之间采用了客户端服务器的体系结构，两 者之间通过建立在t c w i p 协议基础上的面向连接的套接字通信，保证了水质信息传输 的正确性。中心服务器负责实时显示，并自动保存水质数据，同时工作人员可以方便的 对水质数据进行查询、删除和打印等操作，通过实验室条件下反复测试，水质数据采集 性能优良，数据传输功能稳定可靠，界面显示直观，达到了预期效果。 关键词：g p r s ，远程监控，v i s u a lb a s i c6 0 ，数据采集，水质监测 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i c ，a n dp r o g r e s so fs o c i a l ，e n v i r o n m e n th a sb e e nt a k e n m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n ，e s p e c i a l l yw a t e rp o l l u t i o nm a th a sb e c o m et h ef o c a lp o i n to f g r o w i n gc o n c e m i no r d e rt oe n h a n c et h ew a t e re n v i r o n m e n tm a n a g e m e n ta n dm o n i t o r i n g w o r k ，i ti sn e c e s s a r yt oe s t a b l i s ha u t o m a t i cm o n i t o r i n gs t a t i o n so nw a t e rq u a l i t ya 1 1o v e rt h e c o u n t r y ，s ot h a tw ec a nm o n i t o rw a t e rq u a l i t yi n f o r m a t i o no n l i n e t h es y s t e mo fw a t e rq u a l i t y m o n i t o r i n gc a nd or e a l - t i m em o n i t o r i n gw e l la b o u tt h et o t a ln i t r o g e ni nw a t e r a n di ti s i m p o r t a n tt oe v a l u a t et h es t a t e so ft h ep o l l u t i o n ，r e s e a r c ht h es p r e a da n dt h ed i s c i p l i n eo f p o l l u t i o n t h ed e v e l o p m e n ta n dm a t u r eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ym a k et h a tm o r e a n dm o r ei n d u s t r i e sb e g i nt a k ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma sd a t at r a n s m i s s i o n t h e g p r ss e r v i c er e l e a s e db yc m c ch a sm a n ya d v a n t a g e st h a na n yo t h e r ，f o re x a m p l e ，i tc a n p r o v i d er e a l - t i m eo n l i n e ，c h a r g i n gb yd a t af l o wa n df a s tl a n d i n ga n ds oo n ，w h i c hm a k ei to w n ag r e a t e ra d v a n t a g ei ns m a l la n dm e d i u m - s i z e dc u s t o m e r sw h ob u i l dt h e i ro w n i n t e r r e g i o n a l d a t an e t w o r k si nas h o r tp e r i o do ft i m ew i t hal o wc o s t i na d d i t i o n t h ee m b e d d e ds y s t e m b a s e d3 2 b i t 删p r o c e s s o ri sah o tt e c h n o l o g y ，i th a sas m a l ls i z e ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o n ， h i g h e r 仔e q u e n c ya n ds om a n yp e r i p h e r a l s ，s oi ti sb e i n gw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fi n d u s t r i a l c o n t r o l ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , n e t w o r ka p p l i c a t i o n s ，c o n s u m p t i v ee l e c t r o n i cp r o d u c t s ， i m a g ep r o c e s s i n g ，s e c u r i t y ，e t c t 1 1 i sp a p e rd e v e l o p e daw i r e l e s sr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mf o rw a t e rq u a l i t yu s i n ga c u r r e n tt e c h n o l o g y 硒ew h o l es y s t e mc o n s i s t so f t h ep o r t a b l es i g n a lc o l l e c t i o nt e r m i n a l sa n d am o n i t o r i n gc e n t e r a n dt h es i g n a lc o l l e c t i o nt e r m i n a lc o n s i s t so faw a t e rq u a l i t ys i g n a l c o l l e c t i o nm o d u l e ，t h em o d u l eh a sf u n c t i o n ss u c ha st h ec o l l e c t i o n ，f i l t e ra n d 舳t r a n s f e ro f t h es i g n a l s ，a n dt r a n s f e r st h ed a t at ot h em o n i t o r i n gc e n t e r i nt h ec e n t e r , t h eg o v e r n o r s s u p e r v i s et h es i g n a l si nr e a l - t i m em o d e i no r d e rt og u a r a n t e et h ec o r r e c t i o no ft h es i g n a l d u r i n gt h et r a n s m i s s i o n ，w eu s et h es o c k e tc o m m u n i c a t i o nb a s e do nt h et c p i pp r o t o c 0 1 t h e m o n i t o r i n gc e n t e rh a st h ef u n c t i o nt od i s p l a ya n ds a v et h es i g n a l ，t h eg o v e r n o rc a nu s ei tt o f i n d ，d e l e t e ，r e v i e wa n dp r i n tt h ew a t e rq u a l i t ys i g n a lc o n v e n i e n t l y b yr e p e a tt e s t i n gu n d e r l a b o r a t o r yc o n d i t i o n ，t h ew a t e rq u a l i t yd a t aa c q u i s i t i o np e r f o r m a n c ei sf i n e ，d a t at r a n s m i s s i o n f u n c t i o ni ss t a b l ea n dr e l i a b l e ，t h ed i s p l a yi n t e r f a c ei sd i r e c t - v i e w i n g , a n dt h es y s t e mi se x p e c t e d t oa c h i e v eas a t i s f a c t o r yr e s u l t k e y w o r d s ：g p r s ，r e m o t em o n i t o r i n g ，v i s u a lb a s i c6 0 ，d a t aa c q u i s i t i o n ，w a t e rq u a l i t y m o n i t o r i n g i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是苯人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。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过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签 名： 本立 日 期： 丝翌：! ：兰 j i 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部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、；1 2 编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签 名：殍l 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 背景介绍 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。工业废水和城乡生活污 水向江、河、湖、海以及土壤中的大量排放，使地表水和地下水的水质日趋恶化，更加 剧了水资源的紧张，严重制约了经济的发展且危害着人类的健康。严峻的水形势提高了 人们对水污染控制的重视程度，各国都在加大和加快水污染治理的力度和速度。 中国不仅存在水资源短缺和空间、时间分布不平衡的严重问题，而且更普遍存在着 水质型缺水的危机，据最新的统计表明，全国七大江河水系的7 4 1 个监测断面符合三类 水质，四、五类水质，劣五类水质全国近一半城镇饮用水源地水质不符合标准。为了加 强对重点流域水质变化和污染物总量的监控，环保部门曾经在长江、淮河、松花江及太 湖等水域的污染物排放企业设置了一批水质检测设备。据有关文献记载，由于一些被检 测企业的个别人员环境保护意识淡薄，只顾企业的局部利益，使这些水质检测设备难以 发挥应有的作用。因此，环保部门希望远在数公里甚至上千公里以外的地方也能对辖区 内的监控目标实施全天候、全时段的动态监控，随时掌握其变化趋势，以便控制污染程 度，实现这一目标的技术装置称之为水质参数在线监测及远程传输系统。但是，目前在 我国水环境监测的实际工作中，大量采用的监测手段仍然是传统的实验分析方法，测试 数据滞后数小时甚至更多。这种传统的监测方法和手段已经不能满足环保事业不断发展 的社会需求，十分需要用现代的管理手段对重点污染源的水环境质量进行检测。 随着社会经济的发展，工业需求逐渐增大，城市人口也逐年增加，大量工业废水以 及城市生活污水未经处理便排入江、河、湖、海之中，导致水体中氮、磷等富营养物质 含量的急剧增加，水体富营养化现象越来越严重。近几年来太湖流域蓝藻爆发的主要原 因之一就是水体富营养化。它不仅导致鱼类及其他生物体因缺氧而大量死亡，而且也使 得无锡地区城市供水受到很大影响。因此，对总氮、总磷以及有机污染物的在线实时监 控，快速分析并控制污染源，对环境保护十分重要。 环境中污染物质的浓度和分布是随着时间、空间、气象条件及污染源排放情况等因 素的变化而不断改变的，定点、定时人工采样测定结果不能确切反映污染物的动态变化， 难以及时提供污染现状和预测发展趋势。为了及时获得污染物在环境中动态变化的信 息，正确评价污染状况，为研究污染物扩散、转移和转化规律提供依据，必须采用和发 展连续自动检测技术l l j 。 1 2 国内外相关技术现状及研究背景 1 2 1 国内水质监测系统发展现状 我国的环境质量监测与评价工作自2 0 世纪7 0 年代后期才全面发展。在此期间全国 开展了北京、沈阳、南京等数个城市的环境质量监测与评价工作，并进行了许多区域和 一些大型项目工程的环境质量监测与评价工作。 2 0 世纪8 0 年代，环境影响评价迅速发展，从单一工程的影响评价发展到多个工程 江南大学硕士学位论文 联合运用及流域综合规划环境影响评价。评价方法由定性分析与简单定量方法，发展到 多因素的模型定量分析。通过大量实践，特别是三峡工程的研究成果和环境保护设计、 施工区环境保护实施规划和移民区的环境规划等，使我国在这一领域的研究水平大大提 古 闻。 连续自动监测技术是现代水质监测比较常用的方法，它是从2 0 世纪6 0 年代后逐步 建立和发展起来的。我国从8 0 年代开始建立水质自动监测系统。为了适应区域监测、 全国性监测、甚至全球性监测的需要，以及实现数据实时传输，目前自动监测系统已进 入网络化阶段。 据所查资料表明，目前我国在水质监测方面用到的分析仪器一般分为两种：便携式 水质分析仪和在线水质检监测仪。便携式水质分析仪器一般都是基于化学试剂检测的水 质分析仪，每次测试时都要先配置化学试剂，不仅操作麻烦，而且功能单一( 一般只能 检测一种物质) 。而在线水质监测仪又可分为无线传输和有线传输两种，目前有线的水 质监测仪需要电缆线传输数据，但铺设电缆线造价昂贵，且不便于维护。而基于无线传 输的在线水质监测仪国内已有生产，根据不同的监测物质，监测仪器的类型种类也比较 多，另外生产厂家的分布也非常广泛。根据所查资料得出，目前国内开发的几种水质自 动监测系统具有代表性的有如下几种【2 】： 1 蓝星在线自动监测仪。它是蓝星水处理技术有限公司研制开发的一种在线自动监测 仪，它依据先进的生物化学原理设计，结构简单，操作容易，能迅速检测出水体中 的有机物含量，检测过程无需任何化学试剂，能够在线连续低成本运行、自动校准、 自动冲洗，不会排放污染物。蓝星在线自动监测仪适用于市政污水、地表水、工业 污水等的排放监测，设备已在吉林长春市环境监测站和中国环境监测总站试用，试 用表明蓝星在线自动监测仪既适用于在线连续自动监测水质，也可在实验室环境下 对不通水样进行测试，是目前水质自动设备中的绿色产品。 2 顺序注射自动监测水中c o d 、氨氮和p h 集成仪器。它由西安交通大学生命科学与 技术学院分离科学研究所梁恒教授主持研制成功，是一种能够对生活污水、江河湖 泊水和工业污水进行自动监测，监控的水质在线监测装置，该仪器具有良好的应用 前景和推广价值。该集成仪器选用工控机系统，在软件上采用先进的数据处理技术， 使仪器具有自动化程度高、抗干扰能力强、显示内容丰富等特点，同时具有自检、 自校正、温度补偿、数据存储和信息传输等智能化功能。该项目采用化学分析领域 新近发展的顺序注射分析方法，可在线同时监测水体中化学需氧量c o d 、氨氮和p h 值三个指标，设计方案具有创新性。 3 厦门奥林特水质在线自动监测系统。厦门奥林特环保科技有限公司研发的水质在线 自动监测系统式一套以在线自动分析仪器为核心，运用现代传感技术、自动测量技 术、自动控制技术、计算机应用技术、通讯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在线自动监测系统，一般由采样系统、预处理系统、监测 仪器系统、p l c 控制系统、数据采集与处理、数据通信6 个主要子系统构成。监测 项目：根据各地水质状况和测量要求选择水质监测项目，包括水温、p h 值、溶解氧、 2 第一苹绪论 电导率、浊度、氨氮、化学需氧量、高锰酸盐指数、总有机碳、总氮、叶绿素、总 磷、硝酸盐、磷酸盐、氰化物、氯化物、酚类、油类、金属离子、水位、流量、流 速等。 1 2 2 国外水质监测系统建设的发展现状 水质监测系统在国外已经发展了多年，水质自动监测在国外起步较早。1 9 5 9 年美国 开始对俄亥俄河1 9 5 9 年美国开始对俄亥俄河进行水质自动监测；1 9 6 0 年纽约州环保局 开始着手对本州的水系建立自动监测系统；1 9 6 6 年安装了第一个水质监测自动电化学监 测器；1 9 7 3 年全国水质监测系统分为1 2 个自动监测网，每个自动监测网由4 1 5 个自动 监测站组成；1 9 7 5 年在全国各州共有1 3 0 0 0 个监测站建成为水质自动监测网。在这些流 域和各州( 地区) 分布设置的监测网中，由1 5 0 个站组成联邦水质监测站网即国家水 质监测网( n w m s ) 。 欧美及日本等国在2 0 世纪7 0 年代已有便携式水质监测仪出售，但属于瞬时测定仪。 连续多参数水质测定仪是在8 0 年代才开始使用的。在监测设备方面，广泛应用现代尖 端的微电子技术、嵌入式微控制器技术，并做到智能化的数据采集、分析和运算，水质 监测完全实现了自动化。目前，世界上已建成的w p m s 类型较多，既有全自动联机系 统，也有半自动脱机系统，例如澳大利亚g r e e n s p a n 公司，德国g i m a t 公司，美国 的i s o c 、h y d r o l a b 等公司，日本日立制作所和卡斯米国际株式会社等都生产有技 术成熟的在线水质自动监测系统，但大部分是以监测水质污染的综合指标为基础的，包 括水温、混浊度、p h 值、电导率、溶解氧、化学需氧量、生化需氧量、总需氧量和总 有机碳等 3 1 。 随着无线通信和定位技术的成熟与发展，将通信技术和定位技术集成应用于水质检 测系统，已成为近年来的研究趋向。作为经济发达、技术先进的超级大国，美国在无线 通信技术和定位技术的集成试验、应用方面的研究都处于领先地位，开发出了一些基于 无线通信和定位技术的水质在线监测系统，在监测过程中，定位系统可以实时定位每一 个监测仪的位置，将每一台监测仪发送的数据通过c d m a 网络传送到数据中心，并在 网站上实时显示出来，管理人员可以根据所传输的定位信息以及传感器数据进行汇总， 通过g i s 系统显示显示出来。 在国外水质在线监测仪器中，应用比较广泛的是美国哈希公司生产的在线自动监测 仪。下面结合美国哈希公司的总氮、总磷、c o d 在线自动监测仪( n p w - 1 5 0 ) 做简单 介绍： 哈希公司生产的n p w - 1 5 0 型监测仪是一款多参数水质在线分析仪，它可以同时测 量总氮、总磷以及c o d 三个指标。主要应用于市政污水、工业污水、环保领域的在线 仪器监测。对总氮的测量，系统采用过硫酸钾做氧化剂，在1 2 0 。c 条件下加温消解3 0 分钟，最后采用紫外分光光度法检测；对总磷的测量，系统采用过硫酸钾做氧化剂，在 1 2 0 条件下加温消解3 0 分钟，最后用钼蓝法系光光度法检测：对c o d 的测量，系统 采用2 5 4 纳米紫外光照射，检测吸光度。测量周期可设定为1 - 6 小时。工作环境温度在 2 4 0 ，湿度要求在8 5 以下。 3 江南大学硕士学位论文 结合现代科技的发展来看，水质监测技术有如下发展趋势【4 】： 1 以现场人工采样和实验室分析为主向多参数网络在线、多功能自动化方向发展； 2 环境样品预处理技术由手工单样品处理向在线自动化和批量化方向发展； 3 由较窄领域的局部监测、单纯的地面环境监测向全方位领域监测和与遥感环境监测 相结合的方向发展； 4 野外和现场环境仪器将向便捷式、小型化发展； 5 环境监测仪器向物理、化学、生物、电子、光学等技术综合应用的高技术领域发展； 6 环境监测方法的综合性、灵敏性和多功能性日益增强，方法检测限越来越低。 1 3 橼题研究意义 环境监测的核心目标是提供代表环境质量现状及变化趋势的数据，判断环境质量， 评价当前主要环境问题，为环境管理服务。通过环境监测可以搞清污染物种类和分布状 况，明确污染途径，预测污染变化趋势，预警可能出现的环境问题。 环境监测是环境保护必不可少的基础性工作。在经历了环境监测室环境保护的“眼 睛”、“哨兵”、“基础、“重要支柱 的认识过程后，现在明确提出环境监测是一项“政 府行为，体现了对环境监测重要性认识的变化。 通过在线监测仪器实时监测地表水的水质参数具有重要的意义。采用先进的通信手 段后，实时水质信息将有明显增加，流域面上的实时水质信息更加准确及时，并得到快 速处理，实现作业预报计算机化。改变了手工作业预报的落后状态，使作业时间缩短， 预报精度提高；预见期增长能为相关环保部门提供更加及时、准确、全面、直观的水质 信息和预报结果，及早采取相关措施，减少因环境污染造成的损失，将取得极大的社会 和经济效益。总之，本课题的研究对提高水质环境的监控力度、预防水质恶化有重要的 意义。另外由于测量方法采用紫外分光光度法，与传统的方法相比，快捷键便，且不会 对水体造成二次污染。 1 4 本文主要工作及章节安排 本文主要探讨和实现了基于g p r s 通讯的无线远程水质监控检测系统，该系统是软 件和硬件一体化的一个系统。在本课题中，本论文的工作主要有以下四点： 1 通过对数据远程采集系统的各种方案的比较，并结合本系统的特点最终采用于g p r s 技术的实现水质信息的远程数据传输，从而降低了通信费用。 2 通过对总氮测量方法的研究比较，最终得出采用紫外分光光度法进行测量，测量方 法简单可行，无二次污染。 3 完成水质在线监测系统的原理图设计、p c b 设计等环节。 4 完成下位机软件设计和上位机服务器软件编程。 本文由六部分组成，主要安排内容如下： 第一章：介绍了国内外水质监测系统的发展方向和前景，介绍了水质在线监测的意 义。 4 第一章绪论 第二章：介绍了总氮检测的几种方法和原理，通过对几种检测方法的优缺点，最终 采用紫外分光光度法。 第三章：在线监控系统的总体设计。对基于g p r s 网络的新型无线数据传输系统的 原理进行了概述，并详细分析了系统的优点及实现。 第四章：水质在线监测系统硬件系统设计。根据硬件总体设计方案，本章详细阐述 了硬件系统的实现。 第五章：水质在线监测系统软件系统设计。软件系统设计包含两部分：上位机软件 设计和下位机软件设计。首先论述了基于g p r s 数据传输的水质监控检测系统的软件总 体结构和需求分析，主要阐述了下位机各部分的软件流程图，包括短信息的收发，g p r s 的收发及a d 采样等，然后通过v i s u a lb a s i c 6 0 网络编程解决如何实现对实时上传的数 据进行采集、远程传输、储存和查询并最终通过综合测试，实现了系统上位机操作功能。 第六章：结合本人在系统中的工作情况进行了全文总结，并对系统的可扩展性进行 了展望分析。 5 第二章系统原理介绍 第二章系统原理介绍 总氮检测检测的是水体中硝酸盐的含量，目前总氮检测方法有以下几种：酚二磺酸 分光光度法、铬柱还原法、戴氏合金法、紫外分光光度法。 2 1 总氮常用检测方法及方法选择 2 1 1 总氮常用检测方法 在各类水体中，氮的存在形式有氨态氮、有机氮( 主要是蛋白质及其水解产物、炼、 肤、氨基酸等) ，两者合称为凯氏氮；还有亚硝酸盐氮、硝酸盐氮；总氮即指凯氏氮、 亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的总和。实验室常用的总氮检测方法是先把各种含氮化合物氧化 成最高价的硝酸盐，然后再用分光光度法、极普法、色谱法等实验方法进行总氮的测定。 综合考虑各项因素，应用到总氮在线自动分析仪的主要技术原理有两种过硫酸盐消解 分光光度法和密闭燃烧氧化化学发光分析法。其中前者是在线总氮和总氮仪的主选方 法，也是各国的法定方法。后者主要限于日本使用。此外，在使用过硫酸盐消解一分光 光度法时，对含氮化合物消解还可用到不同的氧化剂和还原剂，这对总氮在线分析仪的 研发具有一定的借鉴意义。 1 过硫酸盐消解分光光度法( 国标法) 测定原理：水样中加入过硫酸钾溶液和氢氧化钠溶液，在1 2 0 下加热氧化分解3 0 分钟；水样中含氮化合物被分解成硝酸根，被消解的水样冷却至一定温度后分取一部分 试样，加盐酸将p h 值调节至2 3 左右，然后在2 2 0 r i m 波长处测量吸光度值，并计算出 水中的总氮浓度值。 2 碱性过硫酸钾紫外消解紫外吸收法 测定原理：水样中加入过硫酸钾溶液和氢氧化钠溶液，在6 0 或8 0 下紫外线照 射，水样中含氮化合物被分解成硝酸盐。被消解的水样冷却至一定温度后，分取一部分 试样，加盐酸将p h 值调节至2 3 左右，然后在波长2 2 0 n m 处测量吸光度值，并计算出 水中的总氮浓度值。该方法的优点是在常压下氧化消解。 3 碱性过硫酸钾消解流动注射紫外吸收法 测定原理：流动注射法是将水样经过载液输送到检测器的方法，在此过程中完成加 热、添加试剂、分解含氮化合物、显色及定量等步骤。该法首先载液将水样导入并加入 碱性过硫酸钾溶液在1 5 0 。c 或1 6 0 的加热环中被加热分解，水样中含氮化合物被分解 成硝酸盐。试样冷却至一定温度后，加盐酸将p h 值调节至2 3 左右，然后在波长2 2 0 n m 处测量吸光度值，并计算出水中的总氮浓度值。该仪器的特点是测定时间大大缩短。该 仪器的特点是测定时间大大缩短。 4 碱性过硫酸钾紫外电解消解紫外吸收法 测定原理：水样中加入过硫酸钾溶液和氢氧化钠溶液，在9 5 1 2 下紫外线照射，同时 进行电解，使水样中含氮化合物分解成硝酸盐。被消解的水样冷却至一定温度后，分取 7 江南大学硕士学位论文 一部分试样，加盐酸调节p h 值至2 3 ，然后在波长2 2 0 n m 处测量吸光度值，并计算出 水中的总氮浓度值。该方法的特点是在常压下消解且不需过硫酸钾试剂。 5 热分解化学发光法 测定原理：取一定量的水样，通过载气注入内有催化剂的高温分解炉( 7 0 0 8 5 0 ) 中，将水样中含氮化合物氧化分解成一氧化氮，然后通过臭氧将氧化成二氧化氮。在此 过程中产生的激发态二氧化氮转变成稳定的二氧化氮，同时发出5 9 0 2 5 0 0 n m 波长的光。 所发射出的光强度与的氮浓度成正比，因此通过测量发出的光强度可检测总氮的浓度1 5 l 。 6 气相分子吸收光谱法( h j t19 8 2 0 0 5 ) 在2 5 5 m o l l 盐酸介质中，于7 0 士2 温度下，用还原剂将水中硝酸盐快速还原 分解，生成了一氧化氮气体，再用空气将其载入气相分子吸收光谱仪的吸光管中，测定 其对镉空心阴极灯发射的2 1 4 4 n m 的特征波长光的吸光度，以校准曲线法直接测定水样 中的硝酸盐氮的含量。 7 检测方法比较 表2 1 总氮自动在线监测仪常用的监测方法 t a b 2 1m o n i t o r i n gm e t h o d su s e do nt na u t o m a t i co n l i n em o n i t o r i n gi n s t m m e n t s 从表中可以看出采用紫外分光光度法具有测量时间短、反应温度低、无二次污染等 特点，因此，本文的在线监测系统采用紫外分光光度法进行测量。 2 1 2 光吸收定律：朗伯一一比尔定律 系统采用紫外分光光度法进行水体总氮浓度的测量。紫外分光光度法是根据物质的 吸收光谱研究物质的成分、结构和相互间作用的方法，其定量分析的基础是朗伯比 8 第二章系统原理介绍 尔( l 锄曲e 帝咖e e r ) 吸收定律。朗伯比尔定律是比色和光谱定量分析的基础，即物 质在一定浓度的吸光度与它的吸收介质的厚度成正比，数学表达式如下： t a = l o g ( k ：q - 、) = s c ， ( 2 1 ) 上 式中：a 为吸光度；1 0 为入射光强度；i 为透射光强度；为吸收系数，即单位浓度、 单位液层厚度的吸收度数值；c 为溶液浓度；，为液层厚度。在紫外可见吸收光谱 中，吸收带的强度常用入。懈处的摩尔吸光系数的最大值e m a x 表示。光通过溶液的原理 图如下所示： 图2 - 1 光通过溶液示意图 f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fl i g h tt h r o u g ht h es o l u t i o n 2 2 数据传输方法及方法选择 2 2 1 在线监测常用方法 表2 2 列出的是几种常用的在线监测的方案，表中分别对这几种方案的建设成本， 运营成本，监控范围，传输速度，操作方式，实时性，反控性进行了比较。 9 江南大学硕士学位论文 电话线 m o d e m 监控 a d s l 监 控 s m s 方 式监控 g s m 拨 号监控 g p r s 在 线监控 电话线拨号高较低窄 5 6 k b p s 轮寻差差 a d s l 高较高窄5 1 2 k b p s轮寻高一般 s m s 较低较高较宽1 6 。字节包 并行 鼍0 差 c s d g s m 较低较高较宽 1 4 4 k b p s 并行 差差 g p r s g s m s m s 较低较低较宽 2 l 4 - p 8 5 s 6 l ( b 并行高良好 由上表可以得出g p r s 在线监控具有较大优势。它具有建设、运营成本低，监控范 围宽实时性高，反控性良好等特点，基本上能代替目前其他的无线通讯方式，使得g p r s 在线监控成为实时在线监控的首选方案。 2 2 2g p r s 概述 蜂窝移动通信自8 0 年代大规模投入应用以来，大大改变了人类的通信和生活方式， 使人与人之间的交流日益密切起来。经过2 0 年的发展，蜂窝移动通信系统已经从第一 代的单纯以电话业务为主的模拟系统逐步增加到数据业务的第二代数字系统以至发展 到至今以增加高速数据业务和图像业务的多媒体通信为主要目标的第三代系统。而且， 当3 g 实验如火如茶的时候，4 g 技术已经问世。a t & t 正在其实验室中研究一种被称为 第四代移动通信的技术，其研究目的是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问i n t e m e t 的速率，下载速率有可能达到5 m b p s 到1 0 m b p s l 6 1 7 。 g s m 是当前全球使用最为广泛的移动通信系统。它的主要应用是语音通信。虽然 g s m 系统也有数据通信功能，但是在这方面它有很多缺点，例如数据传输速率只有 9 6 k b s ，每次传输之前都要拨号上网，按在线时间计费，拨号时间过长等。这些都是影 响g s m 系统的数据应用普及的主要原因。 g p r s 网络的出现就是为了克服g s m 网络在数据应用方面的缺点。世纪之交开启 的通用分组无线业务g p r s ，作为迈向第三代个人多媒体业务的重要里程碑将使移动通 信与数据网络合二为一。它将i p 业务引入更为广阔的移动市场，同时也将使移动网络 能够提供更多的增值业务。从g s m 网络升级到g p r s 网络也很简单，只需在g s m 网 络上添加一些网络节点设备，原有的g s m 通信设备仍然保留。 g p r s 标准是由e t s i 的一个委员会负责制定。e t s i 制定的标准文件规范可以从其 网站w w w e t s i o r g 下载。g p r s 标准的制定分为两个阶段。第一个阶段已经于2 0 0 0 年第 一季度制定完成，第二阶段则尚在讨论中瞵j 。 1 0 墨三皇墨竺坚里坌丝 阶段1 1 ) g p r s 网络和i n t e m e t 进行点对点的数据传输。 2 ) 定义g p r s 网络所需要的各种识别码。 3 ) 当g p r s 网络传输数据时，维护分组安全的特殊算法。 4 ) 根据传输的分组数据量来收费的方式。 5 ) 原g s m 网络上的短消息服务如何在g p r s 网络上实现。 阶段2 1 ) g p r s 网络与i n t e m e t 的连接，可以是点对点传输以及单点对多点传输，这样 i n t e m e t 上的电子邮件即可同时发到多部移动台( m s ) 上。 2 ) 定义g p r s 网络上的语音、视频、多媒体等应用服务的服务质量，即传输速率 与延迟时间等。 3 ) 如何实现国际漫游功能。 由于g s m 网络的语音通信是电路交换方式，而i n t e m e t 上的数据传送是分组交换方 式，所以二者独立运行，并不互相连接，如图2 2 所示。g s m 网络只与p s t n 连接，在 运营商的服务区域内，都是电路交换。 电路趸挟 图2 - 2g s m 网络只能进行电路交换 f i g 2 - 2c i r c u i ts w i t c h i n go fg s mn e t w o r k s 制定g p r s 的标准就是为了改变这种互相独立的状况。g s m 网络升级到g p r s 网 络的方法是，在原有的g s m 网络上，加上g g s n 和s g s n 两种数据交换节点设备。对 于g s m 网络原有的b t s 、b s c 等设备，只需进行软件更新或增加一些接口。因为g g s n 与s g s n 数据交换节点具有处理分组的功能，所以使得g p r s 网络能够和i n t e m e t 网络 互相连接。如图2 3 所示，数据和信令都以分组来传送。当移动用户进行语音通信时， 原有g s m 网络的设备负责电路交换，传送分组时，由g g s n 和s g s n 负责将分组传送 到i n t e m e t 。这样就实现了数据从移动台经过g p r s 网络传送到i n t e m e t 网络上，或者移 动台通过g p r s 网络接收i n t e m e t 网络数据的功能【9 j 。 江南大学硕士学位论文 图2 3g p r s 网络能同时进行电路交换和分组交换 f i g 2 - 3c i r c u i ts w i t c h i n ga n dp a c k e ts w i t c h i n go fg p r sn e t w o r k s 2 2 3g p r s 优点以及应用领域 g p r s 是一种基于包的无线通讯服务。较高的数据吞吐能力使得可以使用手持设备 和笔记本电脑进行电视会议和多媒体页面以及类似的应用。g p r s 是基于g s m ，并且能 完成现有的一些服务，相对原来g s m 的拨号方式的电路交换数据传送方式，g p r s 是 分组交换技术，具有高速和永远在线的优尉1 0 】： 1 ) 实时在线：指用户随时与网络保持联系。举个例子，用户访问互联网时，g p r s 无线终端就在无线信道上发送和接收数据，就算没有数据传送，g p r s 无线终端还会一 直与网络保持连接，不但可以由用户侧发起数据传输，还可以从网络侧随时启动p u s h 类业务，不像普通拨号上网那样断线后必须重新拨号才能再次接入互联网。 2 ) 按量计费：对于电路交换模式的g s m 系统，在整个连接期内，用户无论是否传 送数据都将独自占有无线信道。对于分组交换模式的g p r s ，用户只有在发送或接收数 据期间才占用资源。这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源 的利用率。相应于分组交换的技术特点，g p r s 用户的计费以通信的数据流量为主要依 据，体现了“得到多少、支付多少的原则。没有数据流量传递时，用户即使挂在网上 也是不收费的。 3 ) 快捷登录：g p r s 无线终端一开机就能够附着到g p r s 网络上，即已经与g p r s 网络建立联系，附着的时间一般是3 5 秒。每次使用g p r s 数据业务时，需要一个激活 的过程，一般是1 3 秒，激活之后就已经完全接入了互联网。而固定拨号方式接入互联 网需要拨号、验证用户姓名密码、登录服务器等过程，至少需要8 1 0 秒甚至更长的时 间。 4 ) 高速传输：g p r s 采用分组交换技术，数据传输速率最高理论值能达1 7 1 2 k b i t s ， 此时已经完全可以支持像多媒体图像传输业务这样一些对带宽要求较高的应用业务。但 1 2 第二苹系统原理介绍 1 7 1 2 k b i t s 的理论值是在采用c s 一4 编码方式且无线环境良好、信道充足的情况下实现 的。实际数据传输速率要受网络编码方式、终端支持、无线环境等诸多因素影响。目前 g p r s 用户的接入速度还在4 0 k b i t s 左右，在使用数据加速系统后，速率可以提高到 6 0 k b i t s 8 0 k b i t s 左右。 2 3 本章小结 本章首先介绍了常用的几种水质在线监测方法及其原理，并通过综合分析最终确定 使用紫外分光光度法，介绍了紫外分光光度法的原理朗伯比尔定律；然后介绍了在 线监测的一些基本方式，通过比较，最终确定选用g p r s 作为在线监测的手段，并对 g p r s 通信原理、优点、应用领域等做了大致的介绍。 1 3 第三章在线监控系统总体设计 第三章在线监控系统总体设计 在线水质监测系统的主要设计思想是将嵌入式技术、无线通信技术、引入到的环境 保护行业中，从而实现基于信息技术的水质信息的远程监控。用户可以通过上位机软件 程序在先查看远程水质数据。 3 1 在线监控系统的整体结构 水质远程监控系统由水质传感器、远程监控终端、无线通信网络和监控中心几个部 分组成。系统整体结构如图3 1 所示。 蕞淼熙薹g 辫 中心终端设备 监控中心服务器 的监控终端 。“”。“ 4 “”“” 图3 1 远程监控系统结构图 f i g 3 1r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e ms t r u c t u r e 系统中，远程监控终端带有水质传感器，可对地表水体中总氮的浓度进行测量，并 且终端预留r s 4 8 5 接口，可以连接总磷、c o d 等水质检测仪器，获取其他几项水质信 息，最终通过g p r s 网络将采集的总氮、总磷及c o d 等水质信息发送到监控中心服务 器，用户只要在监控机房通过登陆上位机软件即可查询相关水质信息。本系统的设计对 提高水质环境的监控力度、预防水质恶化有重要的意义。 3 1 1 水质传感器 水质传感器是水质远程监控系统的一个重要组成部分。在本系统中，水质传感器模 块电路主要用来采集水质信息( 此处主要为总氮信息) 。它采用紫外分光光度法测量原理， 采用波长范围在1 6 0 4 0 0 r i m 的氘灯作为入射光源，实验室条件下做模拟实验时采用比色 皿盛放待测溶液。光电传感器v t b 5 0 5 1 来接收透射比色皿的出射光强，并将光强转换 成电流信号，再通过电压转换电路将其转变成电压信号，然后经放大处理，输出到微处 理器的l p c 2 11 9 的a d 接口。 江两大学坝士学位论文 3 1 2 远程水质监控终端 远程监控终端是水质远程监控系统的核心部分，负责测量检测总氮的浓度信息；并 通过采集点或者r s 4 8 5 总线采集有关其他水质仪器工作信息的数据，并把这些数据通 过g p r s 网络按照通信协议，传送到监控中心。监控终端实时检测水质的情况，如果发 现总氮浓度等水质参数出现异常，立即向监控中心报警。 3 1 3 无线通信网络 无线通信网络是连接远程监控终端与监控中心的桥梁，是组成水质远程监控系统的 关键。水质远程监控系统不仅要考虑无线通信的覆盖范围，而且要考虑无线通信相对于 有线通信的不稳定性等因素，保证数据信息传输的准确性和实时性。本课题中采用g p r s 无线网络作为数据传输的无线通道。 g p r s 技术是通用无线分