（计算机应用技术专业论文）基于gsm网络水质在线自动监测系统的研究与实现.pdf

北京邮电大学顾_ l 学位论文皋于g s m 网络水质在线自动监测系统的研究与实现 基于g s m 网络水质在线监测系统的研究与实现 摘要 随着我国环境保护形势的不断发展和国内在线监测技术的日益 成熟，为了实现辖区控制排污、改善环境质量的目标，在国家环保总 局的监督和指导下，我国各省市、自治区普遍开展了排污口在线监控 工作，这项工作的展开极大地提高了我国环境管理的水平。 水质在线监测系统是一套以在线自动分析仪器为核心，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 关的软件和通讯网络所组成的一个综合性的在线监测体系。 系统具有监测项目超标、子站状态信号显示及自动报警等功能； 具有自动运行，停电保护、来电自动恢复功能；同时可以测试维护检 修状态，便于例行维修和应急故障处理。实施污水排放水质的在线自 动监测，可以实现水质的实时连续监测和远程监控，对及时掌握主要 排放水体的水质状况、预警预报重大或流域性水质污染事故、解决水 污染事故纠纷、监督排放达标情况等具有重要的意义。 作者在完成论文期间，参与了“北京市污水水质在线自动监测系 统 的设计和开发工作。以此为背景，论文主要包括以下几个方面： 首先，介绍和分析了目前的水质在线监测系统的现状以及其优缺点； 其次，设计并实现了在w i n d o w s 平台下短信的发送和接收；第三，设 计并实现了自动监测系统的现场工控机软件和监控中心软件；最后， 得出了采用s m s 短消息方式的水质在线自动监控可以节约企业成 本、提高监控质量和效率等等诸多优点的结论。目前，系统已经投入 使用，用于监控北京市四个污水厂的排水情况，使用效果良好。 关键字 水质监测监控系统自动分析仪器s m s 北京邮电大学硕上学位论文 基于g s m 网络水质在线自动监测系统的研究与实现 d es i g n m e n ta n di m p l e m e n tf o r a na u t o m a t i co n l i n es e w a g e m o n i t o n gs y s t e m b a s e do ng s mn e t w o r k a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc h i n a se n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n d i n c r e a s i n g l ym a t u r i n gd o m e s t i ct e c h n i q u e si no n l i n em o n i t o r i n g ，i no r d e r t oa c h i e v ea r e ac o n t r o lo ft h es e w a g ea n di m p r o v e m e n to fe n v i r o n m e n t a l q u a l i t y , v a r i o u sp r o v i n c e s ，m u n i c i p a l i t i e sa n da u t o n o m o u sr e g i o n sh a v e l a u n c h e dt h ew o r ko fs e w a g ew a t e ro n l i n em o n i t o r i n g ，u n d e rt h es t a t e a d m i n i s t r a t i o no fe n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n s g u i d a n c e a n d s u p e r v i s i o n t h ew o r kh a sg r e a t l yr a i s e d t h el e v e lo fe n v i r o n m e n t a l m a n a g e m e n ti nc h i n a t h es e w a g ew a t e rm o n i t o r i n gs y s t e mi sac o m p r e h e n s i v eo n 1 i n e m o n i t o r i n gs y s t e m ，u s i n g m o d e ms e n s o r t e c h n o l o g y , a u t o m a t i c m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , a u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g ya n d c o m p u t e r a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ，a n dc o m p r i s e d b y r e l a t e ds o f t w a r ea n d c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s a u t o m a t i co n - l i n ea n a l y t i c a li n s t r u m e n ti st h e c o r eo ft h es y s t e m t h es y s t e mi sd e s i g n e dt oe n a b l em o n i t o ro ft h es y s t e mp r o j e c t ， d i s p l a yo fs t a t e - s t a t i o ns i g n a la n da u t o m a t i ca l a r m ；a n dw i t hf u n c t i o n s s u c ha sa u t o m a t i co p e r a t i o n ，p o w e rp r o t e c t i o na n da u t o m a t i cr e s u m e ； c a na l s ot e s tm a i n t e n a n c es t a t e ，w h i c hf a c i l i t a t e sr o u t i n em a i n t e n a n c ea n d e m e r g e n c yt r o u b l e s h o o t i n g i m p l e m e n t a t i o no fo n l i n ea u t o m a t i c m o n i t o r i n go ft h ed i s c h a r g ew a t e rq u a l i t y ，w h i c hm a k e sr e a l t i m e c o n t i n u o u sm o n i t o r i n ga n dr e m o t ec o n t r o lo ft h ew a t e rq u a l i t yc o m e t r u e ， h a s g r e a ts i g n i f i c a n c e i n t i m e l y g r a s po ft h em a j o rw a t e rq u a l i t y , p r e d i c t i o no fm a j o ro rb a s i nw a t e rp o l l u t i o ni n c i d e n t s ，s o l u t i o no fw a t e r p o l l u t i o na c c i d e n td i s p u t e s ，a n dm o n i t o r i n gt h es a t i s f a c t o r ys i t u a t i o no f e m i s s i o n ss t a n d a r d s 2 r 1 1 1 。 一一 一 lh ea u t h o rp a r t i c i p a t e di nt h e d e s i g na n dd e v e l o p m e n tw o r ko f b e i ji n ge f f l u e n tq u a l i t ya u t o m a t i co n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m ”w h i l e p r e p a r i n gt h ep a p e r a n dt a k et h i sa sb a c k g r o u n d ，t h ep a p e ri n c l u d e st h e f o l l o w i n ga s p e c t s ：f i r s t ，a n a l y z et h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h eo n 1 i n e m o n i t o r i n gs y s t e ma sw e l la si t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ；s e c o n d l y , d e s i g na n da c h i e v et os e n da n dr e c e i v es m si nt h ew i n d o w sp l a t f o r m ； t h i r d l y , d e s i g na n di m p l e m e n tt h e i n s i t u m o n i t o r i n gs o f t w a r ea n d m o n i t o r i n gc e n t e rs o f t w a r e o fa u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e m ；f i n a l l y , o b t a i nc o n c l u s i o nt h a tt h e s e w a g em o n i t o r i n gs y s t e mb vs m sc a n s a v ec o s ta n di m p r o v ec o n t r o l q u a l i t ya n de f f i c i e n c y a tp r e s e n t ，t h e s y s t e mh a sb e e np u ti n t op r a c t i c et om o n i t o rt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t s i t u a t i o ni nf o u rb e i j i n gd r a i n a g ef a c t o r i e s ，w i t hg o o de f f e c t k e yw o r d s m o n i t o r i n gs y s t e m a u t o m a t i co n l i n ea n a l y t i c a li n s t r u m e n t s m s 3 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 瞵1 盈毫 日期： 丛塑= ! ：里星 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：膝兰丛馥 导师签名： 一7 遗一 日期：巡= 生：2 墨 i t 期：迸 ：2 北京邮电人学硕一l 学位论文 基于g s m 网络水质4 ：线自动l 监测系统的研究与实现 第1 章概述 本章介绍了水质监控系统的发展现状和面临的问题，提出了作者的具体解决 办法，最后说明作者在论文期间所做的主要工作和文章内容安排 1 1 研究背景 2 1 世纪人类面临着人口、资源和环境等三大问题的挑战，水问题被认为是 三大挑战中的重要组成内容，而人口、资源、环境的协调发展则是社会经济可持 续发展的重要保障。水是生命之源、生活之源、生产之源，它作为一种核心资源 和动态资源，具有不可替代性和难以利用高科技解决的特点，因此，水问题显得 十分重要。同时，随着社会的进步人们生活水平的不断提高，对生存环境的要求 也越来越高，环境意识和环境质量的好坏已成为一个国家和民族文明程度的重要 标志。由于总体生态环境持续恶化，城市环境污染仍在加剧，并有向农村地区蔓 延的趋势，我国已经把保护生态环境作为基本国策之一。 从我国总体情况看，废水排放量增长速度极快，而且由于废水处理率低( 估 计仅为( 2 0 3 0 ) ，大部分废水未经处理直接或问接排入水体，严重污染了水资 源。在我国水质污染源中，工业和生活污染各占一半。我国七大水系中近一半河 段污染严重，9 0 以上的城市水域水质普遍超标。全国被污染水系，比较严重的 是淮河、海河、松花江、辽河、长江中下游以及珠江三角洲等工业比较发达地区。 全国河流污染的特点是：城市段污染明显，小河重于大河，北方重于南方，污染 物主要以氨氮、挥发酚和耗氧有机物等为主。水污染问题已经严重威胁了人类的 生活健康。 国家对水资源管理的现代化和信息化非常重视。经过5 0 多年的建设，在全 国水文站网的基础上，逐步形成了比较完善的水质监测网络体系。目前，全国水 质监测系统由1 个部级水质中心、7 个流域级中心、3 1 个省级( 自治区、直辖市) 中心和1 9 6 个地市级中心组成。共有5 2 1 8 个水质监测站，监测范围覆盖全国7 大流域和浙闽台河流、内陆河湖、藏南滇西河流地表水、地下水以及重要城市供 水水源地和重点河段等，这些建设成果为我国水资源保护做出了巨大贡献。 1 1 1 水质监控系统的发展现状 1 1 1 1 国外发展概述 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进行水质自动 监测；1 9 6 0 年纽约州环保局丌始着手对本州的水系建立自动监测系统；1 9 6 6 年 北京邮电大学硕仁学位论义基于g s m 网络水质在线自动临测系统的研究与实现 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有1 2 个 自动监测网，每个自动监测网由卜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一一即国家水质监测网 ( n w m s ) 。 日本1 9 6 7 年开始考虑在公共水域设立水质自动监测器；1 9 7 1 年以后，由 环境厅支持，开始在东京、大阪等地建立水质自动监测系统；到1 9 9 2 年3 月， 已在全国设置了1 6 9 个水质自动监测站。除此之外，建设省在全国一级河流的 主要水域也设置了1 3 0 个水质自动监测站。英国泰晤士河是世界上水环境污染 史最长的河流，至1 9 世纪末河道鱼虾绝迹。1 9 7 4 年成立泰晤士水务管理局 ( t w a ) ，取代了原来2 0 0 多管水机构。为了加强水环境监测，1 9 7 5 年建成泰晤 士河流域自动水环境监测系统。该系统由一个数据处理中心( 监控中心站) 和2 5 0 个子站组成。欧美及日本等囤在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。 单项污染物浓度自动监测系统还处于研究试验阶段，挪威科技大学( n n 哪) 开 发出了重金属连续远程监控技术。该技术使用以牙汞合剂为电极材料的阳极脉冲 溶出伏安法，监测重金属含量，测定灵敏度可达到p p b ( 1 ag l ) 级。美国s e n t e x 公司研制出了挥发性有机物( v o c s ) 连续监测系统，附有报警功能，它利用吹 扫捕集气相色谱法自动监测大气、水及土壤中v o c s ，测定灵敏度可达到p p b ( u g l ) 级。总的来看，在现有水污染连续自动监测系统中，水质污染监测项目尚有 限尤其是单项污染物浓度监测项目还是比较少，例如重金属、有毒有机物项目 的自动监测仪器较缺乏。现有单项污染物浓度检测仪器在性能方面还存在一些缺 陷，在一定程度上限制了它的使用。水质连续监测仪器长期运行的可靠性尚差， 一般同时运行率仅达7 0 ，故障经常出现在传感器玷污及采样器堵塞上。 1 1 1 2 国内发展概述 在我国，水利系统的水质监测工作大概经历了下面三个阶段【6 1 ：第一阶段为 1 9 5 6 1 9 7 0 年，主要任务是收集江河天然水质资料，监测天然水化学成分；第二阶 2 北京邮电人学硕士学位论文基于g s m 网络水质在线自动监测系统的研究与实现 段为1 9 7 0 1 9 8 5 年，这是我国水质监测工作步入全面发展的初期，水污染监测工 作在水利部门开始全面展开，水利部内增设了水质监测中心。1 9 8 4 年又成立了 水利部水质试验研究中心，同年颁发了水质监测规范，为水质监测工作的规 范化管理奠定了基础；第三阶段为1 9 8 5 年至今，这是水质监测工作相对快速发展 的阶段，监测项目涵盖污染状况的绝大部分，实现了对水质的有效监测，同时， 注重保证监测数据的可靠性。为了实现“九五”计划和2 0 1 0 年的国家环境保护 目标，国家环保总局推出两项重大举措，其中之一是中国跨世纪绿色工程规划， 另一项是( 九五”期间全国主要污染物排放总量控制计划( 简称总量控制计 划) ，作为国家环境保护“九五计划和2 0 1 0 年远景目标”附件的总量控 制计划于1 9 9 6 年9 月3 目经国务院批准，国家环保总局、国家计委、国家经 贸委己于1 9 9 6 年1 1 月2 6 日联合下达各省相关部门，要求结合本地区、本部门 “九五计划及年度计划认真组织实施，确保2 0 0 0 年2 0 0 1 年环境保护目标的实 现。在污染物排放总量控制实施过程中，需加快水质自动监测技术水平，采用污 染物在线自动监测仪器，对污染总量在线监测。 为进一步加强地表水污染防治工作，提高我国的地表水监测技术水平，满足 环境管理的需要，从上世纪末开始对主要河流、湖泊( 水库) 的重点断面实施自动 在线监测工作，国家将建立近百个水质自动监测站，有些地区如山东、江苏、广 东、黑龙江、浙江等也建立起地表水自动监测站。对于水质在线监测系统的研究， 国内外都有了较多的研究工作。卢文华等【7 】利用m c s 5 1 系列8 9 c 5 1 单片机组成 单片机主机和数据采集从机，并在检测中心设有一台p e n t i u m l1 的p c 机，负责 将所收集的数据进一步处理以及以丰富的图表显示输出。该系统利用主机和从机 的通讯采用的中断方式。结论认为，该系统可以对多个养殖池的多种参数进行测 量，能随时了解水质的情况，可以提高水产养殖的经济效益。李欣等【8 】) 开发出 基于l a b v i e w 的水质监测虚拟仪器，通过系统设置了采样点数、采样频率等，可 以同时对氟离子、氯离子、溶解氧、c o d 或b o d 进行监测。郭小青等【9 】提出一 种基于c a n 总线的水质参数在线监测系统。该水质参数在线监测以p c 机为主 机，以具有c a n 总线控制功能的8 0 c 5 9 2 单片机及外围电路和各类参数监测仪 表为分机，以c a n 总线通信接口适配卡连接构成系统。结论认为，该系统能够 实时监测p h 值、氧化还原电势、浊度、电导率、溶解氧、余氯等水质参数。 我国在水质自动监测、移动快速分析等预警预报体系建设方面正处在探索阶 段。作为试点，于1 9 8 8 年在天津设立了第一个水质连续自动监测系统，该系统 包括一个中心站和4 个子站。1 9 9 5 年以后作为试点，上海、北京等地也先后建 立了水质连续自动监测站。1 9 9 8 年以来，水质自动监测站的建设有了较快的发 展，己先后在七大水系的十个重点流域建成了4 2 个地表水水质自动监测系统， 北京邮电大学硕二e 学位论文幕于g s m 网络水质在线自动躲测系统的研究j 实现 黑龙江、广东、江苏和山东等省也相继建成了1 0 个地表水水质自动监测系统。 这些水质自动站已基本进入了正常的运转，并且开始发布水质状况周报。为我国 水环境保护和监测方面起着重要作用，也表明我国水质监测水平的提高。 水质监测工作是水资源管理与保护的一项重要的基础性工作。目前，我国水 利系统己建成由水利部、流域、省及其地( 市) 水环境监测中心、分中心，共 2 5 1 个监测机构组成的四级水质监测体系；水质监测站点3 2 4 0 处，基本覆盖了 全国主要江河湖库；专职人员2 2 1 8 人，技术力量较强，实现了对水质的有效监 测。 1 1 2 我国水质监控系统面临的问题 我国所用的自动监测仪器多为国外进口设备，价格昂贵，且运转费用高。虽 然近年来进口设备价格有所下降，但每套价格仍在2 0 万美元左右。国内厂家现 多为生产单一参数的水质监测仪，近年也有些厂家企图生产水质自动化监测装 置。例如，河海大学研制了c o d ( c 0 自动监测仪，我国老字号的仪器厂如上海 雷磁厂正在进行探头式自动监测仪的试制，然而由于所选的水质参数少，质量也 不稳定。2 0 0 5 年，计划在全国主要流域重点断面水质自动监测站达到1 0 0 个， 实现水质自动监测周报。国内在水质自动化监测装置制造上还跟不上快速发展的 水质监测的要求。而且某一厂家也不可能生产各种类型自动监测仪，多为多厂家 仪器组合集成。由此可见，国产化自动监测仪有广阔的开发和潜在的销售市场。 我国国家环保总局于2 0 0 3 年3 月2 8 日发布了环保行业标准水质自动分析仪技 术要求( h j t9 6 1 0 4 2 0 0 3 ) ，并于2 0 0 3 年7 月1 日实施。该标准共包括9 个 水质参数的自动分析仪技术要求，即p h 、电导率、浊度、溶解氧( d o ) 、高锰 酸盐指数、氨氮、总氮、总磷和总有机碳( t o c ) ，这一标准的实施，保证了水 质自动监测系统的规范化，将会大大促进我国水质自动监测系统的发展。 当前，我国主要江河、湖泊水体的水质总体上呈恶化趋势，水质监测任务十 分繁重。为了适应水资源管理与保护工作发展的需求，亟须提高水质监测技术的 现代化和标准化以及管理制度化的水平。虽然水利系统的水质监测体系和能力已 经有了一定的基础，但面对新时期水利发展的形势与要求，还存在着一些急待解 决的问题。 1 水利系统的水质监测站点多以掌握地表水水资源质量功能为主，缺乏对 地下水的监测，大气降水水质监测，供水水源地水质监测，排污水质监控，水生 态环境监测等全面反映水功能区内的全面水质状况，来评价水功能区的水质是否 达到水域使用功能对水质的要求。 2 水质监测站的总数少于水功能区的数量，不能反映全部水功能区的水质 状况，而且还存在地域分布不均衡，水质监测站布局不合理的状况，不适应经济 4 北京邮电大学硕一 ：学位论文 基于g s m 网络水质在线自动监测系统的研究与实现 发展和水资源保护工作的需要，都急需进行补充、调整、完善或建立。 3 各级水质监测中心的采样能力不足，监测频率低，水质监测实验室的监 测仪器设备老化，大型分析仪器配备不平衡，于水质监测管理的要求不适应。 4 机动监测能力不足，移动水质分析监测实验室配备数量太少，现场监测 能力低，无法及时掌握突发性水污染事故以及洪水淹没、河流断流后的复流、污 水闸坝调度与水库调度等重要水利过程的水质突变情况。 5 自动水质监测站数量太少，缺乏自动测报能力，无法获得对重点水功能 区主要水质监测的实时数据，更没有对突发性污染事故的预n 预报能力。 6 水质监测信息处理及时性，针对性差，监测数据的处理仍然以手工为主， 各级中心建立的监测数据库结构不统一，标准化程度低，信息处理的软硬件落后， 不能实现按流域，按功能区的水量水质综合分析评价体系，不能满足新时期水 资源管理与保护，水行政管理的要求。 我们的系统主要针对第5 点进行设计和实现。 1 2 研究意义 目前我国水资源紧缺，水污染严重，水质监测是水资源管理与保护的重要基 础，水质监测提供的水质信息显得尤为重要。 从一般意义来讲，水质监测工作的整体水平提高，水质监测的能力建设进行 全面实施后，水质监测系统的机动、快速反应能力和自动测报能力将大大提高， 能实现水功能区内重点地区、重点水域和供水水源地的水质监测，提高水质监测 信息数据传输和分析效率。在满足各级水行政主管部门及社会公众对水质信息需 要的同时，提高对突发、恶性水质污染事故的预警预报及快速反应能力。 从中国特色意义：中国水资源分布的极度不平衡，水质型缺水问题严重，跨 流域调水工程多，三峡工程建设、西部大开发、西藏“一江两河”开发，国际河流 的开发利用与保护都对水质监测提出了更高的要求，也使水质监测具有了更加特 比的意义，如水权交易，国家间的水事磋商等都离不开水质监测数据。 从更深层意义讲：加强水资源管理与保护工作需要水质监测的配合，通过水 质监测的基础数据，分析水的承载力，按照水功能区的不同，确认水环境容量， 建立水环境的评估与决策模型，分析和掌握污染物水体中稀释扩散和自净化过程 与平衡关系，制定减量或禁止排放的规划与实施方案，指导水利工程，治理工程， 使水环境与社会经济协调发展，水资源管理与保护工作为经济发展服务，水利成 为社会经济持续发展的资源保障。 本系统投入使用后，将大大加强北京市水环境监测能力，提高对环境管理的 技术支持水平，将有助于环境保护和管理部门及时、准确地掌握北京市污水排放 北京邮电人学硕，l ：学位论文慕于g s m 网络水质在线自动监测系统的研究与实现 的环境质量及变化规律，为北京市的水环境管理和水污染防治提供有效的科学依 据和准确的采样数据，从而减少决策的盲目性，增加决策的针对性；同时，将有 利于扩大环境信息公开范围，增加环境管理透明度，为公众参与和监督环境保护 创造条件，将为北京市的生态环境保护与建设、首都人民生活环境水平的进一步 提高、圆满举办2 0 0 8 年北京奥运会发挥重要作用。 1 3 作者所做的工作 作者在完成论文课题期间，参与了“北京市污水水质在线自动监测系统”需 求分析、概要设计、详细设计、编码以及测试等工作。此监测系统由一个中心站 和四个监测子站组成。作者是项目的主要负责人，参与了整个系统的架构设计、 短信协议的制定以及现场工控机软件、监控中心软件和数据库平台的设计和实 现。目前该系统已经在北京市四个污水厂中投入使用，系统运行稳定，用户反应 良好。 作者在课题期间所做的主要工作有： 1 负责整个自动监测系统的设计，包括系统的硬件和软件，完成除p l c 以 外所有子系统的代码实现； 2 了解p l c 程序，并做相应的简介； 3 完成现场工控机程序的开发，现场工控机上运行的工控机程序通过 r s 4 8 5 串口总线和p l c 通信，读取p l c 上a i 模块的数据；通过r s 2 3 2 和超声波流量计通信，读取瞬时流量和累积流量，有多个超声波流量计 的污水厂需要将多个瞬时流量相加，多个累计流量相加；通过r s 2 3 2 和m o d e m ( 负责发送短信的调制解调器) 通信，发送水质实时数据和告警 数据给监控中心。现场工控机作为上位机与p l c 和监控中心通信，可以 进行系统控制、采集数据、分析数据、处理数据、保存数据、传输数据、 参数设置等； 4 完成监控中心程序的开发，它的主要功能：数据的接收、处理、显示、 历史数据的统计等。监控中心主要由一台程序服务器、一台数据库服务 器和一个接收短信的调制解调器组成。程序服务器上运行监控中心程序， 监控中心程序接收多个污水厂的实时水质数据、告警信息等，具有数据 接收、显示、查询和历史数据的统计等功能，使用户可以及时地知道监 控站点污水排放情况，以便做出及时的处理； 5 研究学习短信的编解码，实现p c + m o d e m 模式下的短信发送和接收； 6 研究学习m y s q l 数据库，负责该系统的数据库设计和维护； 6 北京邮电人学硕上学位论文 基于g s m 网络水质和线自动监测系统的研究与实现 1 4 创新与不足 系统的创新之处主要包括以下： 无人值守、自动运行。系统无需人工的干预，能自动运行，节约了很大 的人力、物力和财力，这是目前很多的检测系统所不具有的。 客观及时。能客观及时地上报实时水质数据和告警数据。 采用p l c 控制整个系统的设备。不同于现在很多通过单片机的实现。 通过短信的方式传输数据。 系统的不足之处具体表现在： 不能通过监控中心控制监测站点，这也是下一步要做的主要工作。 1 5 文章内容安排 除本章外其余章节内容安排如下： 第二章主要介绍了污水处理厂污水在线自动监控系统，给出了系统整体设 计、硬件设计、软件设计以及系统通信的实现。p l c 控制单元、现场工控机、 监控中心组成的监控系统，能够对各个污水处理厂排水口水质进行实时监控并能 客观地展现给用户所有的监测数据和系统运行状态。该系统在运行后，大大加强 水环境的监测能力，提高了对环境管理的技术支持水平，有助于环境保护和管理 部门及时、准确地掌握污水排放的环境质量及变化规律； 第三章主要介绍了p l c 软件程序的整体设计。详细介绍了总时序图、采样 冲洗时序图、冲洗除藻时序图等时序图的设计，以及系统的存储单元，最后详细 介绍了8 个子程序的设计与实现； 第四章着重于现场工控机程序的设计与实现，此程序负责和现场的仪表、 p l c 等通信，它的主要功能为：获取数据，分析数据、存储数据、发送数据。现 场工控机上运行的工控机程序通过r s 4 8 5 串口总线和p l c 通信，读取p l c 上 a i 模块的数据；通过r s 2 3 2 和超声波流量计通信，读取瞬时流量和累积流量， 有多个超声波流量计的污水厂需要将多个瞬时流量相加，多个累计流量相加；通 过r s 2 3 2 和m o d e m ( 负责发送短信的调制解调器) 通信，发送水质实时数据和告 警数据给监控中心。现场工控机作为上位机与p l c 和监控中心通信，可以进行 系统控制、采集数据、分析数据、处理数据、保存数据、传输数据、参数设置等； 第五章主要介绍监控中心程序的设计与实现，监控中心主要由一台程序服务 器、一台数据库服务器和一个接收短信的调制解调器组成。程序服务器上运行监 控中心程序，监控中心程序接收多个污水厂的实时水质数据、告警信息等，具 7 北京邮电人学硕士学位论文基于g s m 刚络水质在线自动监测系统的研究与实现 有数据接收、显示、查询和历史数据的统计等功能，使用户可以及时地知道监控 站点污水排放情况，以便做出及时的处理： 第六章对短信的发送和接收做出一个详细的介绍，这是系统中用到的通信方 式，现场工控机就是通过短信将水质的实时数据上传到监控中心的； 第七章详细描述了m y s q l 数据库的设计与实现； 第八章将对本系统做出总结。 北京邮电人学硕十学位论文 基于g s m 网络水质在线自动豁测系统的研究与实现 第2 章水质在线监测系统的总体设计 本章介绍了污水处理厂污水在线自动监控系统，给出了系统整体设计、硬件 设计、软件设计以及系统通信的实现。p l c 控制单元、现场工控机、监控中心 组成的监控系统，能够对各个污水处理厂排水口水质进行实时监控并能客观地展 现给用户所有的监测数据和系统运行状态。该系统在运行后，大大加强水环境的 监测能力，提高了对环境管理的技术支持水平，有助于环境保护和管理部门及时、 准确地掌握污水排放的环境质量及变化规律。 2 1 系统的总体设计 整个监控系统由现场监控站房p l c 控制单元、现场工控机、监控中心三大 部分组成。结构如下图所示。p l c 和现场工控机通过r s 4 8 5 串口线连接，现场 工控机和监控中心通过g s m 网络通信( 也可通过g p r s 方式通信) 。p l c 选用 s i e m e n s 的s 7 2 0 0 ，并且安装了模拟量扩展模块e m 2 31 。现场工控机加装具 有短信功能的m o d e m 模块。监控中心采用普通的计算机加装具有短信功能的 m o d e m 。p l c 控制单元通过控制继电器组控制管道开关、取水设备、冲洗设备 完成取水、冲洗、采样等一系列控制工作，并通过输入反馈监控各设备，如火灾 传感器、液位计( 用来监测取水泵的液位) ，电动阀、电磁阀、取水泵等工作状态； 通过模拟量模块采集化学需氧量( c o d ) 分析仪、p h 温度分析仪、氨氮分析仪 等分析仪器传来的4 - - 2 0 m a 电流，并将此模拟量转换为数字量。现场工控机上 的监控软件，将此数字量根据仪器的量程换算成正确的数据，处理后发送到监控 中心，监控中心软件接收此数据，呈现在用户界面上；若现场有系统告警，如 设备运行不正常也将发送到监控中心；若现场有监测数据超标，工控机软件则通 知p l c ，p l c 通知采样机进行采样，以备日后使用，工控机软件也会将此数据 告警消息发送到监控中心，以便管理人员及时处理。 9 北京邮 u 人学硕i j 学位论文皋j fg s m 网络水质订：线i l 动舱测系统的研究i j 实现 图2 - 1 水质在线监测系统结构图 2 1 1 现场监控站房p 1 c 控制单元 2 1 1 1 站房 站房大小：站房仪器间1 8 2 4 m 2 。 站房结构：复合钢板保温夹层结构房或砖混房。 站房内净空高度：不小于2 6 米。 站房内环境温度：1 8 - - - 2 8 站房内环境湿度：8 5 站房暖通：仪器间内有空调采暖设备，空调具有来电自动复位功能。 站房仪器间保证两面相连接的墙壁为完整的墙壁：由于分析仪器大部分为壁 挂式，仪器样品供水及排水采用硬质u p v c 管在仪器下方连接，并且固定在墙 上，因此至少要保证两面相连接的墙壁为完整的墙壁，作为仪器安装用。这两面 墙上自地在0 m 一2 5 m 高度范围内不得有门、窗、暖气及暖气管道和各种表、盘、 箱、空调等设施。此相邻两墙面应做防水处理。 室内地面可以防水、防滑，最好铺设地面砖，站房地面向有排水孔的方面有 一定的坡度( 5 8 ) 。同时墙面下应设有排水沟( 深度3 0 m m ，宽度1 5 0 m m ) 和地漏，可以使室内积水排出。 北京邮电人学硕一 学位论文基于g s m 网络水质在线自动监测系统的研究与实现 仪器间内设有专用清洁水源( 最好为自来水) 管道接口( d n 2 0 ) ，并装有截 止阀。 站房内有实验工作台( 桌) ，台上可以放置实验室对比仪器，台下有工作柜， 便于放置试剂。站房内设洗手池、上下水、通风窗。 水质在线监测系统的硬件拓扑图如下： 图2 - 2 水质在线监测系统硬件拓扑图 注：m 1 、m 2 、m 3 为电动阀，d 1 、d 2 、d 3 、d 4 为电磁阀 2 1 1 2 现场数据采集仪器 c o d ( c r ) 采集仪器：负责采集c o d ( 化学需氧量) ，采用化学实验室的c r 法 化验方法，输出4 2 0 m a 的电流给p l c 的a i 模块，采集化验时间大约需要4 0 分钟，此系统设置为4 小时化验一次； c o d ( u v ) 采集仪器：负责采集c o d ( 化学需氧量) ，采用u v 法，输出4 2 0 m a 的电流给p l c 的a i 模块； 以上两台仪器主要负责采集c o d ( 化学需氧量) 。 c o d 在线自动分析仪的主要技术原理有六种： ( 1 ) 重铬酸钾消解光度测量法； ( 2 ) 重铬酸钾消解库仑滴定法； ( 3 ) 重铬酸钾消解氧化还原滴定法，第一台仪器采用这种方法； ( 4 ) u v 计( 2 5 4 n m ) ，第二台仪器采用这种方法； 北京邮电大学硕士学位论文某于g s m 蜩络水质在线自动监测系统的研究j j 实现 ( 5 ) 氢氧基及臭氧( 混和氧化剂) 氧化电化学测量法； ( 6 ) 臭氧氧化电化学测量法。 从原理上讲，方法( 3 ) 更接近国标方法，方法( 2 ) 也是推荐的统一方法。 方法( 1 ) 在快速c o d 测定仪器上已经采用。方法( 5 ) 和方法( 6 ) 虽然不属于 国标或推荐方法，但鉴于其所具有的运行可木等特点，在实际应用中，只需将其 分析结果与国标方法进行比对试验并进行适当的校正后，即可予以认可。但方法 ( 4 ) 用于表片水质c o d ，虽然在日本己得到较广泛的应用，但欧美各国尚未应 用( 未得到行政主客部门的认可) ，在我国尚需开展相关的研究。 h t t p ：w w w h b s o s o t o m 从分析性能上讲，在线c o d 仪的测量范围一般在1 0 ( 或3 0 ) 2 0 0 0 m g 1 ，因 此，目前的在线c o d 仪器仅能满足污染源在线自动监测的需要，难以应用于地 表水的自动监测。另外，与采用电化学原理的仪器相比，采用消解氧化还原滴 定法、消解光度法的仪器的分周期一般更长一些( 1 0 m i n 一2 h ) ，前者一般为 2 8 m i n 。 从仪器结构上讲，采用电化学原理或u v 计的在线c o d 仪的一般比采用 消解氧化还原滴定法、消解光度法的仪器结构简单，并且由于前者的进样及试 剂加入系统简便( 泵、管更少) ，所以不仅在操作上更方便，而且其运行可桕| 生也 更好。 从维护的难易程度上讲，由于消解氧化还原滴定法、消解光度法所采用 的试剂种类较多，泵管系统比较复杂，因此在试剂的更换以及泵管的更换维护方 面较烦琐，维护周期比采用电化学原理的仪器要短，维护工作量大。 从对环境的影响方面讲，重铬酸钾消解氧化还原滴定法( 或光度法、或库 仑滴定法) 均有铬、汞的二次污染问题，废液需要特别的处理。而u v 计法和电 化学法( 不包括库仑滴定法) 则不存在此类问题。 p h 浊度计：实时采集水质的p h 值和浊度，输出4 2 0 m a 的电流给p l c 的 a i 模块； 超声波流量计：负责采集排污口的瞬时流量和累计流量，现场工控机程序通 过r s 2 3 2 串口读取该仪器数据，向超声波流量计发送十六进制“1 1 h ”，它便返 回3 分钟前的瞬时流量和累积流量； 温度计：负责采集现场监控站房的温度，输出4 - 2 0 m a 的电流给p l c 的a i 模块； 烟感：负责现场监控站房的火灾告警，输出一个开关量给p l c 的a i 模块； 液位计：负责监控现场取水泵水池的液位，输出一个开关量给p l c 的a i 模 块 1 2 北京邮电大学硕士学位论文基于g s m 网络水质在线自动监测系统的研究与实现 2 1 1 3 系统其它仪器 采样机：当有某项监测数据超标后，采样机将采样，以备日后使用，最多可 以采2 4 瓶，一次采样可以采1 瓶也可采多瓶； 取水泵：当需要测量水质情况时，它负责取水，本系统设计为4 小时取水一 次，当然此参数也可以设置，但建议不要小于1 个小时； 臭氧发生器：产生臭氧，用于消菌杀毒和除藻； 电磁阀、电动阀：用于控制管道的开关； 空压机：产生压力，用于冲洗管道； 冲洗泵：负责冲洗管道，去除藻类等杂质，保证水质测量结果的准确性； 2 1 2 现场工控机 现场工控机上运行工控机软件，工控机软件通过r s 4 8 5 串口总线和p l c 通 信，读取p l c 上a i 模块的数据；通过r s 2 3 2 和超声波流量计通信，读取瞬时 流量和累积流量，有多个超声波流量计的污水厂需要将多个瞬时流量相加，多个 累计流量卡n d l l ；通过r s 2 3 2 和m o d e m ( 负责发送短信的调制解调器) 通信，发送 水质实时数据和告警数据给监控中心。现场工控机作为上位机与p l c 和监控中 心通信，可以进行系统控制、采集数据、分析数据、处理数据、保存数据、传输 数据、参数设置等。 现场工控机软件主界面如下： 北京l | | 【j 电人学硕i ：! 学位论文甚十g s m1 叫络水质化线自动i t , 在y , f l 系统的研究j 实现 一水质实孵教据：一 一一一 时阍： d f f ：r ) ：厂1 一l 嘴：厂一 t l 【z ：厂一- lt 黼i u ：厂l ，s r o d t a l v ) ：厂一- c a 淑：厂+ 以 量计# i 量： 厂吨t h l l ：厂。度 图2 3 现场x - - 控机程序主界面 现场工控机在这套监控系统中处于关键的地位，是整个监控系统的纽带，起 到承上启下的关