基于3G的水质自动监测系统的设计

2015-12-12 05:59陈甜甜徐志祥薛晓清
江苏水利 2015年7期
关键词:上位水质监控

叶 军 陈甜甜 徐志祥 薛晓清

(1.泰兴市水务局,江苏 泰州 225400;2.河海大学物联网工程学院,江苏 常州 213022)

0 引言

近年来,随着我国经济的快速发展,工业、生活废水的非法排放导致大量的水资源被污染。人们饱尝环境污染的恶果,使得环境问题越来越受重视,特别是与人们生产生活息息相关的水污染问题。因此,对人们饮用水源污染情况进行有效的监控,及时发现污染源、确定污染范围、确定污染类型并制定相应的应急预案尤为重要。目前,我国水质监测系统采用现场采集-实验室分析的方法。该方法存在水质采样不足,缺乏自动测报能力,水质监测信息处理时效性差,对水质参数没有预警能力,不能实现在线、实时、连续自动监测等问题[1]。针对上述问题,笔者提出基于3G(3rd-Generation)的水质监测系统的设计方案。本系统运用3G 技术,借助现有的移动通信网络对分散的水域水质实现实时远程监测,具有不受地理环境和气候等因素限制、实时性好等优点,应用前景广阔。

1 系统总体设计

衡量水污染的指标主要有温度、PH 值、氧溶量(DO)、电导率、浊度、化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、重金属离子等[2]。在本系统中,主要针对水中的温度、PH 值、氨氮、铅离子以及氟离子信息进行采集并实时显示。

1.1 系统整体结构设计

水质监测具有区域内的监测数量多、监测时间长、监测情况复杂等特点[3]。笔者设计的水质自动监测系统由数据采集部分、数据远程传输部分和上位机监控中心子系统三大部分组成,图1 为水质自动监测系统框架图。

图1 基于3G 水质自动监测系统框架图

数据采集部分处于水质监测系统框架图的最左边部分,主要由多种水质传感器、单片机、Zigbee 无线传感网络组成,用于采集水中的温度、PH 值等多种参数。

系统框架图的中间部分是数据的远程传输部分,由目前技术成熟的3G DTU 实现,操作性强,应用方便。

系统框架图最右侧为远程监控中心,也是笔者研究的核心部分。监测中心对接收到的水质参数进行分析和处理,将处理之后的数据存入数据库并显示到上位机界面,对发现水质参数超标和水质污染的区域进行报警,数据库中的数据供用户查询和为判断工厂的排污是否超标提供依据。同时,系统要求监控中心计算机连接在移动公司提供的专用网络上:一方面可以保证IP 地址固定不变;另一方面,采用移动公司专网可以保证服务器不被其他具有3G 功能的终端干扰。

1.2 3G DTU 通信模块

3G DTU 是一种物联网无线数据终端,利用公用的GPRS、CDMA、3G网络为用户提供无线长距离数据传输功能,具有很好的抗干扰性能,又可以较低的功率、较高的带宽发送数据传输速率,并且数据终端永远在线,实时性好、系统运行成本低。

在本系统中,传感器节点采集到的数据通过ZigBee 网络传入汇聚节点,经RS232 串口传输给3G DTU,数据被发送至3G 网络,再通过3G 网进入Internet,最后被指定IP 地址的用户数据中心读取。

1.3 系统通信方式

本系统在上位机和现场采集中分别实现了TCP/IP 协议,上位机软件系统以一个固定IP 通讯的底层支持,在此IP 上建立TCP 通讯服务器,用来接收现场采集系统的数据报送。现场采集系统采用3G DTU 基于IP的通讯硬件连接到Internet 网络,通过指定的IP 完成与上位机软件系统的通讯。当现场采集系统加电以后,根据设定的IP 地址和端口号建立通讯连接,通讯连接完成后,上位机接收到下位机发送来的数据并保存到数据库中。

2 系统软件设计

上位机和3G DTU 直接通信是采用基于TCP/IP 协议的Socket 套接字编程实现数据采集和现场采集系统运行参数的设置,以及现场采集系统报送数据的接收。

系统软件界面主要包括实时监测、短信猫、用户管理三大部分。实时监测包括数据实时显示和历史数据查询;短信猫包括设备的测试和发送记录;用户管理包括用户的增加和删除,以及用户权限的管理。监控中心软件主要包括数据接收模块和数据库模块。数据接收模块的功能是从Internet 获得数据并解析协议包,然后按照一定规则把有效的数据写入数据库。本系统数据库采用ACCESS数据库,功能是管理采集数据、用户信息、短信发送信息和为用户查询提供实时数据和历史数据。整个系统采用C#设计,主要功能是从Internet 接收数据,并判断数据包的好坏,然后解析数据包得到有效数据并添加到数据库中,接收数据流程如图2 所示。实时显示部分可以将各参数值实时数据显示出来,当数据超标时及时预警并以短信告知工作人员;在历史数据查询部分,用户可以随意选择日期、监测点、参数值进行数据查询,以及曲线图绘制、数据报表打印等;短信猫的设计是为了让工作人员及时了解水质情况,以及添加和删除用户。该软件为用户实时监控水质状态提供了可靠保证,曲线图的生成和报表打印以及短信告知功能,可大大减轻人员工作强度。

3 系统性能测试与分析

图2 接收数据流程图

为了测试系统的综合性能,在不同的水域对系统进行了试验测试。在系统测试时,考虑到可能影响系统传输性能的各方面因素,针对不同时间段、不同监测点进行了数据传输记录实验和性能分析。监控中心子系统某一时刻监测数据如表1 所示。

表1 监控中心子系统监测数据

由表1可看出,某一时刻不同监测点的数据变化不大,尤其是重金属含量几乎无变化,表明水质污染没有出现太大变化。

测试结果表明:系统运行稳定、数据传输性能好、数据处理及时、监测数据准确度高,系统具有较高的可靠性和稳定性,对综合分析水质状况具有实际意义。

4 结论

笔者构建了一种基于3G 的水质自动监测系统,具有数据传输不受地理气候限制、数据处理及时、出现水质变化预警及时的优点,并着重分析了后台软件的设计过程和数据存储过程。利用传感器节点采集水质的5项指标信息,通过3G 和Internet 等方式传送到监测中心,一旦指标超出限制,便发出预警并发短信告知工作人员,实现了对水质的实时监控,可为相关部门制订水质保护措施提供支持。

同时,本系统结合ACCESS 数据库存储采集数据,便于历史查询。本系统实现了对水质的有效监控,为综合分析水质状况提供了具有实际意义的水质监测手段。

[1]黄毅,黎杰.基于GPRS 的水厂实时远程监测系统[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2008,31(5):705-707.

[2]Legin A L,Ychkov E A,Vlasov Y G.Analytical Applications of ChalcogenideGlass Chemical Sensor in Environmental Monitoring and Process Control[J].Sensors and Actuators,1995,24(1/3):309-311.

[3]王骥,王筱珍,任肖丽,等.基于无线传感器网络的水污染监测系统[J].桂林电子科技大学学报,2009,29(6):247-250.

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