張 海 傳，　林 云 鐸，　李 　 月

( 大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 大連　116034 )

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基于無(wú)線通信技術(shù)的環(huán)境水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

張 海 傳，林 云 鐸，李 月

( 大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 大連116034 )

摘要:為實(shí)現(xiàn)環(huán)境水質(zhì)的遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)其最基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。采用TI公司的MSP430F5438A控制器為核心，以ZM2410模塊和USR-GPRS232-7S2模塊分別構(gòu)建了ZigBee和GPRS無(wú)線通信系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)計(jì)了多種通信接口以滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。測(cè)試結(jié)果表明，該現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞:水質(zhì)監(jiān)測(cè)；ZigBee；GPRS

0引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水質(zhì)污染問(wèn)題和水資源短缺日益引起人們的關(guān)注[1-3]。水污染嚴(yán)重威脅到人們的生存環(huán)境，不僅加劇了水資源的短缺，也對(duì)我國(guó)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略帶來(lái)嚴(yán)重的負(fù)影響，對(duì)水資源的有效利用和管理已上升到國(guó)家戰(zhàn)略的高度。環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)既是環(huán)境信息的源頭，又是環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)監(jiān)督管理的有效手段。為實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境水污染及其治理進(jìn)行監(jiān)督和監(jiān)測(cè)，迫切需要先進(jìn)的環(huán)境水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4-6]。

環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)終端負(fù)責(zé)所有水質(zhì)參數(shù)的采集和傳送，是整個(gè)環(huán)境水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的根本和核心。但由于目前使用的水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀表接口多樣，兼容性不好，而且大都是采用有線連接，不僅連線復(fù)雜，成本高，在有些大范圍的監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)更是難以實(shí)現(xiàn)，所以環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)終端往往都是采用現(xiàn)有的PLC或者其他大型的控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)[7-9]，連接方式也是多種多樣，這大大限制了環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展。本文設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線通信技術(shù)的環(huán)境水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，兼容性好，而且采用更加靈活的無(wú)線傳感技術(shù)傳送數(shù)據(jù)，對(duì)環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化水平的提高具有一定意義。

1環(huán)境水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境水質(zhì)參數(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了環(huán)境水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用GPRS無(wú)線通信技術(shù)[10-12]將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心相連，對(duì)環(huán)境水質(zhì)在線、連續(xù)監(jiān)測(cè)，整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)測(cè)區(qū)域1～N中水質(zhì)的各類參數(shù)如溶解氧、COD及濁度等通過(guò)無(wú)線傳輸模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心，當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域的水質(zhì)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，及時(shí)報(bào)警，將具體水質(zhì)參數(shù)及報(bào)警區(qū)域等信息傳送給有關(guān)負(fù)責(zé)人。將分散的環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，自動(dòng)接收、存儲(chǔ)水質(zhì)各類參數(shù)的數(shù)據(jù)，隨時(shí)隨地掌握環(huán)境水質(zhì)情況，并當(dāng)水質(zhì)情況出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，及時(shí)報(bào)警。

圖1　環(huán)境水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2環(huán)境水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

2.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1終端總體架構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端的構(gòu)成主要包括微控制器MSP430M5438A核心電路、ZigBee和GPRS無(wú)線通信電路、RS232電路、RS485電路、電流環(huán)電路以及其他外圍電路?，F(xiàn)場(chǎng)終端采集現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀表的各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)，這些水質(zhì)數(shù)據(jù)通過(guò)微控制器MSP430M5438A處理后，在現(xiàn)場(chǎng)終端的顯示器上顯示，以供現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試使用，同時(shí)，將水質(zhì)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS無(wú)線通信方式傳送到遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)環(huán)境水質(zhì)參數(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖2　現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端硬件結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端的硬件設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)是無(wú)線通信電路的設(shè)計(jì)，下面對(duì)ZigBee無(wú)線通信電路和GPRS無(wú)線通信電路進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2.1.2ZigBee無(wú)線通信電路設(shè)計(jì)

采用ZM2410模塊進(jìn)行ZigBee無(wú)線通信電路的設(shè)計(jì)，ZM2410模塊工作于2.4 GHz頻段，傳輸速率為250 kb/s，傳輸距離大于100 m(可視距離)，工作穩(wěn)定，可靠性高。其外圍電路及與主控制器的接口電路如圖3所示。ZigBee無(wú)線通信模塊ZM2410外圍接口電路比較簡(jiǎn)單，3個(gè)指示燈D1、D2和D3分別用于指示模塊的錯(cuò)誤、發(fā)送和接收的狀態(tài)，其與主控制器MSP430F5438A的通信僅需要3根線。由于主控制器采用3.3 V電源系統(tǒng)，而ZM2410是5 V電源，所以當(dāng)主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)可與ZM2410直連，而當(dāng)其接收數(shù)據(jù)時(shí)，則需要通過(guò)圖中的電阻和二極管進(jìn)行限壓，保證主控制器的安全。

2.1.3GPRS無(wú)線通信電路設(shè)計(jì)

采用USR-GPRS232-7S2模塊進(jìn)行GPRS無(wú)線通信電路的設(shè)計(jì)，USR-GPRS232-7S2模塊可在850、900、1 800和1 900 MHz 4種頻段下工作，性能穩(wěn)定，使用方便，其外圍接口電路如圖4所示。GPRS無(wú)線傳輸模塊USR-GPRS232-7S2與主控制器MSP430F5438A的通信也僅需要三根線，方便簡(jiǎn)單。

2.2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端通過(guò)電流環(huán)、RS232、RS485以及ZigBee無(wú)線通信等方式與現(xiàn)場(chǎng)的多種水質(zhì)參數(shù)儀表進(jìn)行通信，讀取其水質(zhì)參數(shù)，經(jīng)過(guò)主控制器處理后，將數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS無(wú)線傳輸系統(tǒng)傳送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，同時(shí)在終端的液晶屏上顯示?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端的主程序流程圖如圖5所示。

現(xiàn)場(chǎng)終端在上電后首先對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部和外部的設(shè)施進(jìn)行檢測(cè)。自檢通過(guò)后運(yùn)行系統(tǒng)初始化程序，對(duì)主控制器各個(gè)端口和內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化設(shè)定。完成初始化后，測(cè)試系統(tǒng)各個(gè)端口是否正常，測(cè)試無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是否正常，如果出現(xiàn)故障，則停機(jī)進(jìn)行故障處理。當(dāng)系統(tǒng)全部正常后從各現(xiàn)場(chǎng)儀表中讀取水質(zhì)參數(shù)，然后等待中斷，當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，判斷是定時(shí)中斷還是外部中斷。定時(shí)中斷發(fā)生后，立即讀取現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)參數(shù)，在終端顯示屏上顯示數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)GPRS無(wú)線方式傳送到數(shù)據(jù)中心。外部中斷發(fā)生后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入以及液晶顯示等操作，當(dāng)完成中斷服務(wù)程序時(shí)，終端進(jìn)入休眠狀態(tài)，以節(jié)約功耗。

圖3　ZM2410模塊外圍接口電路設(shè)計(jì)

圖4　USR-GPRS232-7S模塊外圍接口電路設(shè)計(jì)

圖5　現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端主程序流程圖

3測(cè)試結(jié)果與分析

為了測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況，選用最常見(jiàn)的測(cè)量水質(zhì)溫度的溫度儀對(duì)終端的各個(gè)通信接口的工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。選用L91-1高精度工業(yè)溫度記錄顯示儀，通過(guò)為其配置不同的轉(zhuǎn)換器使其分別輸出電流環(huán)、RS232和RS485信號(hào)，再配置ZigBee無(wú)線模塊使其能夠加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送數(shù)據(jù)。GPRS的測(cè)試則由發(fā)送到數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。進(jìn)行了10次測(cè)試，分別在不同的溫度點(diǎn)進(jìn)行，測(cè)試比較結(jié)果如表1所示。

在測(cè)試比較的10組數(shù)據(jù)中，各通信端口都能夠正確地接收儀表發(fā)送的數(shù)據(jù)，RS232、RS485、ZigBee無(wú)線傳輸及GPRS無(wú)線傳輸接收數(shù)據(jù)的正確率基本上是100%，其中第7次測(cè)試有誤差應(yīng)該是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)造成的。所有接口中電流環(huán)接收的數(shù)據(jù)偶爾會(huì)有與儀表數(shù)據(jù)不一致的，這應(yīng)該是由于電路中電路參數(shù)的微小差別造成的。盡管電流環(huán)電路偶爾會(huì)有誤差，但是誤差很小，實(shí)際中可忽略不計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，本現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端完全能夠滿足水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求。

表1　終端通信接口測(cè)試結(jié)果

4結(jié)論

環(huán)境水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)我國(guó)水資源的保護(hù)和管理利用都具有重要的意義，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心。本文基于無(wú)線通信技術(shù)構(gòu)建了環(huán)境水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)，該終端系統(tǒng)具有工業(yè)上常用的RS232、RS485、電流環(huán)以及ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等多種通信接口，方便終端系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)多種水質(zhì)儀表進(jìn)行通信，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，兼容性強(qiáng)，可靠性高，實(shí)際測(cè)試表明該終端系統(tǒng)性能良好。本文設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)終端系統(tǒng)對(duì)于其他領(lǐng)域的類似應(yīng)用也具有很高的借鑒意義。

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Design of water quality monitoring terminal based on wireless communication technology

ZHANGHaichuan,LINYunduo,LIYue

( School of Information Science and Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

Abstract:The environmental water quality monitoring system was designed to monitor the remote environmental water on line. And the monitoring terminal of the system was designed in detail. Zigbee and GPRS wireless communication system were construct by ZM2410 module and USR-GPRS232-7S2 module using micro-controller MSP430F5438A as the core of the monitoring terminal, while a variety of communication interfaces were designed to meet the site requirements. The test results showed that the monitoring terminal was simple and reliable.

Key words:water quality monitoring; ZigBee; GPRS

中圖分類號(hào):TN92

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

作者簡(jiǎn)介:張海傳(1980-)，男，副教授.

收稿日期:2015-03-16.

文章編號(hào):1674-1404(2016)02-0153-04