韋富余，王妹婷,2，齊永鋒，馬 如，蔡守華，韓 洋，陳 德，王 晨

(1.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127；2.上海交通大學，上海 200240)

0 引 言

過去，我國一直把水質監(jiān)測的重點放在大中型城市，而忽略了廣大農村。村鎮(zhèn)飲用水源地保護工作起步晚、經費少、地域分布較為分散且受城鎮(zhèn)污水、工業(yè)廢水以及農田排水等污染，致使村鎮(zhèn)飲用水水源污染日益嚴重，且呈逐漸惡化的趨勢[1-3]。傳統(tǒng)的水質監(jiān)測方法已經不能滿足現在日益惡化的水質情況，因此需要用現代的管理方式和水質監(jiān)測手段對村鎮(zhèn)飲用水水源水質進行監(jiān)測，保證村鎮(zhèn)飲用水安全。

目前國內外已有很多關于水質在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究，黃建清、趙小歡、仇榮華[4-6]等人構建了基于ZigBee無線網絡的水質自動監(jiān)測系統(tǒng)；代子文[7]在分析了庫區(qū)水環(huán)境的基礎上，設計實現了一種基于嵌入式Android操作系統(tǒng)的水質在線監(jiān)測管理系統(tǒng)；張宇斯、孫京玉、賈桂林[8-10]等以大東湖生態(tài)水網及衡水湖為水質監(jiān)測的研究對象，提出了一種基于物聯(lián)網技術的水質監(jiān)測系統(tǒng)等等。本文基于國內外研究[11-12]，結合我國飲用水水源水質監(jiān)測情況，研究并設計了一套比較完善的水源地水質在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能及構成

本文研究設計的飲用水水源地水質在線監(jiān)測系統(tǒng)主要包括3個子系統(tǒng)：水質數據采集傳輸系統(tǒng)、現場監(jiān)察系統(tǒng)和遠程Web數據查詢系統(tǒng)。水質數據采集傳輸系統(tǒng)用來采集水質傳感器的數據并將數據發(fā)送到數據庫，現場監(jiān)察系統(tǒng)主要用來了解水質監(jiān)測系統(tǒng)工作現場的情況，遠程Web數據查詢系統(tǒng)可實現用戶使用瀏覽器查看水質傳感器數據、觀察水質變化趨勢、評價水質等級的功能。

1.1 水質數據采集傳輸系統(tǒng)設計

參照《地表水環(huán)境質量標準》( GB 3838-2002)有關水質指標的限值規(guī)定，并結合村鎮(zhèn)飲用水水源的實際情況，總結歸納出本文所監(jiān)測的5項水質指標，各等級限值如表1所示。傳感器種類、質量、技術參數等直接影響監(jiān)測數據的準確性、穩(wěn)定性、可靠性，并嚴重影響水質等級評價結果。根據水質指標并綜合考慮到成本、精度、可靠性等因素，選定本文監(jiān)測系統(tǒng)使用pH值傳感器、溫度傳感器、電導率傳感器、溶解氧傳感器、濁度傳感器共計5種傳感器，均為直流電壓供電，輸出均為4～20 mA信號，均具有功耗低、操作簡單、方便維護等優(yōu)點。

水質數據采集傳輸系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示，主要包括水質傳感器、微處理器和GPRS通信模塊。傳感器輸出4～20 mA的標準信號，經過STC12LE5A60S2內置高速A/D轉換器把模擬信號轉換成數字量，通過STC12LE5A60S2的串口2發(fā)送到SIM300模塊的串口緩存區(qū)，并使用AT指令建立SIM300與GPRS服務器的無線網絡連接，把SIM300接收到的數據發(fā)送到GPRS服務器。

表1 監(jiān)測指標及標準限值Tab.1 monitoring indicators and standard values

圖1 硬件結構圖Fig.1 The hardware structure diagram

1.2 現場監(jiān)察系統(tǒng)

現場監(jiān)察系統(tǒng)硬件結構如圖2所示，構成是在PTB204開發(fā)板上外接一個串口攝像頭PTC01。攝像頭連在串口上，系統(tǒng)初始化完成進入待機后，通過手機向PTB204板上的手機號碼發(fā)送短信，綁定一個或幾個接收現場圖片的手機號碼。綁定的手機號碼可以隨時撥打PTB204板上的號碼，PTB204接到來電后，自動掛斷，然后PTC01進行拍照以彩信的方式回傳現場照片；在現場查看監(jiān)測系統(tǒng)時，若有突發(fā)狀況發(fā)生，可以立即按下按鈕觸發(fā)拍攝現場圖片發(fā)送到綁定的管理人員手機，以便及時采取處理措施。

圖2 現場監(jiān)察系統(tǒng)硬件結構圖Fig.2 Monitor system hardware structure diagram

圖3為現場監(jiān)察系統(tǒng)遠程拍攝發(fā)送到管理人員手機的照片。從圖3上，可以看到監(jiān)測水域的基本情況，如水體顏色的明顯變化、水面上是否存在垃圾漂浮物、水質監(jiān)測設備是否遭到破壞等?，F場圖片采集這一功能的實現，對于水體安全及監(jiān)測設備的保護，提供了多一份保障，有很強的實用價值。

圖3 實驗結果圖Fig.3 The experimental results figure

1.3 遠程Web數據查詢系統(tǒng)

傳感器采集到的數據通過GPRS網絡發(fā)送到服務器，經過GPRS服務器接收軟件的處理后，將數據存儲到SQL Server數據庫中；再利用ASP.NET技術結合SQL Server數據庫編寫的Web服務器程序，實現使用瀏覽器查看監(jiān)測數據、觀察水質變化趨勢、評價水質等級的功能。

本文使用SQL Server 2005設計了2個數據庫表結構tb_sysUser(用戶信息表)和Table_1(監(jiān)測數據信息表)。表tb_sysUser主要用來保存用戶的基本信息，該表的結構如表2所示。

表2 表tb_sysUser的結構Tab.2 The structure of the table tb_sysUser

表Table_1主要用來保存系統(tǒng)的監(jiān)測數據，其結構如表3所示。

表3 表Table_1的結構Tab.3 the structure of the table Table_1

GPRS服務器接收軟件實現的具體步驟：

(1)基于Socket建立客戶端(SIM300)與服務器端的TCP連接；

(2)根據約定協(xié)議，接收客戶端發(fā)送的網絡數據；

(3)利用數據庫訪問工具ADO.NET實現對數據庫的訪問，進行數據存儲。

作為客戶端的SIM300模塊使用AT指令向服務器發(fā)起連接請求，成功建立連接后，服務器端軟件開始接收客戶端發(fā)送來的字符串數據，這些數據經過處理后存儲到數據表3 Table_1相對應的列。

Web應用程序是指Web服務器上包含的許多靜態(tài)和動態(tài)的資源的集合，對于ASP.NET Web應用程序來說，這些資源包括多個靜態(tài)的HTML頁面、動態(tài)的ASP.NET頁面、ASP.NET用戶控件、Web服務等。本文使用的是Win7系統(tǒng)提供的IIS6.0服務器，完成了水質監(jiān)測系統(tǒng)遠程界面的編寫，圖4為遠程實時監(jiān)測傳感器數據Web界面。

圖4 遠程實時監(jiān)測傳感器數據Web界面Fig.4 Web interface of remote real-time monitoring sensor data

2 系統(tǒng)的網絡結構設計

系統(tǒng)網絡結構示意圖如圖5所示，系統(tǒng)的網絡結構分為四層：第一層為前端水質傳感器和串口攝像頭，水質傳感器以有線方式連接到單片機STC12LE5A60S2的P1口，串口攝像頭通過串口連接到PTB204開發(fā)板；第二層為GPRS通訊模塊，傳感器采集到的數據通過GPRS網絡無線發(fā)送到固定的IP網絡，串口攝像頭拍到的圖片通過GPRS網絡發(fā)送到手機；第三層為配有固定IP網絡的數據接收服務器，接收到水質信息并保存到本地SQL Server數據庫中，并可利用ASP.NET技術編寫Web動態(tài)網頁操作數據庫；第四層為安裝有瀏覽器的電腦客戶端，在瀏覽器地址欄里輸入服務器的IP地址和端口號，即可對數據進行管理、查詢及曲線顯示。

圖5 系統(tǒng)網絡結構示意圖Fig.5 System network structure schematic

3 結 語

本文以水質傳感器和串口攝像頭為采集終端，以單片機作為控制中心，以GPRS模塊作為通信設備，以Web網頁作為水質監(jiān)測數據的顯示終端，用戶手機作為監(jiān)測現場圖片的接收終端，研究開發(fā)了一套完整的飲用水水源水質監(jiān)測系統(tǒng)。通過單片機控制軟件及服務器端軟件程序的編寫及運行調試，用戶能夠使用瀏覽器查看水質數據的相關信息，使用手機接收現場圖片。實驗結果表明系統(tǒng)較好地實現了預期目標，能夠實時監(jiān)測水源地水質pH值、溫度、電導率、溶解氧和濁度數據，并根據各個指標限值對水質進行評估，利于有關工作人員及時處理突發(fā)狀況。本文下一步工作是在飲用水水源水質監(jiān)測系統(tǒng)原有功能的基礎上，增加定期自檢功能，并將自檢結果實時發(fā)送至用戶手機，以保證不同水源地監(jiān)測設備長期運行過程中的可用性、可靠性，方便用戶對多個水源地水質監(jiān)測設備的管理和運行維護。

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