陳向進

（福建省廈門環(huán)境監(jiān)測中心站，福建 廈門 361022）

在水資源保護中，水量和水質都需要進行保護。針對水量保護，主要涉及到的是水資源合理利用的問題。針對水質保護，我們需要做好水質動態(tài)信息的監(jiān)測，從而及時對所監(jiān)測區(qū)域的水質狀況做出反應。而在水質保護工作中，通過一套水質在線監(jiān)測系統(tǒng)，往往能夠使水質監(jiān)測效率更高。而且，還可以使監(jiān)測速度快、自動化。如果水質污染較為嚴重，還可以及時發(fā)出警報，為環(huán)境監(jiān)測有關的決策提供信息支持。

1 水質在線監(jiān)測系統(tǒng)概述

水質在線監(jiān)測系統(tǒng)主要的兩個特征：連續(xù)性和自動監(jiān)測。該套系統(tǒng)需要基于在線水質進行自動分析。與此同時，該系統(tǒng)還綜合利用了自動控制技術和電子通信技術等技術。該系統(tǒng)的主要組成部分是水樣采集和水質分析單元、數據采集及傳輸單元、遠程監(jiān)控中心。系統(tǒng)的發(fā)展歷史較長，現在已經出現了多種形式。主要的形式有傳統(tǒng)站房式自動監(jiān)測站、箱體式預警站、浮標站等。通過實踐發(fā)現，這些形式所適用的范圍是不一樣的，而且有各自的優(yōu)勢和劣勢。比如，第一種形式傳統(tǒng)站房式自動監(jiān)測站的檢測精度比較高，而且其穩(wěn)定性也很好。一般情況下，該系統(tǒng)應用于水質檢測較為嚴格的場合。其劣勢是需要一次性投入大量的資金，而且后期維護成本也較高。第二種形式是箱體式預警站，這種形式屬于站房式水質自動站的范疇，其主要特征是小型化和模塊化。箱體式預警站的體積比較小，在不需要站房的前提下就能夠穩(wěn)定運行，方便在野外安裝。經實踐發(fā)現，這種形式的水質在線監(jiān)測系統(tǒng)某些指標的檢測精度不高。第三種形式的水質在線監(jiān)測系統(tǒng)是浮標站，該系統(tǒng)通常是在湖泊監(jiān)測場合中使用。

2 水質在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

以嵌入式節(jié)點水質在線監(jiān)測系統(tǒng)為例，針對水質在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件進行設計。

2.1 Balun 與阻抗匹配設計

Balun 電路，即巴倫電路，它是一種平衡不平衡轉換器。這種電路應用于天線設計，可以連接平衡傳輸線與非平衡傳輸線，從而是平衡信號和非平衡信號之間的信號實現轉換。CC1101 無線模塊包括兩個端口，且都有平衡結構，分別為RF_P端口和RF_N 端口。因為尺寸的限制，所以通?？梢詫⑵湓O計成單極性天線。在此時，巴倫（Balun）電路就能夠起到作用：使等幅、反向的平衡信號合成單端信號。當然，還有另外一種處理方案，就是可以將合成的單端信號進行調制，使調制的信號成為兩路信號。這兩路信號的特征是幅值相等，但相位差是180，通過通道進行傳輸。通過阻抗匹配，可以激勵源內部阻抗與負載阻抗相匹配，輸出最大功率。

2.2 單端濾波設計

對于一個射頻放大器，最重要的兩項指標是線性度和效率，然而這兩項指標又相互制約，二者不可兼得。在CC1101 模塊設計中，若為減少內部電源消耗，提高工作效率，則非線性失真也必將增加，導致形成較高的諧波信號。為抑制電路中諧波信號，在后面需要增加單端濾波器，主要有π 型和T 型兩種可供選擇，如圖1 所示。

圖1 兩種單端濾波器電路模型

2.3 天線選擇

目前廣泛應用的天線有三種，即PCB 天線、鞭狀天線和芯片天線，每種天線都有自身的缺點和優(yōu)點，需要結合實際項目進行選擇，本文設計的無線通信模塊采用的是輻射效率較高的鞭狀天線。

3 水質在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

3.1 CC1101 寄存器配置

CC1101 內部寄存器較多，而且其功能要求是不一樣的，所以我們通過手動配置來實現。然后，可以將MISO、MOSI、CSn、SCLK 協議讀入從機。這樣，當系統(tǒng)處于運行狀態(tài)的時候，CC1101 內部寄存器發(fā)揮從機的作用，而通過單片機來充當主機。然后，完成片選、時鐘信號輸入、主機數據輸入和數據收發(fā)等任務。主機與從機SPI 接口工作方式是環(huán)形總線結構，借助按位傳輸方式傳輸。

3.2 GPRS 遠程通信設計

SIM900A 應用GPRS 業(yè)務時，TCP 與監(jiān)控中心服務器連接。GPRS 網絡可以看作Internet 的子網，當SIM900A 發(fā)起TCP 連接時，Internet 會為模塊隨機分配一個IP，而此時，IP 是不固定的。所以導致SIM900A 模塊只能作為客戶端，而服務器為監(jiān)控中心。在服務器需要發(fā)送巡檢命令之時，等待SIM900A 主動發(fā)起連接。這樣，GPRS 網絡的應用受到的限制就較大。除此之外，GPRS 網絡來源于GSM 網絡。眾所周知，該網絡的語音業(yè)務優(yōu)先級別較高。所以，如果TCP 在一定時間內有連接，但是沒有任務。此時，數據業(yè)務優(yōu)先級降低。這樣，互聯網基站服務器為了節(jié)省寬帶會自動斷開網絡，通信功能會處于暫停狀態(tài)。

為了解決上述兩個問題，在SIM900A 通信程序設計中增加了“心跳”功能。在TCP 連接后，采用STM32F103ZE 定時器功能周期性的給監(jiān)控中心服務器發(fā)送“心跳”數據包監(jiān)控中心服務器收到“心跳”信號后，再給SIM900A 發(fā)送一個響應信號，如此SIM900A 不僅能夠始終與監(jiān)控中心服務器連接，而且數據業(yè)務優(yōu)先級不會降低，保證TCP 正常連接及GPRS 通信服務器狀態(tài)轉換關系。

4 水質環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)在工業(yè)生產中的應用

4.1 數據傳輸系統(tǒng)的建設

4.1.1 確定傳輸方式

眾所周知，在傳統(tǒng)的環(huán)境在線儀器中，一般是需要專人對現場數據進行抄寫的。因為需要人工，所以需要花費大量的實踐，而且因為人為因素的影響，數據的抄寫也不一定能夠確保百分之百準確。而且，過度依賴人工現場抄寫數據，也會使在線儀器的自動傳輸功能逐步喪失。所以，傳統(tǒng)的環(huán)境在線儀器不符合現有的環(huán)境監(jiān)測的需要。在科學技術發(fā)展和進步的過程中，網絡技術也得到了進一步的發(fā)展?，F在，我國的水質環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展飛速，特別是在數據傳輸系統(tǒng)建設方面。目前的數據傳輸系統(tǒng)的數據傳輸方式，主要有電話線、局域網、GPRS網絡以及手機短信等這些傳輸方式。

為了確定合適的傳輸方式，首先需要明確各種數據傳輸方式的優(yōu)劣勢。然后根據當地的實際狀況，選擇最為合理的傳輸方式，以確保數據傳輸達到最好的效果。

4.1.2 確定監(jiān)測子站

根據上文中數據傳輸方式的優(yōu)劣勢分析，我們根據當地的實際情況，選擇了最合理的傳輸方式之后，下一步就是確定監(jiān)測子站。監(jiān)測子站一次性可以傳輸較多的數據，一般情況下，對監(jiān)測子站使用的原則是就近原則。換言之，就是將距離較近的排污點布置在同一個監(jiān)測子站周圍。然后借助泵，可以使排污點污水流入監(jiān)測子站，從而進行后續(xù)的監(jiān)測。所以，排污點到子站的距離必須合理控制好。為確定監(jiān)測子站，首先確定好數據的傳輸方式。然后，使各個子站和中心站與網絡互連。通過中心站進行數據發(fā)布。授權用戶通過利用接入網絡的信號，可以查找有關數據，這樣可以提高授權用戶查找數據的效率。

4.2 水質環(huán)境在線監(jiān)測儀器的安裝

為了建設好的數據傳輸系統(tǒng)，還需要在線監(jiān)測儀器的輔助，因為數據傳輸系統(tǒng)需要數據支持。在線監(jiān)測儀器在工業(yè)生產中應用的過程中，對于儀器的選擇而言，這也是極為關鍵的。

4.2.1 儀器的選型分析

在線監(jiān)測儀器的選型中，使用較多的在線監(jiān)測儀器是PH計、流量計等。通過不完全調查發(fā)現，目前我國的水質環(huán)境在線監(jiān)測儀器比較多，國內外生產的在線監(jiān)測儀器普遍能夠滿足一般的在線監(jiān)測需求。所以，我們需要做的是，先對儀器的性能有充分的了解之后，才進行選擇。對于儀器的選擇，還需要注意確保測量的準確性和穩(wěn)定性。另外還需要注意購買儀器所需費用的多少等細節(jié)問題。這樣，才能夠有利于后期的儀器維護，避免出現一些問題。

4.2.2 對于在線取樣系統(tǒng)的建設

在線儀器的一個缺陷就是難以維持長時間的穩(wěn)定運行。因此，為了實現長時間的運行，往往需要大量的人力支持。究其原因，主要包括以下幾個方面。第一，監(jiān)測點的水位經常變換，而且水中的雜質較多。如此，泵頭堵塞就容易發(fā)生。另外，有時不能一次得到足夠容量的取樣，就需要人力清理。因此，會造成人力的浪費。第二，在線儀器中，部分儀器需要全天候運行，而且有些儀器本身對取樣環(huán)境的要求較高，消耗較大，而且對泵的要求較高。在監(jiān)測點發(fā)生改變的情況下，極可能造成水質取樣的失敗，從而使在線取樣儀器不能正常工作。鑒于此，為了解決這個難題，我們可以通過設置自動閥和自吸泵進行組合來是實現在線取樣系統(tǒng)的功能。如圖2 所示，為某在線取樣系統(tǒng)的流程圖。

圖2 某在線取樣系統(tǒng)的流程圖

在線取樣系統(tǒng)的原理是儀器在啟動前自控閥A 會自動啟動，自控閥B 此時是關閉的。

當自來水流進取樣系統(tǒng)的前邊時，泵頭部分流出。系統(tǒng)該部分主要功能是反洗泵頭和自動灌引水。當自動閥A 關閉，自控閥B 以及泵啟動。然后，水流通過濾池進入取樣池。此時，自控閥B 以及泵自動關閉。這樣，在線取樣系統(tǒng)能夠實現反復循環(huán)操作。

5 結論

水質自動在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠對水質24 小時在線監(jiān)測，從而掌握工業(yè)生產排污水質的變動狀況。這樣，方便水環(huán)境管理。實踐表明，水質環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的應用，可以為水環(huán)境污染做出預警，從而進行應急處理，改善水環(huán)境質量。