基于GPRS的多参数分布式水质预警系统设计

2013-04-25张开骁王成杰胡立群陈敦军

电子科技 2013年11期

张开骁，张森，王成杰，邰非，胡立群，陈敦军

(1.河海大学理学院，江苏南京210098;2.南京大学电子科学与工程学院，江苏南京210093)

水质污染的变化，将影响水生生物的生长和水体生态系统的平衡，因此监测水质污染指标的变化尤为重要，其已被广泛应用于环保监测、生产流程污染监控等领域，而对于一个广阔区域内的多个不同测量点的某些参数或状态长期持续地监测，需在对应位置部署相应的传感器，不同传感器测量到的数据向系统平台传送汇总，系统平台接收数据后首先对数据有效性进行判断分析，然后将对应传感器的参数数据分别推送到程序后台对应的传感器分析程序，每个传感器分析程序将分析出的测量结果返还给系统平台，并通过对其测量结果的综合分析，得出准确的综合测量结果，为下一步预警工作的实施提供依据。

1 参数系统中数据传送方式的选择

在上述分布式多参数系统的大量数据采集与处理过程中，数据传送方式较为重要，通常数据的传送为3种方式:(1)采用人工巡查方式进行数据传送汇总，但该方式相对较为初级，易受到自然条件等各方面因素的影响。(2)采用有线传送，该种方式的优点是数据传输较为稳定，但易受到距离限制。(3)采用无线传送方式进行数据传送，不仅可降低劳动强度、节省布线成本、环境适应性强，且还具有便捷、灵活等诸多优点，适用于对广阔区域内的多个不同测量点的数据传送，故以此方式构建平台。

2 系统结构

多通道分布式水质预警系统平台的设计由以下模块构成:中心主控计算机、分布较广的智能传感器和无线网络等组成的分布式探测器系统。其是由光学、电学、化学、生物等多种测量方式所构成的智能传感器。而连接智能传感器端与中心控制计算机端的系统平台为无线数传模块，以下对各系统模块的组成与功能进行了分析。

2.1 系统主要模块功能

分布在监测点的传感器和带有CPU的本地控制器形成一个“智能传感器”系统，除了可获取探测信号外，还能对探测到的信号进行初步处理，并与外界进行数据通讯。中心主控计算机用于接收和处理来自不同测量点的智能传感器所传送的数据，同时可向其发送控制指令。而无线通讯则是为中心主控计算机与各智能传感器之间的沟通提供条件。

2.1.1 智能传感器模块

水环境监测智能传感器，以紫外光电传感器为例，该传感器主要以光学方式对水中成分进行采样，提取光谱信息，该智能传感器由以下几部分组成:本机控制单元、光学传感器组、信号调理单元、数据发送/接收单元。其中本机控制单元:由单片机STC12C5610AD担任，负责电源管理、接通传感器、启动数据转换、数据储存、控制数据的发送接收等。其主要特点为:1 T周期、10 kB Flash ROM、786 kB RAM、15 I/O、片上带有10 bit 8路A/D转换器、UART接口且低功耗运行等。传感器组包含:光电发光管、光电接收管等。信号调理单元含有:程控制放大器等，可将接收到的信号进行放大、整形。调理后的信号进入A/D转换器，将模拟信号数字化，从而方便数据保存和传送。数据发送接收单元，将来自传感器的数据以无线方式进行发送或接收来自控制中心的远程命令。同时将多个智能传感器分布在广阔的江、河、湖面上，中心控制计算机随时接收来自这些传感器的测量信息，从而对区域内的水环境进行动态监测。

智能传感器将获取的本地测量信号定时向远端的控制中心传送，通常采用无线方式发送。常用的无线发射模块有:嵌入式无线射频数传模块、GSM短信模块、GPRS模块。

(1)嵌入式无线射频数传模块，一般含有高速单片机和高性能的射频芯片，具有UART接口，采用GFSK的调制方式，工作频率418～455 MHz，空中传输速率2 400～9 600 bit·s－1，可方便嵌入到测量系统中，测量系统与射频模块通过UART口连接，数据传送透明，软件开销小。但无线射频数传模块数据传输距离相对较短，一般只有几百到几千米的距离。

(2)GSM(Global System for Mobile communication)短信模块，具有UART接口，本地测量系统中的CPU通过UART口，以AT指令操作GSM模块，并以短消息的方式与中心计算机建立联系，接收和发送数据，因利用的是GSM网络，所以数据传送距离几乎不受限制，只要有手机信号便可互传数据，由于数据是通过短信息中心间接传送，具有数据非及时传送的特性，因此适合应用于实时性要求较低的数据传送。此外，利用GSM短信传递数据，必须按要求将数据翻译成GSM网络所能识别的格式，因此需要增加额外的软件开销。

(3)通用分组无线业务(General Packet Radio Service，GPRS)，是在现有GSM系统基础上发展而来的一种新分组数据承载业务，该技术以分组交换为基础，能够在移动用户和数据网络间提供一种链接，这便可为移动用户提供无线IP和X.25服务，然后用户可通过GPRS使用各种高速数据业务，GPRS模块以TCP/IP协议与网络交换数据，因此通过GPRS传送的数据可以方便地与互联网对接，本地测量系统通过UART口连接GPRS模块，并以扩展的AT指令操作GPRS模块，向因特网上的中心主控计算机发起连接，一旦建立联系后，始终保持在线，且数据传输速度快、实时性好。目前，大多数GPRS模块内嵌有TCP/IP协议，这为编程开发提供了便利，该方式要求中心控制计算机有独立的IP地址，可以方便地接入互连网。

2.1.2 无线模块

无线模块一端连接智能传感器，另一端连接中心控制计算机。智能传感器系统中CPU带有UART口，而无线模块一般也带有1～2个UART口，因此两者通常以UART口直接连接交换数据。智能传感器中的本地CPU直接写入和读取UART口数据，无线射频模块负责将数据对外发送和接收。数据在智能传感器和中心计算机之间透明传输。由于系统中含有多个智能传感器，为了识别信息来源，必须为系统中的每个传感器和中心控制计算机进行统一的物理编号。例如，编号0代表计算机，编号1～255代表1号～255号传感器。将数据信息格式定义如下。字头，即信息特征字，用于引导信息，采用“TFWX”4个字符;来源编号，用于表明信息流出的传感器或计算机;目标编号，用于表明信息流入;数据内容，发送或接收的数据字节，16进制数据;结束符，表明本段信息结束，结束符用2 Byte的16进制数0XFF，0XFD表明。智能传感器数据发送时，来源编号为本机编号，目标编号为0，表明向中心控制计算机发送数据。智能传感器数据接收时，来源号码为0，表明信息来源于计算机;若目标编号与本机编号一致，表明该信息为中心计算机向本机发送的命令，解析后续数据，执行相应操作。否则忽略本条信息。

2.1.3 中心控制计算机模块

中心控制计算机和数传模块可通过不同的方式连接。中心控制计算机一般带有RS232串行接口，通过电平转换，可以与射频无线模块的UART口连接。GSM模块通常带有RS232，可以与计算机的串口直接相连;如果计算机只有USB接口，可以通过USBRS232转接器进行连接;如果以GPRS方式进行数据通讯，计算机端无需连接GPRS模块，中心控制计算机需要具有独立的IP地址，并接入互连网。

中心控制计算机端，在通过一个无线数传模块接收和发送数据时根据信息内容进行相应的处理。中心控制计算机对接收到的信息，根据来源编号判断信息来自于系统中的哪个智能传感器，并保存处理数据。中心控制计算机如果要发送信息，信息中的目标编号指明信息流向，从而可以控制对应的智能传感器。采用GPRS方式，智能传感器的本地CPU通过UART口连接GPRS模块。首先要知道中心控制计算机的IP地址，然后本地CPU以AT指令通过GPRS模块发起对中心计算机的连接，并等待响应。一旦连接成功，便可发送/接收数据。以SIM900A GPRS模块为例，若中心主机IP地址为“202.119.45.28”，程序端口为60000，发送数据0X85，则本地CPU向GPRS模块写入AT指令，可以实现相应的数据操作。回传给本地CPU的数据，可能是命令响应，也可能是收到的数据。对于接收到的数据，本地CPU进行解析，如果是有效数据，则执行相应的操作。此外中心计算机连接在互联网上，对特定端口进行侦听，响应连接请求。连接成功后便可进行收发数据。即中心计算机根据端口判断信息来源，向对应端口写入数据，则可向相应的传感器发送控制命令。

3 结束语

最终实现的系统平台工作流程如图1所示，多种不同类型的传感器数据通过集成器与GPRS无线发射/接收装置相连，系统平台接收数据后首先对数据有效性进行判断分析，然后将对应传感器的参数数据分别推送到程序后台对应的传感器分析程序，每个传感器分析程序将所分析出的测量结果返还给系统平台，系统平台通过对这些测量结果的综合分析，得到准确的综合测量结果或预警结果。同时根据需要设置采样间隔与电源延时关闭时间，依次通知远端分布式探头向本机发送数据。服务器上装有GPRS无线发射/接收装置:一方面可以接收传感器数据;另一方面可以对传感器发送指令或给用户终端发送预警结果。预警参数输出程序界面参见图2所示，最终实现了多参数的监测预警功能，包括无参数传感器、生物行为传感器、紫外光电传感器、生物毒性传感器、重金属传感器、紫外光电分布式传感器等。预警平台通过对多传感器数据的相互印证，实现初步对事故警情的风险源项进行筛查和分析，为警告的发布提供信息来源。