韦富余，王妹婷,2，齐永锋，马 如，蔡守华，韩 洋，陈 德，王 晨

(1.扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225127；2.上海交通大学，上海 200240)

0 引 言

过去，我国一直把水质监测的重点放在大中型城市，而忽略了广大农村。村镇饮用水源地保护工作起步晚、经费少、地域分布较为分散且受城镇污水、工业废水以及农田排水等污染，致使村镇饮用水水源污染日益严重，且呈逐渐恶化的趋势[1-3]。传统的水质监测方法已经不能满足现在日益恶化的水质情况，因此需要用现代的管理方式和水质监测手段对村镇饮用水水源水质进行监测，保证村镇饮用水安全。

目前国内外已有很多关于水质在线监测系统的研究，黄建清、赵小欢、仇荣华[4-6]等人构建了基于ZigBee无线网络的水质自动监测系统；代子文[7]在分析了库区水环境的基础上，设计实现了一种基于嵌入式Android操作系统的水质在线监测管理系统；张宇斯、孙京玉、贾桂林[8-10]等以大东湖生态水网及衡水湖为水质监测的研究对象，提出了一种基于物联网技术的水质监测系统等等。本文基于国内外研究[11-12]，结合我国饮用水水源水质监测情况，研究并设计了一套比较完善的水源地水质在线监测系统。

1 系统功能及构成

本文研究设计的饮用水水源地水质在线监测系统主要包括3个子系统：水质数据采集传输系统、现场监察系统和远程Web数据查询系统。水质数据采集传输系统用来采集水质传感器的数据并将数据发送到数据库，现场监察系统主要用来了解水质监测系统工作现场的情况，远程Web数据查询系统可实现用户使用浏览器查看水质传感器数据、观察水质变化趋势、评价水质等级的功能。

1.1 水质数据采集传输系统设计

参照《地表水环境质量标准》( GB 3838-2002)有关水质指标的限值规定，并结合村镇饮用水水源的实际情况，总结归纳出本文所监测的5项水质指标，各等级限值如表1所示。传感器种类、质量、技术参数等直接影响监测数据的准确性、稳定性、可靠性，并严重影响水质等级评价结果。根据水质指标并综合考虑到成本、精度、可靠性等因素，选定本文监测系统使用pH值传感器、温度传感器、电导率传感器、溶解氧传感器、浊度传感器共计5种传感器，均为直流电压供电，输出均为4～20 mA信号，均具有功耗低、操作简单、方便维护等优点。

水质数据采集传输系统的硬件结构如图1所示，主要包括水质传感器、微处理器和GPRS通信模块。传感器输出4～20 mA的标准信号，经过STC12LE5A60S2内置高速A/D转换器把模拟信号转换成数字量，通过STC12LE5A60S2的串口2发送到SIM300模块的串口缓存区，并使用AT指令建立SIM300与GPRS服务器的无线网络连接，把SIM300接收到的数据发送到GPRS服务器。

表1 监测指标及标准限值Tab.1 monitoring indicators and standard values

图1 硬件结构图Fig.1 The hardware structure diagram

1.2 现场监察系统

现场监察系统硬件结构如图2所示，构成是在PTB204开发板上外接一个串口摄像头PTC01。摄像头连在串口上，系统初始化完成进入待机后，通过手机向PTB204板上的手机号码发送短信，绑定一个或几个接收现场图片的手机号码。绑定的手机号码可以随时拨打PTB204板上的号码，PTB204接到来电后，自动挂断，然后PTC01进行拍照以彩信的方式回传现场照片；在现场查看监测系统时，若有突发状况发生，可以立即按下按钮触发拍摄现场图片发送到绑定的管理人员手机，以便及时采取处理措施。

图2 现场监察系统硬件结构图Fig.2 Monitor system hardware structure diagram

图3为现场监察系统远程拍摄发送到管理人员手机的照片。从图3上，可以看到监测水域的基本情况，如水体颜色的明显变化、水面上是否存在垃圾漂浮物、水质监测设备是否遭到破坏等。现场图片采集这一功能的实现，对于水体安全及监测设备的保护，提供了多一份保障，有很强的实用价值。

图3 实验结果图Fig.3 The experimental results figure

1.3 远程Web数据查询系统

传感器采集到的数据通过GPRS网络发送到服务器，经过GPRS服务器接收软件的处理后，将数据存储到SQL Server数据库中；再利用ASP.NET技术结合SQL Server数据库编写的Web服务器程序，实现使用浏览器查看监测数据、观察水质变化趋势、评价水质等级的功能。

本文使用SQL Server 2005设计了2个数据库表结构tb_sysUser(用户信息表)和Table_1(监测数据信息表)。表tb_sysUser主要用来保存用户的基本信息，该表的结构如表2所示。

表2 表tb_sysUser的结构Tab.2 The structure of the table tb_sysUser

表Table_1主要用来保存系统的监测数据，其结构如表3所示。

表3 表Table_1的结构Tab.3 the structure of the table Table_1

GPRS服务器接收软件实现的具体步骤：

(1)基于Socket建立客户端(SIM300)与服务器端的TCP连接；

(2)根据约定协议，接收客户端发送的网络数据；

(3)利用数据库访问工具ADO.NET实现对数据库的访问，进行数据存储。

作为客户端的SIM300模块使用AT指令向服务器发起连接请求，成功建立连接后，服务器端软件开始接收客户端发送来的字符串数据，这些数据经过处理后存储到数据表3 Table_1相对应的列。

Web应用程序是指Web服务器上包含的许多静态和动态的资源的集合，对于ASP.NET Web应用程序来说，这些资源包括多个静态的HTML页面、动态的ASP.NET页面、ASP.NET用户控件、Web服务等。本文使用的是Win7系统提供的IIS6.0服务器，完成了水质监测系统远程界面的编写，图4为远程实时监测传感器数据Web界面。

图4 远程实时监测传感器数据Web界面Fig.4 Web interface of remote real-time monitoring sensor data

2 系统的网络结构设计

系统网络结构示意图如图5所示，系统的网络结构分为四层：第一层为前端水质传感器和串口摄像头，水质传感器以有线方式连接到单片机STC12LE5A60S2的P1口，串口摄像头通过串口连接到PTB204开发板；第二层为GPRS通讯模块，传感器采集到的数据通过GPRS网络无线发送到固定的IP网络，串口摄像头拍到的图片通过GPRS网络发送到手机；第三层为配有固定IP网络的数据接收服务器，接收到水质信息并保存到本地SQL Server数据库中，并可利用ASP.NET技术编写Web动态网页操作数据库；第四层为安装有浏览器的电脑客户端，在浏览器地址栏里输入服务器的IP地址和端口号，即可对数据进行管理、查询及曲线显示。

图5 系统网络结构示意图Fig.5 System network structure schematic

3 结 语

本文以水质传感器和串口摄像头为采集终端，以单片机作为控制中心，以GPRS模块作为通信设备，以Web网页作为水质监测数据的显示终端，用户手机作为监测现场图片的接收终端，研究开发了一套完整的饮用水水源水质监测系统。通过单片机控制软件及服务器端软件程序的编写及运行调试，用户能够使用浏览器查看水质数据的相关信息，使用手机接收现场图片。实验结果表明系统较好地实现了预期目标，能够实时监测水源地水质pH值、温度、电导率、溶解氧和浊度数据，并根据各个指标限值对水质进行评估，利于有关工作人员及时处理突发状况。本文下一步工作是在饮用水水源水质监测系统原有功能的基础上，增加定期自检功能，并将自检结果实时发送至用户手机，以保证不同水源地监测设备长期运行过程中的可用性、可靠性，方便用户对多个水源地水质监测设备的管理和运行维护。

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[1] 中华人民共和国水利部.全国农村饮水安全工程“十二五”规划[R]. 2012.

[2] 孙 静. 村镇饮用水源水质监测评价及预警研究[D]. 江苏扬州: 扬州大学, 2015.

[3] 赵雪梅. 基于GPRS技术的村镇饮用水源水质监测系统的研究[D]. 江苏扬州:扬州大学, 2016.

[4] 黄建清, 王卫星, 姜 晟，等. 基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统开发与实验[J].农业工程学报，2013,29(4):183-190.

[5] 赵小欢.基于WSN的水产养殖水质在线监测系统设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学, 2014.

[6] 仇荣华. 基于ZigBee和ARM平台的水产养殖水质在线监测系统[D]. 济南：山东大学, 2010.

[7] 代子文. 基于嵌入式系统的库区环境水质在线监测管理系统设计[D]. 重庆：重庆大学, 2014.

[8] 张宇斯, 何道婷. 基于物联网技术的大东湖生态水网水质环境监测系统的研究[J]. 商品与质量，2012,(7):312-313,316.

[9] 孙京玉. 基于物联网的衡水湖水质监测[J]. 给水排水，2011,(37):461-462.

[10] 贾桂林, 刘美岑, 曾宝国, 等. 基于物联网的水质监测系统设计[J]. 物联网技术，2012,(12):81-85.

[11] Ebrahim Karami, Francis M. Bui, Ha H. Nguyen. Multisensor Data Fusion for Water Quality Monitoring Using Wireless Sensor Networks[C]∥ 4th International Conference, IEEE, 2012.

[12] Alkandari A, Alnasheet M, Alabduljader Y, et al. Water monitoring system using Wireless Sensor Network (WSN): Case study of Kuwait beaches[C]∥ 2th International Conference, IEEE, 2012.