水質(zhì)環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

陳向進(jìn)

（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(hù)中，水量和水質(zhì)都需要進(jìn)行保護(hù)。針對水量保護(hù)，主要涉及到的是水資源合理利用的問題。針對水質(zhì)保護(hù)，我們需要做好水質(zhì)動態(tài)信息的監(jiān)測，從而及時對所監(jiān)測區(qū)域的水質(zhì)狀況做出反應(yīng)。而在水質(zhì)保護(hù)工作中，通過一套水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)，往往能夠使水質(zhì)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(zhì)污染較為嚴(yán)重，還可以及時發(fā)出警報，為環(huán)境監(jiān)測有關(guān)的決策提供信息支持。

1 水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)概述

水質(zhì)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(zhì)進(jìn)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(shù)和電子通信技術(shù)等技術(shù)。該系統(tǒng)的主要組成部分是水樣采集和水質(zhì)分析單元、數(shù)據(jù)采集及傳輸單元、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。系統(tǒng)的發(fā)展歷史較長，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)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(yù)警站、浮標(biāo)站等。通過實踐發(fā)現(xiàn)，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(yīng)用于水質(zhì)檢測較為嚴(yán)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(hù)成本也較高。第二種形式是箱體式預(yù)警站，這種形式屬于站房式水質(zhì)自動站的范疇，其主要特征是小型化和模塊化。箱體式預(yù)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(jīng)實踐發(fā)現(xiàn)，這種形式的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)某些指標(biāo)的檢測精度不高。第三種形式的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)是浮標(biāo)站，該系統(tǒng)通常是在湖泊監(jiān)測場合中使用。

2 水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

以嵌入式節(jié)點水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)為例，針對水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計。

2.1 Balun 與阻抗匹配設(shè)計

Balun 電路，即巴倫電路，它是一種平衡不平衡轉(zhuǎn)換器。這種電路應(yīng)用于天線設(shè)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(xiàn)轉(zhuǎn)換。CC1101 無線模塊包括兩個端口，且都有平衡結(jié)構(gòu)，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(shè)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(dāng)然，還有另外一種處理方案，就是可以將合成的單端信號進(jìn)行調(diào)制，使調(diào)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(jìn)行傳輸。通過阻抗匹配，可以激勵源內(nèi)部阻抗與負(fù)載阻抗相匹配，輸出最大功率。

2.2 單端濾波設(shè)計

對于一個射頻放大器，最重要的兩項指標(biāo)是線性度和效率，然而這兩項指標(biāo)又相互制約，二者不可兼得。在CC1101 模塊設(shè)計中，若為減少內(nèi)部電源消耗，提高工作效率，則非線性失真也必將增加，導(dǎo)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(yīng)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(jié)合實際項目進(jìn)行選擇，本文設(shè)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(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 CC1101 寄存器配置

CC1101 內(nèi)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(xiàn)。然后，可以將MISO、MOSI、CSn、SCLK 協(xié)議讀入從機(jī)。這樣，當(dāng)系統(tǒng)處于運行狀態(tài)的時候，CC1101 內(nèi)部寄存器發(fā)揮從機(jī)的作用，而通過單片機(jī)來充當(dāng)主機(jī)。然后，完成片選、時鐘信號輸入、主機(jī)數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)收發(fā)等任務(wù)。主機(jī)與從機(jī)SPI 接口工作方式是環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，借助按位傳輸方式傳輸。

3.2 GPRS 遠(yuǎn)程通信設(shè)計

SIM900A 應(yīng)用GPRS 業(yè)務(wù)時，TCP 與監(jiān)控中心服務(wù)器連接。GPRS 網(wǎng)絡(luò)可以看作Internet 的子網(wǎng)，當(dāng)SIM900A 發(fā)起TCP 連接時，Internet 會為模塊隨機(jī)分配一個IP，而此時，IP 是不固定的。所以導(dǎo)致SIM900A 模塊只能作為客戶端，而服務(wù)器為監(jiān)控中心。在服務(wù)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(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用受到的限制就較大。除此之外，GPRS 網(wǎng)絡(luò)來源于GSM 網(wǎng)絡(luò)。眾所周知，該網(wǎng)絡(luò)的語音業(yè)務(wù)優(yōu)先級別較高。所以，如果TCP 在一定時間內(nèi)有連接，但是沒有任務(wù)。此時，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級降低。這樣，互聯(lián)網(wǎng)基站服務(wù)器為了節(jié)省寬帶會自動斷開網(wǎng)絡(luò)，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(shè)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(wù)器發(fā)送“心跳”數(shù)據(jù)包監(jiān)控中心服務(wù)器收到“心跳”信號后，再給SIM900A 發(fā)送一個響應(yīng)信號，如此SIM900A 不僅能夠始終與監(jiān)控中心服務(wù)器連接，而且數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級不會降低，保證TCP 正常連接及GPRS 通信服務(wù)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系。

4 水質(zhì)環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

4.1 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的建設(shè)

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(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)的抄寫也不一定能夠確保百分之百準(zhǔn)確。而且，過度依賴人工現(xiàn)場抄寫數(shù)據(jù)，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(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測的需要。在科學(xué)技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步的過程中，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。現(xiàn)在，我國的水質(zhì)環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展飛速，特別是在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)建設(shè)方面。目前的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式，主要有電話線、局域網(wǎng)、GPRS網(wǎng)絡(luò)以及手機(jī)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(shù)據(jù)傳輸方式的優(yōu)劣勢。然后根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H狀況，選擇最為合理的傳輸方式，以確保數(shù)據(jù)傳輸達(dá)到最好的效果。

4.1.2 確定監(jiān)測子站

根據(jù)上文中數(shù)據(jù)傳輸方式的優(yōu)劣勢分析，我們根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H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(shù)據(jù)，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(jìn)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(shù)據(jù)的傳輸方式。然后，使各個子站和中心站與網(wǎng)絡(luò)互連。通過中心站進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布。授權(quán)用戶通過利用接入網(wǎng)絡(luò)的信號，可以查找有關(guān)數(shù)據(jù)，這樣可以提高授權(quán)用戶查找數(shù)據(jù)的效率。

4.2 水質(zhì)環(huán)境在線監(jiān)測儀器的安裝

為了建設(shè)好的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，還需要在線監(jiān)測儀器的輔助，因為數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)需要數(shù)據(jù)支持。在線監(jiān)測儀器在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的過程中，對于儀器的選擇而言，這也是極為關(guān)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(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前我國的水質(zhì)環(huán)境在線監(jiān)測儀器比較多，國內(nèi)外生產(chǎn)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(jìn)行選擇。對于儀器的選擇，還需要注意確保測量的準(zhǔn)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(xì)節(jié)問題。這樣，才能夠有利于后期的儀器維護(hù)，避免出現(xiàn)一些問題。

4.2.2 對于在線取樣系統(tǒng)的建設(shè)

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(xiàn)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(jīng)常變換，而且水中的雜質(zhì)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(zhì)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(shè)置自動閥和自吸泵進(jìn)行組合來是實現(xiàn)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(guān)閉的。

當(dāng)自來水流進(jìn)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(dāng)自動閥A 關(guān)閉，自控閥B 以及泵啟動。然后，水流通過濾池進(jìn)入取樣池。此時，自控閥B 以及泵自動關(guān)閉。這樣，在線取樣系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)反復(fù)循環(huán)操作。

5 結(jié)論

水質(zhì)自動在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)λ|(zhì)24 小時在線監(jiān)測，從而掌握工業(yè)生產(chǎn)排污水質(zhì)的變動狀況。這樣，方便水環(huán)境管理。實踐表明，水質(zhì)環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，可以為水環(huán)境污染做出預(yù)警，從而進(jìn)行應(yīng)急處理，改善水環(huán)境質(zhì)量。