库水质在线监测系统

库水质在线监测系统

诸建胜

（南京市高淳区龙墩河水库管理所江苏南京211302）

摘要：水库水质在线监测系统，包括：多个通信单元和多个总氮总磷检测设备，各通信单元一一对应地与各总氮总磷检测设备集成在一起并在集成后分别被封装为一个整体检测模块。该系统能够减轻服务器的通信负载压力，并能够确保远程监控端或服务器以最快的速度获取总氮总磷污染严重的区域的数据。

关键词：水库水质；在线监测系统

背景技术

水库水质监测系统通过对池水的pH、余氯、ORP等探头对相应指标进行检测并将检测值发送给水质监测/控制仪，是由水质监测/控制仪实现自动报警、显示、调整、控制相关设备实现水质维护功能的系统。

现有的水库水质监测系统尚无法智能地为现有的水质参数在线监测及远程传输系统服务，其产品结构落后，经常需要在外部增加其他数据采集和控制等模块。而这些模块质量参差不齐，厂家各异，不利于达到水质监测工作的稳定性。

技术方案

如图所示，水库水质在线监测系统，包括：多个通信单元和多个总氮总磷检测设备，各通信单元一一对应地与各总氮总磷检测设备集成在一起并在集成后分别被封装为一个整体检测模块，其中通信单元包括：单片机、与单片机连接的GPS定位模块、3G模块、数据预处理模块、与数据预处理模块连接的A/D模数转换器，与A/D模数转换器连接的放大与调理电路、与放大与调理电路连接的传感器模块；各总氮总磷检测设备均包括水库样本采集单元、水库样本处理单元、水库样本检测单元、报警单元、存储器，水库样本检测单元获得总氮总磷检测结果，报警单元与所述单片机连接，存储器分别与所述单片机、GPS定位模块以及3G模块电性连接，GPS定位模块以及3G模块电性连接，存储器用于保存所述数据预处理模块、GPS定位模块输出的测量信息、总氮总磷检测结果和3G模块的数据传输历史记录，数据预处理模块对数据进行调理，且数据预处理模块与存储器根据3G模块的工作状态对数据进行压缩，3G模块进行数据收发并根据路由信息选取其传输数据时的接收方，3G模块还根据总氮总磷检测结果选取其传输数据时的通信优先级。

该数据预处理模块包括：开关选择电路、程控前置放大电路、锁相放大电路、低通滤波电路和AD转换电路，开关选择电路用来选择所要采集的水质参数信息，也就是选择采集哪个传感器的信号。将采集到的传感器微弱信号传输到程控前置放大电路进行前置放大，该前置放大电路采用低噪声设计，在增加信号驱动的同时防止信号变差。前置放大后的信号进入锁相放大电路，对传感信号进行主放大，同时能大大抑制其他频率的噪声信号。放大后的信号经过低通滤波电路传输到AD转换电路，将采集到的信号变成相应的数字信号，AD转换主要通过高精度的AD芯片来实现。所述的数据预处理模块采用了低噪声、高精度的放大电路。它能有效采集传感器模块的微小信号，并能将其转换成相应的数字信号。转换后的数字信号传送到中央控制单元。

报警单元在单片机的控制下对所述总氮总磷检测设备的不正常工作状态或其内部的组件的异常情况给出报警信息。所述总氮总磷检测设备还包括电源模块，该电源模块包括低功耗电源和太阳能电池板。

3G模块包括数据收发器和3G模块路径计算单元，所述路径计算单元用于根据所述GPS信息查找符合预订范围内的所有3G模块的唯一通信标识信息，且所述数据收发器根据所述查找的结果获得该区域内各个3G模块的工作状态。所述3G模块根据所述工作状态，向所述区域内距离服务器最短的3G模块传输环境污染监测数据。

3G模块主要负责多台检测模块彼此之间及其与服务器间的通信、向检测模块发送查询命令、接收各个传感器模块和总氮总磷检测设备上传的环境污染信息并返回给远程监控平台或远端的服务器。3G模块安装有RS232串口，满足3G模块与远程监控平台之间的通信。在实际使用过程中，3G模块还起到类似网关的作用。另外，3G模块通过存储器可以存储各检测模块上传给自身的环境污染信息(这些环境污染信息包括总磷总氮检测结果和各传感器模块的检测结果)，并通过远程监控平台或远端的服务器的显示器显示环境污染信息，从而方便使用者观察。

3G模块还用于协调各个3G模块进行无线通信组网，进行路有发现。在路由发现过程中，可以解决路由信息之间的相容性和优先级问题，其中，路由信息包含位置信息、可达信息和链路可靠性等；同时，还解决了网络对象的移动性对路由发现过程的影响，例如：由节点移动、失效导致的路由断裂等情况；另外，系统采用相应的路由维护措施，每一段路径在具有一定连通性的前提下，仍保持整条路径具有连通性要求。

3G模块包括数据收发器和3G模块路径计算单元。其中的路径计算单元不必采用专门的设备，可以通过DSP或MCU等具有数据加减运算的设备来实现。

工作原理

首先，所述数据存储器中预先保存有所有3G模块的GPS信息。假定某检测模块X的3G模块经过查找预定的10KM范围内的所有3G模块以后，得到这些3G模块的唯一通信标识信息。然后，检测模块X与这些3G模块进行通信，以获得上述各个3G模块的工作状态。这种工作状态是通过各种传感器模块自身具有的通信协议或状态信息(例如，在数据传输引脚上的电平是否出于低电平，即传感器模块处于闲时)实现的，还可以例如：模拟地使其发送一组数据以后，能够得到其有效数值，则判断其工作状态有效。在本发明的优选实施例中，这些传感器模块采用自身具有自检功能的传感器，因此，状态的获得将变得更加方便。至此，该检测模块X即可获得所有的在预定区域(例如，与该3G模块距离50m的区域)内的传感器模块的工作状态。

根据上述工作状态，找到各个工作状态处于正常的传感器模块，再计算这些工作正常的传感器模块哪一个距离服务器最近。确定(例如是检测模块Y)以后，该检测模块X即将自身监测的和接收到的各种数据(这些数据包括总磷总氮检测结果和各传感器模块的检测结果)根据总磷总氮检测结果确定的优先级发送给检测模块Y。具体来说，在水库布设了多个将通信单元和总氮总磷检测设备集成在一个检测模块内的这样的多个检测模块以后，3G模块首先进行路由发现工作，从而确定各个模块到远端服务器的最佳路径(例如，该最佳路径根据路由距离的长短而建立)。通信时，彼此通信的两个或多个3G模块均进行一对一或多对一的数据传输，即，某个或某些3G模块作为发送端，而只有一个3G模块接收这个或这些3G模块发送来的所述各种数据。这样，各个检测模块发送的数据并不是直接发送给远端的服务器，减轻了服务器的工作压力。同时，在水库水质在线监测系统的工作过程中，总氮总磷检测设备均获得各自的总氮总磷检测结果，在各个3G模块首次发送所述各种数据时，各个3G模块首先将接收到的各种数据保存到自身的存储器中，然后在所述首次通信结束后，从存储器中再次读取本次接收到的所述各种数据，并根据其中各个总氮总磷检测结果的超标大小进行排序，确定下一次发送数据时的优先级，即先发送哪个检测模块传递来的数据，后发送哪个检测模块传递来的数据。那么，在下一次接收到所述的各种数据时，根据上一次的优先级，依次发送各个向其自身发送了所述各种数据的检测模块的所述各种数据的次序。若其中优先级高的检测模块尚未完成检测或未收到，则等

待，直到接收到该优先级高的检测模块发送来的所述各种数据为止，再发送优先级稍低的检测模块的所述各种数据。这样，能够确保远程监控端或服务器以最快的速度获取总氮总磷污染严重的区域的数据。

传感器模块包括：蓝藻荧光传感器、溶解氧传感器、浊度传感器、PH值传感器、温度传感器、电导率传感器或水深传感器，被集成密封在一个套筒中，其传感部位裸露在外，同时预留扩展口并配有相应的清洁装置。

传感器模块包括：温度传感器、水流速度传感器、酸碱度传感器、电导率传感器、溶解氧传感器、颜色传感器和微生物传感器。

数据预处理模块包括：开关选择电路、程控前置放大电路、锁相放大电路、低通滤波电路和AD转换电路。

总氮总磷检测设备还包括有RS-232串口通信单元，所述的RS-232串口通信单元是监测装置的一个预留通信口，在无线网络因故无法通信的情况下，通过该串口通信单元能将监测到的参数数据传送出去。

低功耗电源包括：锂电池组；稳压电路，用于为锂电池组进行直流-直流电压转换和低压差线性稳压的两级电压转换，从而为总氮总磷检测设备提供稳定的工作电压。