在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)是一種自動檢測儀器，它能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)的實時連續(xù)監(jiān)測和遠程控制。水質(zhì)監(jiān)測是監(jiān)視和測定水體中污染物的種類、各類污染物的濃度及變化趨勢，評價水質(zhì)狀況的過程。監(jiān)測范圍十分廣泛，包括未被污染和已受污染的天然水（江、河、湖、海和地下水）及各種各樣的工業(yè)排水等。主要監(jiān)測項目可分為兩大類：一類是反映水質(zhì)狀況的綜合指標，如溫度、色度、濁度、pH值、電導率、懸浮物、溶解氧、化學需氧量和生物需氧量等；另一類是一些有毒物質(zhì)，如酚、氰、砷、鉛、鉻、鎘、汞和有機農(nóng)藥等。

　　1 系統(tǒng)工作原理與總體構(gòu)架

　　分析監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展要求而設(shè)計出的一種基于GPRS的多參數(shù)實時在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)的主體部分是基于單片機的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，能即時或定時進行水質(zhì)數(shù)據(jù)采集，并對信號進行A/D轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過GPRS模塊傳輸至水質(zhì)監(jiān)控中心，實現(xiàn)實時在線水質(zhì)監(jiān)測。

　　現(xiàn)場監(jiān)測部分是在選定的監(jiān)測點用數(shù)據(jù)采集單元對水質(zhì)傳感器進行水質(zhì)各參數(shù)的實時數(shù)據(jù)采集；監(jiān)測到的數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)剿|(zhì)監(jiān)控中心；中心管理部分是由監(jiān)控中心軟件、數(shù)據(jù)庫和服務器組成的管理平臺，監(jiān)控中心軟件用VC結(jié)合SQL server進行編寫，將采集到的數(shù)據(jù)進行實時分析、存儲，并在水質(zhì)指標出現(xiàn)異常時報警。系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

　　由于水質(zhì)監(jiān)測點比較分散，分布范圍也較廣，而且大多設(shè)置在野外，因此，低功耗與無線傳輸是在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)必須考慮的問題。本系統(tǒng)選用TI公司的MSP430F149作為控制，選用BENQ公司的M22模塊進行無線傳輸來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。

　　MSP430是德州公司新開發(fā)的一類具有16位總線的帶FLASH 的單片機，由于其性價比和集成度高，受到廣大技術(shù)開發(fā)人員的青睞。它采用16位的總線，外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達64K,還可以外擴展存儲器。具有統(tǒng)一的中斷管理，具有豐富的片上外圍模塊，片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個16位定時器、一個14路的12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個看門狗、6路P口、兩路USART通信端口、一個比較器、一個DCO內(nèi)部振蕩器和兩個外部時鐘，支持8M 的時鐘。由于為FLASH型，則可以在線對單片機進行調(diào)試和，且JTAG口直接和FET（FLASH EMULATION TOOL）的相連，不須另外的仿真工具，方便實用，而且，可以在超低功耗模式下工作，對環(huán)境和人體的輻射小，測量結(jié)果為100mw左右的功耗（電流為14mA左右），可靠性能好，加強電干擾運行不受影響，適應工業(yè)級的運行環(huán)境，適合與做手柄之類的自動控制的設(shè)備。

　　采集終端采用MSP430F149單片機。這款單片機是TI公司生產(chǎn)的16位超低功耗單片機，其低電源電壓范圍為1.8 V~3.6 V,在1 MHz時鐘條件下工作時，工作電流為0.1 μA~400 μA；共有5種低功耗模式，6 μs內(nèi)從待機模式喚醒；具有60 KB+256 B的閃速存儲器和2 KB的RAM；具有豐富的片上資源，包括多8路12位的快速A/D轉(zhuǎn)換，兩個內(nèi)置16位定時器，兩個通用串行同步/異步通信接口（USART）和48個I/O 引腳。

　　2.1 電源模塊

　　由于系統(tǒng)設(shè)備安裝在野外，沒有可靠的交流電保證，電池也不易進行頻繁更換，而系統(tǒng)的應用場合要求該系統(tǒng)能夠在連續(xù)20天陰天的情況下依然能正常供電。

　　白天在光照條件下，太陽能電池組產(chǎn)生一定的電動勢，通過充放電控制器對蓄電池進行充電，整個系統(tǒng)由蓄電池進行供電；另外，本系統(tǒng)具有智能的電源管理，能夠根據(jù)電池的容量對數(shù)據(jù)采集、無線傳輸?shù)饶K進行電源的分級管理與控制。

　　2.2 信號調(diào)理電路設(shè)計

　　水質(zhì)監(jiān)測的指標有多種，包括pH、溫度、電導、溶解氧、COD、TOC、葉綠素、礦物油、色度、濁度、酸度、氯鹽、溶氧硫化合物、重金屬含量等。但常規(guī)的水質(zhì)在線監(jiān)測僅包括5個參數(shù)：pH值、溶解氧、電導率、濁度和溫度。本系統(tǒng)只對基本的5個水質(zhì)參數(shù)來進行檢測。

　　而合適的水質(zhì)傳感器是水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)重要的組成部分。WQ系統(tǒng)水質(zhì)傳感器的輸出電流均為標準的4 mA-20 mA，因此，信號調(diào)理電路較為簡單，只要將標準輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓，具體電路設(shè)計如圖2所示。

　　圖2所示是其中一路水質(zhì)信號的調(diào)理電路。選用為1%的金屬膜電阻來提高采樣。由于選用的A/D轉(zhuǎn)換范圍為0~2.5 V，選用124 Ω的電阻，簡單計算可知將4 mA~20 mA電流轉(zhuǎn)換成了0.496 V~2.48 V的電壓，在電壓轉(zhuǎn)換范圍之內(nèi)。另外，為了防止ESD，提高電路的抗干擾能力，采用二極管D1作為ESD保護電路，并且用電容C1進行濾波處理。

　　2.3 串口通信電路設(shè)計

　　在基于GPRS的在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中，串口通信部分具有雙向通信功能，它既能將采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)通過GPRS模塊傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，同時還可以接收水質(zhì)監(jiān)控中心發(fā)出的控制命令。本系統(tǒng)選用MAX3232作為串口通信芯片。MAX3232收發(fā)器是采用專有的低壓差發(fā)送器輸出級，利用雙電荷泵在3.0V至5.5V電源供電時能夠?qū)崿F(xiàn)真正的RS-232性能，max3232供電電壓5v或3.3V，耗電0.3mA，外接4個0.1uF電容！具體的電路設(shè)計如圖3所示。

　　圖3中0.1 μF的電容能夠?qū)崿F(xiàn)充電作用，考慮到減小電源的干擾，還需要在芯片的電源輸入管腳加一個0.1 μF的瓷片電容和一個10 ?滋F的電解電容來實現(xiàn)濾波，以減小輸入端受到的干擾。

　　2.4 擴展SD卡（Secure Digital Card）電路設(shè)計

　　雖然本系統(tǒng)是基于GPRS的在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的研究，水質(zhì)參數(shù)的各項數(shù)據(jù)似乎無需存儲而直接遠程傳輸至水質(zhì)監(jiān)控終端，但是必須考慮到特殊情況。如果無線鏈路出現(xiàn)中斷，就要先將水質(zhì)參數(shù)各項數(shù)據(jù)保存在存儲介質(zhì)中。

　　基于SD卡小巧、容量大、傳輸速度快、安全性高等特點，本系統(tǒng)選用其作為存儲介質(zhì)。SD卡與MCU連接的電路如圖4所示。

　　SD卡支持兩種傳輸模式：SPI模式和SD模式。SPI接口協(xié)議首先是由Motorola公司提出來的，是一種同步串行外設(shè)接口，能使單片機與其外圍設(shè)備以串行方式進行通信和數(shù)據(jù)交換。另外考慮本系統(tǒng)需節(jié)省電路空間的要求，因此設(shè)計采用SPI模式來進行數(shù)據(jù)傳輸。

　　2.5 實時時鐘電路設(shè)計

　　在該系統(tǒng)中，時間作為測量的參考數(shù)據(jù)是必不可少的一部分，因此，在水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中選用的DS3231作為本系統(tǒng)的實時時鐘芯片。該芯片具有+3.3 V的工作電壓，能保存秒、分、時、星期、日期、月和年信息，能進行閏年補償與老化修正，是一款低成本、低功耗、高的I2C實時時鐘芯片。

　　DS3231是低成本、高I2C實時時鐘（RTC），具有集成的溫補晶振（TCXO）和晶體。該器件包含電池輸入端，斷開主電源時仍可保持的計時。集成晶振提高了器件的長期度，并減少了生產(chǎn)線的元件數(shù)量。DS3231提供商用級和工業(yè)級溫度范圍，采用16引腳300mil的SO封裝。 實時時鐘模塊的硬件電路如圖5所示。

　　3 軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括監(jiān)控中心軟件設(shè)計和數(shù)據(jù)采集終端MCU程序設(shè)計。

　　單片機部分的程序?qū)崿F(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換與串口通信，該部分程序用C語言編寫，在IAR Embedded Workbench For MSP430平臺上進行代碼編寫。水質(zhì)監(jiān)控中心軟件用VC結(jié)合SQL server編寫。

　　3.1下位機部分

　　通信部分是連接水質(zhì)監(jiān)控中心和數(shù)據(jù)采集終端的紐帶，其通信的可靠性和穩(wěn)定性直接影響著整個系統(tǒng)的性能。下位機的軟件部分主要介紹單片機與M22的通信過程。

　　在MCU發(fā)送AT指令前首先要對串口進行初始化，再通過AT指令與M22模塊進行通信。利用AT指令控制M22模塊建立無線信道進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E如下：

　?。?）AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”：是設(shè)置GPRS接入網(wǎng)關(guān)的AT命令，其中“1”是定義PDP（分組數(shù)據(jù)協(xié)議類型）上下文，“IP”表示采用IP協(xié)議，接入點名稱（APN）為CMNET。

　?。?）AT%CGPCO=1，“PAP，”，1：用于上下文激活的PCO字符串，表示采用PAP驗證，默認的用戶名和密碼。

　?。?）AT$NOSLEEP=1：設(shè)置模塊處于非休眠狀態(tài)。

　　（4）AT$DESTINFO=“219.228.79.10”，1，8080：設(shè)置登錄的IP地址和端口號，其中“219.228.79.10”是為了調(diào)試本設(shè)備所申請的公網(wǎng)IP地址，“1”表示支持TCP協(xié)議，若為“2”則表示支持UDP協(xié)議，“8080”為所用的端口號。

　　為了方便以后更改IP地址，并不將IP直接寫入程序，而是將IP存入SIM卡的電話本里，通過一條讀電話本的命令來獲取所設(shè)置的IP地址。

　?。?）ATD*97#：發(fā)送撥號命令連接，進行數(shù)據(jù)傳輸模式。

　　3.2 上位機部分

　　水質(zhì)監(jiān)控中心軟件對遠程數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時接收、顯示、存儲和統(tǒng)計分析等，總體實現(xiàn)以下功能：實時顯示各監(jiān)測終端各項監(jiān)測指標的當前值；實時顯示各監(jiān)測終端監(jiān)測設(shè)備的當前狀態(tài)；對水質(zhì)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)進行查詢、編輯、統(tǒng)計分析等。上位機軟件的功能框圖如圖6所示。

　　4 系統(tǒng)可靠性設(shè)計

　　由于該系統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測終端均處于野外環(huán)境，本系統(tǒng)設(shè)計方案主要從以下幾方面采取相關(guān)措施來實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠運行。

　　（1）由于水質(zhì)監(jiān)測終端沒有可靠的交流電保證，因此設(shè)備均選用低功耗設(shè)備。另外，出于低功耗考慮，該系統(tǒng)還具有智能的電源管理，能夠根據(jù)電池的容量對數(shù)據(jù)采集、無線傳輸?shù)饶K進行電源的分級管理與控制，以保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。

　　（2）該系統(tǒng)還采用了防潮、防雷擊措施。由于系統(tǒng)設(shè)備可能安裝在空氣濕度大的地方，測量終端設(shè)備要求在高濕度環(huán)境保證系統(tǒng)正常運行；又由于設(shè)備處于湖面，雷電較多，水質(zhì)監(jiān)測終端所有接口都有雷電保護和防浪涌措施。

　?。?）水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)是系統(tǒng)運行和管理的基礎(chǔ)，因此該系統(tǒng)建立后，確保數(shù)據(jù)的完整性非常重要。在該系統(tǒng)中，當無線鏈路中斷時，可先將監(jiān)測數(shù)據(jù)和監(jiān)測時間保存于本地SD卡中；當恢復鏈路連接時，再分時將SD卡中保存的數(shù)據(jù)傳回監(jiān)測終端；另外，所有實時數(shù)據(jù)在中心服務器中都存有數(shù)據(jù)備份，所有寫入水質(zhì)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)也均有備份。

　　（4）單片機的復位電路一般采用R-C復位電路，然而這種方式雖然成本低，但可靠性不高。本設(shè)備要求長時間穩(wěn)定工作，因此系統(tǒng)中采用MAX809作為復位芯片，以提高系統(tǒng)的可靠性。