基于GPRS的在線水質監測系統的研究

劉 捷,官洪運,王志亮

（東華大學 信息學院，上海 201620）

在線水質監測系統是一種自動檢測儀器，它能夠實現水質的實時連續監測和遠程控制。該系統以TI公司16位超低功耗單片機MSP430F149為核心，通過GPRS模塊進行無線通信，并將數據傳輸到水質監控中心，監控中心軟件對數據進行實時分析、存儲。

1 系統工作原理與總體構架

本系統是針對目前在線水質監測系統的市場現狀，分析監測系統的發展要求而設計出的一種基于GPRS的多參數實時在線水質監測系統。系統的主體部分是基于單片機的水質監測系統，能即時或定時進行水質數據采集，并對信號進行A/D轉換，然后將轉換結果通過GPRS模塊傳輸至水質監控中心，實現實時在線水質監測。本系統由現場監測、網絡通信、中心管理三部分構成。

現場監測部分是在選定的監測點用數據采集單元對水質傳感器進行水質各參數的實時數據采集；網絡通信部分基于中國移動公司的GPRS平臺，將監測到的數據無線傳輸到水質監控中心；中心管理部分是由監控中心軟件、數據庫和服務器組成的管理平臺，監控中心軟件用VC結合SQL server進行編寫，將采集到的數據進行實時分析、存儲，并在水質指標出現異常時報警。系統總體構架如圖1所示。

2 系統硬件電路設計

由于水質監測點比較分散，分布范圍也較廣，而且大多設置在野外，因此，低功耗與無線傳輸是在線水質監測系統必須考慮的問題。本系統選用TI公司的MSP430F149作為控制核心，選用BENQ公司的M22模塊進行無線傳輸來實現整個系統的功能。

采集終端采用MSP430F149單片機。這款單片機是TI公司生產的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，包括最多8路12位的快速A/D轉換，兩個內置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。這些都比較符合本系統的設計要求。

本系統的數據采用無線傳輸,基于其設計要求，選擇GPRS作為無線數據通信平臺，M22作為GPRS通信模塊。

2.1 電源模塊

由于系統設備安裝在野外，沒有可靠的交流電保證，電池也不易進行頻繁更換，而系統的應用場合要求該系統能夠在連續20天陰天的情況下依然能正常供電，因此，采用蓄電池加太陽能的供電方法。

白天在光照條件下，太陽能電池組產生一定的電動勢，通過充放電控制器對蓄電池進行充電，整個系統由蓄電池進行供電；另外，本系統具有智能的電源管理，能夠根據電池的容量對數據采集、無線傳輸等模塊進行電源的分級管理與控制。這樣設計為系統運行的穩定性提供了可靠保障。

2.2 信號調理電路設計

水質監測的指標有多種，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。但常規的水質在線監測僅包括5個參數：pH值、溶解氧、電導率、濁度和溫度。本系統只對最基本的5個水質參數來進行檢測。

而合適的水質傳感器是水質監測系統重要的組成部分。本系統選用美國GLOBAL WATER公司的WQ系列水質傳感器作為整個監測系統的前端。WQ系統水質傳感器的輸出電流均為標準的 4 mA-20 mA，因此，信號調理電路較為簡單，只要將標準輸出電流轉換成電壓，并使該電壓信號在單片機的轉換范圍內即可，具體電路設計如圖2所示。

圖2所示是其中一路水質信號的調理電路。該電路通過一個電阻將電流信號轉換成電壓信號。選用精度為1%的金屬膜電阻來提高采樣精度。由于選用的A/D轉換范圍為0～2.5 V，選用 124 Ω的電阻，簡單計算可知將4 mA～20 mA電流轉換成了0.496 V～2.48 V的電壓，在電壓轉換范圍之內。另外，為了防止ESD（靜電釋放），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。

圖2 信號調理電路

2.3 串口通信電路設計

在基于GPRS的在線水質監測系統中，串口通信部分具有雙向通信功能，它既能將采集到的水質數據通過GPRS模塊傳輸到監控中心，同時還可以接收水質監控中心發出的控制命令。本系統選用MAX3232作為串口通信芯片。它能夠完成TTL電平和232電平間的轉換，外部電路比較簡單。具體的電路設計如圖3所示。

圖3中0.1 μF的電容能夠實現充電作用，以滿足相應的充電泵的要求。另外，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 μF的電解電容來實現濾波，以減小輸入端受到的干擾。

2.4 擴展SD卡（Secure Digital Card）電路設計

雖然本系統是基于GPRS的在線水質監測系統的研究，水質參數的各項數據似乎無需存儲而直接遠程傳輸至水質監控終端，但是必須考慮到特殊情況。如果無線鏈路出現中斷，就要先將水質參數各項數據保存在存儲介質中。因此，本系統預留了足夠的數據存儲空間。

基于SD卡小巧、容量大、傳輸速度快、安全性高等特點，本系統選用其作為存儲介質。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接口協議首先是由Motorola公司提出來的，是一種同步串行外設接口，能使單片機與其外圍設備以串行方式進行通信和數據交換。MSP430F149有現成的SPI接口硬件模塊，另外考慮本系統需節省電路空間的要求，因此設計采用SPI模式來進行數據傳輸。

圖4 SD卡接口電路

2.5 實時時鐘電路設計

在該系統中，時間作為測量的參考數據是必不可少的一部分，因此，在水質監測系統中選用的DS3231作為本系統的實時時鐘芯片。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、高精度的I2C實時時鐘芯片。

DS3231能夠提供商用級和工業級溫度范圍,采用16引腳、300 mil的SO封裝。其各個模塊可以劃分為四個功能組：TCXO（溫補晶體振蕩器）、電源控制、按鈕復位功能和RTC（實時時鐘）。實時時鐘模塊的硬件電路如圖5所示。

3 軟件設計

系統的軟件設計包括監控中心軟件設計和數據采集終端MCU程序設計。

單片機部分的程序實現A/D轉換與串口通信，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。水質監控中心軟件用VC結合SQL server編寫。

3.1 下位機部分

通信部分是連接水質監控中心和數據采集終端的紐帶，其通信的可靠性和穩定性直接影響著整個系統的性能。下位機的軟件部分主要介紹單片機與M22的通信過程。

對M22模塊的控制是通過AT指令來實現的。在MCU發送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據傳輸的步驟如下：

(1)AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”：是設置 GPRS接入網關的 AT命令，其中“1”是定義 PDP(分組數據協議類型)上下文，“IP”表示采用IP協議，接入點名稱(APN)為 CMNET。

(2)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。

(3)AT$NOSLEEP=1：設置模塊處于非休眠狀態。

(4)AT$DESTINFO=“219.228.79.10”，1，8080：設置登錄的 IP 地 址和端口 號 ，其 中 “219.228.79.10”是為了調試本設備所申請的公網IP地址，“1”表示支持TCP協議，若為“2”則表示支持 UDP協議，“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置的IP地址。因此需先通過AT+CPBR=1這條AT指令來查詢電話本中索引號為1的電話號碼的相關信息。

(5)ATD*97#：發送撥號命令連接，進行數據傳輸模式。

按以上步驟與水質監控中心進行連接后，就可以進行數據的傳輸了。

3.2 上位機部分

水質監控中心軟件對遠程數據實現實時接收、顯示、存儲和統計分析等，總體實現以下功能：實時顯示各監測終端各項監測指標的當前值；實時顯示各監測終端監測設備的當前狀態；對水質自動監測數據進行查詢、編輯、統計分析等。上位機軟件的功能框圖如圖6所示。

4 系統可靠性設計

由于該系統的水質監測終端均處于野外環境，因此對系統可靠性要求很高。本系統設計方案主要從以下幾方面采取相關措施來實現系統的可靠運行。

(1)由于水質監測終端沒有可靠的交流電保證，因此設備均選用低功耗設備。另外，出于低功耗考慮，該系統還具有智能的電源管理，能夠根據電池的容量對數據采集、無線傳輸等模塊進行電源的分級管理與控制，以保證系統的長期穩定運行。

圖6 上位機軟件功能框圖

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

(3)水質監測系統的實時數據是系統運行和管理的基礎，因此該系統建立后，確保數據的完整性非常重要。在該系統中，當無線鏈路中斷時，可先將監測數據和監測時間保存于本地SD卡中；當恢復鏈路連接時，再分時將SD卡中保存的數據傳回監測終端；另外，所有實時數據在中心服務器中都存有數據備份，所有寫入水質數據庫的數據也均有備份。

(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。本設備要求長時間穩定工作，因此系統中采用MAX809作為復位芯片，以提高系統的可靠性。

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