基于GSM網(wǎng)絡的商洛市河流水資源監(jiān)測管理系統(tǒng)

楊琳，王東東，何建強

(商洛學院電子信息與電氣工程學院，陜西商洛726000)

基于GSM網(wǎng)絡的商洛市河流水資源監(jiān)測管理系統(tǒng)

楊琳，王東東，何建強

(商洛學院電子信息與電氣工程學院，陜西商洛726000)

針對商洛市河流水資源污染日益加劇的現(xiàn)狀，利用GSM無線通信技術、單片機、以及傳感器設計了水資源監(jiān)測管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對河流水位、水質情況的實時監(jiān)測。該系統(tǒng)包擴現(xiàn)場監(jiān)測單元、GSM無線網(wǎng)絡通信、總控制端三大模塊。每個監(jiān)測單元對監(jiān)測點的水位、水質數(shù)據(jù)進行檢測和采集，這些信息通過GSM網(wǎng)絡從監(jiān)測單元傳輸給控制終端，控制終端通過PC機軟件來顯示河流的水質、水位信息。該系統(tǒng)具有小巧靈活、數(shù)據(jù)精度高、能耗低、實時性強等特點，能有效完成對河流水資源的監(jiān)測和管理，對商洛市各縣區(qū)水資源污染防治有著廣泛而深遠的意義。

GSM；監(jiān)測；傳感器；單片機；水質

商洛市水源分布不均勻，大多數(shù)地區(qū)都有不同程度的缺水狀況。隨著工業(yè)不斷發(fā)展，人類制造的垃圾以及工廠排放污水，對商洛市的河流水資源產(chǎn)生了嚴重影響。水資源在各縣區(qū)的污染日趨嚴重，水質量逐漸惡化，水資源的使用率也逐步下滑，進而水資源缺乏的矛盾也進一步激化，這使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質量和產(chǎn)量得不到保障，將嚴重制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟的發(fā)展，與我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略相違背[1-2]。對于環(huán)保部門而言，方便、經(jīng)濟、有效地監(jiān)測河流水質、水位信息就顯得十分必要。隨著科學技術的不斷地發(fā)展，各種檢測與通信技術越來廣泛地普及，利用GSM[3-4]等一些先進的科學技術方法進行河流水資源相關信息的監(jiān)測與管理，已經(jīng)成為一個很重要的研究方向。水資源的實時監(jiān)控管理已經(jīng)廣泛應用于德、美、荷蘭、日本等國家，已經(jīng)使“環(huán)境評價體系”和“自然災害防御體系”實現(xiàn)網(wǎng)絡化[5-9]。在國內(nèi)，該方面也有諸多研究。沈旭[10]完成了基于ARM與手機短信的水質自動監(jiān)測系統(tǒng)，避免了有線系統(tǒng)的局限性，解決了人工取樣監(jiān)測水質誤差大，延時高、效率低的問題，然而系統(tǒng)的穩(wěn)定性相對較差，所以故障率較高；李一君[11]在系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面有所提高，但系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示,采用了點陣式LED顯示屏，因此可顯示的數(shù)據(jù)比較受局限。本文在此基礎上，采用全球移動通信系統(tǒng)GSM，不但可實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，用戶也無需另外組網(wǎng)，還對上位機軟件進行了改進，進而增強商洛市河流水資源的管理。

1 水資源監(jiān)測管理系統(tǒng)總體設計

本文實現(xiàn)基于單片機、GSM網(wǎng)絡、傳感器組對河流流域水況的實時監(jiān)控系統(tǒng)，分為監(jiān)測單元、GSM無線網(wǎng)絡、總控制端三大模塊，如圖1所示。每個監(jiān)測單元包括多個檢測模塊分別實現(xiàn)對河流的水位、pH值、濁度等有關數(shù)據(jù)進行檢測采集，然后通過GSM模塊進行控制終端與室外監(jiān)測單元的數(shù)據(jù)傳輸，這些數(shù)據(jù)最終經(jīng)過處理并在PC機更直觀地顯示，工作人員可以通過總控制端獲取河流實時狀況，當出現(xiàn)異常情況時，便于工作人員采用相應的應急措施。

圖1 系統(tǒng)結構圖

2 水資源監(jiān)測管理系統(tǒng)總體功能需求分析

經(jīng)分析本系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能如下：

1）將若干個檢測單元分段部署在河流中，定時傳回水況，將采集的數(shù)據(jù)結果進行分析比較可以確定某個監(jiān)測點是否有污水排入，還可以確定排入污水的區(qū)間位置的變化狀況。另外，可以由上位機發(fā)出指令設置水位正常范圍，如若水位或者水質數(shù)據(jù)超出限定的范圍，系統(tǒng)需要自動報警，有助于對于河道斷流或堵塞情況得到及時解決，避免或降低河道斷流或堵塞帶來各方面的損失。

2）該系統(tǒng)需要實時地監(jiān)測水位的變化。

3）采集到的數(shù)據(jù)需要進行記錄，比較匯總于總控制端PC機顯示，從而能夠觀測出周期內(nèi)的水況變化情況，有利于河道的管理和治理。

3 系統(tǒng)硬件結構

系統(tǒng)分為監(jiān)測單元、GSM無線網(wǎng)絡、總控制端。1）檢測單元，檢測單元采用太陽能蓄電池供電，單片機控制GSM模塊與傳感器組進行收發(fā)信息與采集數(shù)據(jù)，傳感器組分別由渾濁度傳感器、pH值傳感器、水位傳感器等模塊組成。2）GSM無線網(wǎng)絡由分布在監(jiān)測端和控制終端的GSM收發(fā)模塊構成，完成兩個端的數(shù)據(jù)傳輸。3）總控制終端包括數(shù)據(jù)接收、處理模塊與PC機軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、處理、存儲、顯示、控制、管理。

3.1 檢測單元

水位水質監(jiān)測系統(tǒng)的檢測端由若干個獨立的水質水位檢測單元組成，每個檢測單元由無線模塊、傳感器組和控制中心組成，這些檢測單元分布于河流流域的各監(jiān)測點，用于采集該位置的水質情況。檢測單元的硬件結構,如圖2所示。

圖2 檢測單元硬件結構圖

為了獲取河流的水質情況，需要監(jiān)測水質情況的多種參數(shù)，因此，采用了傳感器組來采集水資源的各項數(shù)據(jù)。傳感器組由水位傳感器、pH值傳感器、濁度傳感器、電導率傳感器、溫度傳感器和溶解氧傳感器組成。在本系統(tǒng)中的傳感器組被放置到水下。在各個子系統(tǒng)中，由單片機接收各個傳感器所采集的數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理，然后通過GSM無線模塊傳回控制終端。

3.2 GSM無線通信網(wǎng)絡

GSM無線通信網(wǎng)絡完成監(jiān)測位置與控制終端之間的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸，即把監(jiān)測地點采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制終端。利用GSM無線模塊接收傳回的數(shù)據(jù)，接收到的消息通過控制中心從模塊的串口讀出并交由后臺來完成數(shù)據(jù)分析和處理，直觀地顯示在PC機軟件中，為做判斷和制定相關的實施方案作一參考，與此同時通過GSM模塊將控制指令轉換為短消息發(fā)送至檢測單元。

為了保證數(shù)據(jù)的傳輸無誤，實現(xiàn)對水資源信息的大范圍監(jiān)測，需解決的最棘手的問題就是如何利用GSM無線網(wǎng)絡通信技術完成數(shù)據(jù)傳輸。GSM模塊TC35通過MAX232串口通信與PC機連接，它們之間的通信采用了RS-232C標準串口通信協(xié)議。GSM系統(tǒng)采取控制信道來進行數(shù)據(jù)傳輸，這與語音信道的使用不沖突。監(jiān)控中心與基站建立通信連接，首先要通過AT指令來激活調(diào)制解調(diào)器，使其進入待命狀態(tài)。在所有準備工作都完成之后，由監(jiān)控中心的計算機來發(fā)送相對應的指令系統(tǒng)采用GSM系統(tǒng)的短消息業(yè)務來進行基站檢測參數(shù)的傳輸。短消息在接收設置遇到故障或者電力原因而停止時會保存一段時間直到接收設備啟動。GSM無線通信是保持水質參數(shù)在線監(jiān)測的關鍵技術，它聯(lián)系了監(jiān)測單元和控制終端，將監(jiān)測點的水質數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇偪刂贫说腜C機。

3.3 控制終端PC機軟件

如圖3所示，PC機軟件主要完成的功能有，水質、水位實時數(shù)據(jù)接收，信息顯示，歷史紀錄查詢、報警、系統(tǒng)設置。數(shù)據(jù)接收功能主要完成接收數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)庫中存儲。實時信息顯示功能是指在實時顯示面板中顯示各個監(jiān)測點的水質、水位信息。歷史記錄查詢，是指查詢每個監(jiān)測點的歷史數(shù)據(jù)。報警功能是指，當某個監(jiān)測點的某一項數(shù)據(jù)超出安全范圍，系統(tǒng)將會發(fā)出報警以警示工作人員，并做特殊紀錄。上位機軟件界面如圖4所示。

圖3 PC機軟件功能結構圖

圖4 上位機軟件界面

4 結論

本系統(tǒng)通過監(jiān)測端傳感器對商洛市河流的水位、水溫、濁度、電導率、pH和溶解氧等水況數(shù)據(jù)進行采集，并利用覆蓋率高的GSM網(wǎng)絡進行無線傳輸，將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制終端進行數(shù)據(jù)處理和分析，以便水質監(jiān)測人員及時作出相應對策，最終實現(xiàn)對水資源的管理與保護。

本系統(tǒng)可以長期連續(xù)地進行水況數(shù)據(jù)采集，實時性強，可大大提高對商洛市河流水況數(shù)據(jù)的掌握情況，在節(jié)約成本的同時提高效率。

本系統(tǒng)采用AT89C51來完成核心架構的搭建，采用GSM的方式來實現(xiàn)無線消息的發(fā)送，不僅具有負載平衡的特點，還可實現(xiàn)實時自動更新，目前已經(jīng)應用到商洛市的部分河流水質監(jiān)測中。該系統(tǒng)通過拓展調(diào)整，也可實現(xiàn)其他類似的監(jiān)測功能。

目前，本系統(tǒng)所能夠監(jiān)測、處理、分析、顯示、存儲的數(shù)據(jù)還不夠豐富，在以后的研究中還需要進一步完成各項指標的信息融合。另外，該系統(tǒng)的測量結果在一定程度上會受到天氣、環(huán)境等方面的因素影響，今后的研究中仍需在可靠性方面加強。

[1]孟伯陽,赫俊國,王鵬,等.松花江哈爾濱段水環(huán)境質量時空變化研究[J].哈爾濱商業(yè)大學學報(自然科學版),2013,29(5)：540-543.

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（責任編輯：李堆淑）

A Monitoring Management System of Shangluo River Water Resources Based on GSM Network

YANG Lin,WANG Dong-dong,HE Jian-qiang
(School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shangluo University,Shangluo 726000,Shaanxi)

A monitoring management system of water is designed with the technology of GSM,MCU and sensor,in view of the present situation that the pollution of river water in Shangluo is increasing.The system realizes real-time monitoring of water level and water quality of river.The system includes monitoring unit,the wireless communication network of GSM and control terminal.Each monitoring unit detects and collects the water level and water quality data at the monitoring point.The information is transmitted from the monitoring unit to the control terminal through the GSM network.The control terminal displays the water quality and water level information of the river through the PC software.The system is small,flexible,and has high precision of data,low energy consumption,real time,and so on.It can monitor and manage the river water resources effectively.It is of great importance to prevention and control of water pollution in Shangluo.

GSM;monitoring;sensor;MCU;water quality

TP393.09

：B

：1674-0033（2017）04-0020-03

10.13440/j.slxy.1674-0033.2017.04.005

2017-05-17

陜西省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目(2687)；商洛學院科研基金項目(15SKY008)

楊琳，女，陜西山陽人，碩士，講師