水質環境在線監測系統設計及其在工業生產中的應用

陳向進

（福建省廈門環境監測中心站，福建 廈門 361022）

在水資源保護中，水量和水質都需要進行保護。針對水量保護，主要涉及到的是水資源合理利用的問題。針對水質保護，我們需要做好水質動態信息的監測，從而及時對所監測區域的水質狀況做出反應。而在水質保護工作中，通過一套水質在線監測系統，往往能夠使水質監測效率更高。而且，還可以使監測速度快、自動化。如果水質污染較為嚴重，還可以及時發出警報，為環境監測有關的決策提供信息支持。

1 水質在線監測系統概述

水質在線監測系統主要的兩個特征：連續性和自動監測。該套系統需要基于在線水質進行自動分析。與此同時，該系統還綜合利用了自動控制技術和電子通信技術等技術。該系統的主要組成部分是水樣采集和水質分析單元、數據采集及傳輸單元、遠程監控中心。系統的發展歷史較長，現在已經出現了多種形式。主要的形式有傳統站房式自動監測站、箱體式預警站、浮標站等。通過實踐發現，這些形式所適用的范圍是不一樣的，而且有各自的優勢和劣勢。比如，第一種形式傳統站房式自動監測站的檢測精度比較高，而且其穩定性也很好。一般情況下，該系統應用于水質檢測較為嚴格的場合。其劣勢是需要一次性投入大量的資金，而且后期維護成本也較高。第二種形式是箱體式預警站，這種形式屬于站房式水質自動站的范疇，其主要特征是小型化和模塊化。箱體式預警站的體積比較小，在不需要站房的前提下就能夠穩定運行，方便在野外安裝。經實踐發現，這種形式的水質在線監測系統某些指標的檢測精度不高。第三種形式的水質在線監測系統是浮標站，該系統通常是在湖泊監測場合中使用。

2 水質在線監測系統硬件設計

以嵌入式節點水質在線監測系統為例，針對水質在線監測系統硬件進行設計。

2.1 Balun 與阻抗匹配設計

Balun 電路，即巴倫電路，它是一種平衡不平衡轉換器。這種電路應用于天線設計，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轉換。CC1101 無線模塊包括兩個端口，且都有平衡結構，分別為RF_P端口和RF_N 端口。因為尺寸的限制，所以通常可以將其設計成單極性天線。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。當然，還有另外一種處理方案，就是可以將合成的單端信號進行調制，使調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，通過通道進行傳輸。通過阻抗匹配，可以激勵源內部阻抗與負載阻抗相匹配，輸出最大功率。

2.2 單端濾波設計

對于一個射頻放大器，最重要的兩項指標是線性度和效率，然而這兩項指標又相互制約，二者不可兼得。在CC1101 模塊設計中，若為減少內部電源消耗，提高工作效率，則非線性失真也必將增加，導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點，需要結合實際項目進行選擇，本文設計的無線通信模塊采用的是輻射效率較高的鞭狀天線。

3 水質在線監測系統軟件設計

3.1 CC1101 寄存器配置

CC1101 內部寄存器較多，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。然后，可以將MISO、MOSI、CSn、SCLK 協議讀入從機。這樣，當系統處于運行狀態的時候，CC1101 內部寄存器發揮從機的作用，而通過單片機來充當主機。然后，完成片選、時鐘信號輸入、主機數據輸入和數據收發等任務。主機與從機SPI 接口工作方式是環形總線結構，借助按位傳輸方式傳輸。

3.2 GPRS 遠程通信設計

SIM900A 應用GPRS 業務時，TCP 與監控中心服務器連接。GPRS 網絡可以看作Internet 的子網，當SIM900A 發起TCP 連接時，Internet 會為模塊隨機分配一個IP，而此時，IP 是不固定的。所以導致SIM900A 模塊只能作為客戶端，而服務器為監控中心。在服務器需要發送巡檢命令之時，等待SIM900A 主動發起連接。這樣，GPRS 網絡的應用受到的限制就較大。除此之外，GPRS 網絡來源于GSM 網絡。眾所周知，該網絡的語音業務優先級別較高。所以，如果TCP 在一定時間內有連接，但是沒有任務。此時，數據業務優先級降低。這樣，互聯網基站服務器為了節省寬帶會自動斷開網絡，通信功能會處于暫停狀態。

為了解決上述兩個問題，在SIM900A 通信程序設計中增加了“心跳”功能。在TCP 連接后，采用STM32F103ZE 定時器功能周期性的給監控中心服務器發送“心跳”數據包監控中心服務器收到“心跳”信號后，再給SIM900A 發送一個響應信號，如此SIM900A 不僅能夠始終與監控中心服務器連接，而且數據業務優先級不會降低，保證TCP 正常連接及GPRS 通信服務器狀態轉換關系。

4 水質環境在線監測系統在工業生產中的應用

4.1 數據傳輸系統的建設

4.1.1 確定傳輸方式

眾所周知，在傳統的環境在線儀器中，一般是需要專人對現場數據進行抄寫的。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，數據的抄寫也不一定能夠確保百分之百準確。而且，過度依賴人工現場抄寫數據，也會使在線儀器的自動傳輸功能逐步喪失。所以，傳統的環境在線儀器不符合現有的環境監測的需要。在科學技術發展和進步的過程中，網絡技術也得到了進一步的發展。現在，我國的水質環境在線監測系統發展飛速，特別是在數據傳輸系統建設方面。目前的數據傳輸系統的數據傳輸方式，主要有電話線、局域網、GPRS網絡以及手機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據傳輸方式的優劣勢。然后根據當地的實際狀況，選擇最為合理的傳輸方式，以確保數據傳輸達到最好的效果。

4.1.2 確定監測子站

根據上文中數據傳輸方式的優劣勢分析，我們根據當地的實際情況，選擇了最合理的傳輸方式之后，下一步就是確定監測子站。監測子站一次性可以傳輸較多的數據，一般情況下，對監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測子站周圍。然后借助泵，可以使排污點污水流入監測子站，從而進行后續的監測。所以，排污點到子站的距離必須合理控制好。為確定監測子站，首先確定好數據的傳輸方式。然后，使各個子站和中心站與網絡互連。通過中心站進行數據發布。授權用戶通過利用接入網絡的信號，可以查找有關數據，這樣可以提高授權用戶查找數據的效率。

4.2 水質環境在線監測儀器的安裝

為了建設好的數據傳輸系統，還需要在線監測儀器的輔助，因為數據傳輸系統需要數據支持。在線監測儀器在工業生產中應用的過程中，對于儀器的選擇而言，這也是極為關鍵的。

4.2.1 儀器的選型分析

在線監測儀器的選型中，使用較多的在線監測儀器是PH計、流量計等。通過不完全調查發現，目前我國的水質環境在線監測儀器比較多，國內外生產的在線監測儀器普遍能夠滿足一般的在線監測需求。所以，我們需要做的是，先對儀器的性能有充分的了解之后，才進行選擇。對于儀器的選擇，還需要注意確保測量的準確性和穩定性。另外還需要注意購買儀器所需費用的多少等細節問題。這樣，才能夠有利于后期的儀器維護，避免出現一些問題。

4.2.2 對于在線取樣系統的建設

在線儀器的一個缺陷就是難以維持長時間的穩定運行。因此，為了實現長時間的運行，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，監測點的水位經常變換，而且水中的雜質較多。如此，泵頭堵塞就容易發生。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境的要求較高，消耗較大，而且對泵的要求較高。在監測點發生改變的情況下，極可能造成水質取樣的失敗，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，我們可以通過設置自動閥和自吸泵進行組合來是實現在線取樣系統的功能。如圖2 所示，為某在線取樣系統的流程圖。

圖2 某在線取樣系統的流程圖

在線取樣系統的原理是儀器在啟動前自控閥A 會自動啟動，自控閥B 此時是關閉的。

當自來水流進取樣系統的前邊時，泵頭部分流出。系統該部分主要功能是反洗泵頭和自動灌引水。當自動閥A 關閉，自控閥B 以及泵啟動。然后，水流通過濾池進入取樣池。此時，自控閥B 以及泵自動關閉。這樣，在線取樣系統能夠實現反復循環操作。

5 結論

水質自動在線監測系統能夠對水質24 小時在線監測，從而掌握工業生產排污水質的變動狀況。這樣，方便水環境管理。實踐表明，水質環境在線監測系統的應用，可以為水環境污染做出預警，從而進行應急處理，改善水環境質量。