近年来随着工业的发展,科技的进步,人们生活水平的提高,水环境的污染也成为一个日益严重的问题。工业废水、生活污水的排放如果得不到有效的治理将会严重影响人们的生活,而很多场景都不适合长期近距离监测,如污染严重的化工厂附近水域,面积巨大的江河湖泊,水产养殖公司的养殖水域等,所以本系统将利用先进的光散射原理及光谱水质检测技术对水浊度进行低成本的远程实时监测,以便进行有效的治理。

GPRS水质分析传感系统是采用远程通信^[1]和计算机控制等手段自动进行水浊度的实时采集与传输处理系统。从数据传输方式来看,水质数据采集系统主要通过无线分组业务^[2]来传输。因为GPRS具有速度快,网络覆盖范围广,扩展容易,维护简单,使用费用低,性价比极高等优点;射频网络具有组网方便,成本低,功耗低,组网节点数多等优点。基于以上优点本文主要研究基于射频组网技术的GPRS水质分析传感网络^[3]的搭建与实现,以及基于光栅微型光谱仪^[4]的水质分析方法。整个系统主要实现对环境水浊度的检测与数据采集传输处理^[5]。

本系统主要由一个浊度分析探头,GPRS系统,以及PC机或者安卓手机^[6]构成。首先,将浊度分析探头放入水中,用户通过GPRS发出检测指令,探头开始工作,探头上的LED发光照射到水中颗粒物上,利用测量穿过待测水样的入射光束被待测水样中的悬浮颗粒色散所产生的散射光强度来获取数据,探头将获取的数据通过网络传给用户,然后经过一定的算法即可得到我们所需要的浊度信息,从而实现对水质的无线监测与数据传输。系统原理图如图 1所示。

图 1

Fig. 1

图 1 系统原理图 Fig. 1 System schematic

无线分组业务广泛应用于水质分析,基于GPRS的水质数据采集系统通过遥测终端^[7]将现场传感器采集到的数据利用GPRS网络和Internet网络传输到监测中心的数据库服务器^[8],该组网系统主要由数据采集系统、集中器、GPRS数据传输网络^[9]、监控中心4部分构成,其中数据采集系统主要由水质探头和射频节点构成,将探头获取到的数据通过射频节点传出;集中器主要包括GPRS模块和射频接收模块,负责接收来自每个探头的数据然后通过GPRS数据传输网络传给服务器,监控中心通过访问服务器便可得到监控数据。系统组网如图 2所示。

图 2

Fig. 2

图 2 系统组网 Fig. 2 System networking

水质探头由光谱传感器与采集器构成,光谱传感器将水文监测数据转换成脉冲,采集器采集脉冲,数据采集后,在与服务中心通信前存储在终端子系统中。采集器通过RS232串口连接的射频模块nRF24L01P与集中器内置的射频模块相互通讯。集中器是数据传输装置^[10],即GPRS DTU通信模块和射频传输模块。它是水文数据采集系统的中心管理和控制设备,负责定时读取采集器数据^[11]、系统的命令传送、数据通信和网络管理等功能。GPRS DTU基于GPRS 网络平台、内嵌TCP/UDP(传输控制协议/用户数据报协议)及功能强大的单片机系统,提供RS232串行接口,可以直接与电力线通信(PLC)系统、远程终端控制(RTU)系统 、馈线自动化终端设备(FTU)和配电变压器采集终端(TTU)等采集设备透明连接^[12],实现GPRS远程实时数据传输功能^[13]。GPRS模块内含有一个用户识别卡(SIM) 模块,SIM 卡号是GPRS模块的唯一标识。射频模块nRF24L01P接收一个局域网探头所采集到的数据,传输距离达2 000 m,完全可满足某个工厂的需要，射频模块收集到的数据通过GPRS传到服务器。

本探头利用散射原理获取浊度信息,即利用测量穿过待测水样的入射光束被待测水样中的悬浮颗粒色散所产生的散射光强度来实现。90°方向的散射光,不受颗粒尺寸的影响,因此浊度仪测量时采用90°散射光检测。当入射光强度相同时,颗粒物浓度越高,它所引起的光散射与吸收将会成倍增加。为消除颗粒物浓度较高对测量结果的影响,可在探头光路中增设前向或者后向散射光检测器。

水质分析探头采用带有参考光路的可见-紫外光谱分析构架,光谱探头如图 3所示。由于采用了双光路双光谱仪同步采样的方案,完全克服了光源的不稳定性,而且无需任何运动部件。

图 3

Fig. 3

图 3 探头构成 Fig. 3 Probe constitution 1—光源驱动电源；2—光源;3—准直透镜;4—窗体片;5—聚焦透镜;6—聚焦透镜; 7—参考光测量光谱仪;8—测量光测量光谱仪;9—参考光路;10—测量光路。

水质检测探头利用了很多光检测相关技术,有水质光谱分析技术、基于矢量物理光学干涉理论的光栅优化设计、基于像差优化光束光刻方法的光栅加工工艺、基于光栅微型光谱仪的结构设计与研发、多参数水质分析光谱信号处理技术等。利用这些技术能够准确地采集到水质参数。

数据传输方式为半双工通信方式。通信链路的建立与解除均由信息帧来控制。每帧由帧起始符、地址域、控制码、数据长度、数据域、帧信息纵向校验码及帧结束符7个部分组成。

由于每个GPRS模块只能连接一个水质探头,为了节约成本,所以本设计利用射频模块进行组网,探头的串口接在射频模块MCU串口上,采集点将探头的数据通过该射频模块无线发送给集中器的射频模块,这样就完成了对所有采集点探头的组网。后续集中器会将射频模块接收到的数据根据协议打包传输给服务器。本设计使用的是nRF24L01P射频模块,传输距离可达2 000 m,满足实际组网需求。2 000 m半径内实测丢包率不超过0.5%,如表 1所示。

表 1 (Table 1)

表 1 丢包率测试 Table 1 Test of packet loss 读取数据条数 接收数据条数 丢包率/% 255 255 0 510 2 0.39 1 020 5 0.49

表 1 丢包率测试 Table 1 Test of packet loss

集中器上电后,因为内置的GPRS模块插有SIM卡,可以通过GPRS网络连接互联网,然后集中器根据内置的服务器IP地址和端口号向远程的服务器建立Socket网络连接,发送接入请求数据包,服务器接收到请求包后,按照协议解析判断是否为允许接入设备,合法则反馈请求成功数据包给集中器,连接建立成功,进行正常数据收发,否则断开网络连接。如果监控中心在一定时间内(时间可以由工作人员设定)不向集中器发送数据,那么集中器就会自动断开与服务器的连接。

监控中心是客户监管采集点探头数据的地方。监控中心首先与服务器建立Socket网络连接,输入账号、密码,根据协议打包发送给服务器鉴权,请求接入,服务器比对账号成功则向监控中心反馈鉴权成功命令,同时根据数据库账号匹配集中器MAC地址,确定该监控中心所对应的集中器,连接建立成功,进行正常数据收发,否则断开网络连接。

在监控中心和监控中心对应的集中器均与服务器连接正常后,监控中心将要发送的命令根据协议打包后发送给服务器,服务器匹配集中器的MAC地址,找到该集中器与服务器的网络连接,然后将监控中心的命令帧通过该网络连接转发至采集点所在集中器,集中器接收到命令帧后,解析命令帧,获取到采集点的射频节点地址,然后将监控中心的命令发往该采集点,控制探头做出动作。

采集点在探头采集到水浊度信号后,通过组网射频模块将打包好的数据帧发往集中器,集中器的射频接收到数据帧后,通过串口传输给GPRS模块,该模块通过网络通信将数据帧发往服务器,服务器接收到该数据帧后,匹配该集中器MAC地址所属监控中心的网络连接,通过该网络连接将数据帧发往对应的监控中心,监控中心根据数据帧协议解析,得到水浊度信息,通过PC端或手机端软件直观地显示出来。监控中心向采集点探头读取水质浊度信息,当挂探头数量达到最大值255个的情况下,实测从发送命令至接收到所有探头水质浊度信息总共耗时时间不超过5 s,如表 2所示。

表 2 (Table 2)

表 2 不同时间段实测网络耗时 Table 2 Time consumption for different period 测试时间段 发送时间/h:min:s 结束时间/h:min:s 耗时/s 00:00:00-06:00:00 01:23:41 01:23:43 2 06:00:00-12:00:00 09:48:02 09:48:06 4 12:00:00-18:00:00 16:03:29 16:03:33 4 18:00:00-24:00:00 20:29:58 20:30:03 5

表 2 不同时间段实测网络耗时 Table 2 Time consumption for different period

监控中心应用软件安装在PC上,PC接收数据和发送控制命令是通过应用软件来实现的。因此,应用软件的设计主要是指利用计算机高级语言(JAVA)开发工作站上的数据接收和处理软件。对于GPRS无线数据传输方式的软件开发,采用客户机/服务器模式(简称C/S) ，然后进一步将此软件嵌入到手机上,只要能连网就可以实现手机随时随地检测浊度。该软件主要实现实时监测数据并将每一时刻的数据绘制成曲线,以便用户进行观察比较。数据包括浊度与温度，软件界面图如图 4所示。

图 4

Fig. 4

图 4 软件界面 Fig. 4 Software interface

水质监测与人的生活密切相关,水的浊度监测又显得尤为重要,如果水质监测数据得不到实时的采集与获取将给人的生活与国家建设带来极大的危害。本文提出的GPRS水质监测网络,无论是在可靠性,价格还是可实施性方面都极具优势,实现了PC机来监测数据,并且可以利用手机来实时监测数据,这样工作效率更高更智能化。本文利用射频进行组网,节约成本,并且可以同时监测多个厂区的多个探头;提出并研发基于光栅微型光谱仪的水质分析方法,可实现水质分析过程中单个探头的多参数检测,以及在紫外-可见光频段连续光谱分析,解决了用不同检测方法实现多参数水质在线检测的技术难题,具有微小型、低功耗、高性能的特性;在PC监测的基础上,将软件集成在手机端,利用手机实时监控水质参数,方便且高效。