河流监测范文

河流监测范文（精选6篇）

河流监测 第1篇

水资源是 人类生产 生活的重 要资源 。 目前 , 生态环境 破坏严重 , 水体污染 严重 , 水资源的 保护和水 污染的治 理成为现 代社会最 关注的问 题之一 。 目前全国 多数城市 地表水受 到一定程 度的点状 或面状污 染 ,且有逐年 加重的趋 势 。 日趋严重 的水污染 不仅降低 了水体的 使用功能 , 进一步加 剧了水资 源短缺的 矛盾 , 还对我国 正在实施 的可持续 发展战略 带来严重 影响[1,2,3]。 另外 ,随着河流 水质的不 断恶化 , 严重制约 了农业经 济的发展 , 影响了粮 食和其他 农作物的 产量和质 量[4]。 因此 , 环保部门 实时、有效和方便地对河流 水质进行监测就显得十 分必要。

本文设计 并制作了 基于单片 机和无线 传输技术 的河流水 质实时监 测系统 。 该系统以MSP430F149低功耗单 片机[5,6]为核心 ,通过24位模 - 数转换芯 片AD7793对双极性p H传感器和 温度传感 器信号进 行采集 , 由单片机 控制无线 模块发送 实时监测 所得并进 行温度补 偿后的p H值 。 所设计系 统 、 装置便于 实现对河 流水质的 监测 ,并采用太 阳能电池 供电 。 与传统的 人工检测 方法相比 ,本系统具 有检测数 据精度高 、传感器可 灵活更换 、节能 、实时监测 和无线通 信等特点 。

1 系统 结构

河流水质 监测系统 的结构框 图如图1所示 , 包括以下 几个部分 :(1)传感器模 块 。 由p H传感器和 温度传感 器将河水 的p H值和水温 值转换为 电信号 。 (2)调理电路 模块 。 调理电路 将电信号 处理为单 片机所能 接收的电 压信号 ,并送至A/D转换电路 。 (3)A/D模块 。 A/D转换电路 利用24位 Σ-Δ 模数转换 器将模拟 电压信号 高精度地 转换为数 字电压量 , 并送至单 片机处理 。 (4) 控制模块 。 单片机根 据当前温 度值对所 测p H值进行温 度补偿和 软件校准 ,最终得到 准确的p H值 ,并将此p H值通过无 线模块发 送至上位 机 。 (6)其他功能 模块 。 报警模块 根据按键 输入p H报警阈值 ,判断当前p H值 , 若超过此 阈值 , 则启动报 警模块 ; 太阳能供 电模块带 有电池监 测功能 , 可以实时 监测太阳 能电池的 剩余电量 , 若剩余电 量过少 ,则自动进 入节能工 作模式 ; 显示模块 由LCD显示当前 温度和p H值 、报警阈值 、当前日期 和时间等 信息 。

2 系统 硬件设计

2 . 1 传 感 器

2 . 1 . 1 p H 传 感 器

E - 201 - C型p H传感器测 液部分为 玻璃复合 电极 , 在测量溶 液的酸碱 度时 ,当被测溶 液的氢离 子浓度发 生变化 ,玻璃电极 与参比电 极之间的 电动势也 随之发生 变化 。 通过调配 不同酸碱 度的溶液 ,室温 (25 ℃)条件下用 某型p H计通过实 验测量发 现电极电 压与p H值近似成 线性关系 , 并根据能 斯特方程[7], 利用MATLAB将所测样 本点拟合 成一次线 性函数 。

MATLAB将26个实测的 样本点与 拟合的函 数多项式 关系图如 图2所示 。 由图2可知 ,传感器所 输出的电 信号与所 测溶液的p H值近似成 线性关系 。 由MATLAB将26个样本点 进行拟合 得到的一 次线性函 数为 :

后级调理 电路将传 感器电量 放大2倍并加上1.2 V的偏置后 ,得到V-p H关系式为 :

2 . 1 . 2 温 度 传 感 器

两线PT100铂电阻温 度传感器[8]是一种以 白金 (Pt) 制作成的 电阻式温 度传感器,属于正电 阻系数,其电阻和 温度变化 的关系式R=Ro( 1 + αT ) , 理论上 α = 0 . 003 92 , Ro为100 Ω(在0 ℃的电阻值),T为摄氏温 度 。 经测量的 电阻实测值 与理论值 存在略微 偏移 ,故根据实 验校准修 正的关系 式为 :

2 . 2 p H 调 理 电 路

由于E-201-C型p H传感器的输出电量为-400 m V~ 400 m V范围内的 双极性电 压信号 , 需要进行 放大和偏 置调理 。 调理电路 如图3所示 , 电路将p H传感器的 输出电压 放大2倍 ,并通过1.2 V基准电压 芯片LM385加上1.2 V的偏置 。 由此可将 -400 m V~400 m V的电压范 围变换成0.4 V~2.0 V的电压范 围 。

2 . 3 模 数 转 换 器

本设计采 用ADI公司的24位三通道 Σ-Δ 型模 - 数转换芯片AD7793, 实现对传感器模拟信号的高精度A/D转换 。 AD7793内置可编 程激励电 流源和仪 表放大器 ,将激励电 流源配置 成1 m A输出并与pt100串联 , 取得的电 压信号再 经过片内 仪表放大 器获得16倍增益 , 最终获得1.6 V附近的电 压值 。 A/D转换模块 如图4所示 , AD7793采用外部2 . 5 V基准参考 电压 , 将调理电 路送来的p H值模拟量 和水温值 模拟量进 行数字转 换 , 并通过三 线SPI接口将转 换后的数 字量送至 单片机进 行处理 。

2 . 4 无 线 通 信 模 块

n RF905单片无线 收发器[9]工作在433 / 868 / 915 MHz的ISM频段 , 由一个完 全集成的 频率调制 器 、 一个带解 调器的接 收器 、 一个功率 放大器 、 一个晶体 振荡器和 一个调节 器组成 。 通过单片 机IO口模拟SPI通信协议 来配置n RF905的片内寄 存器 , 实现对无 线模块的 收发控制 。 当系统监 测到的p H值发生变 化时 , 单片机调 用n RF905发送最新 的监测数 据 。

2 . 5 按 键 、 电 池 监 测 和 蜂 鸣 器 电 路

系统的p H报警阈值 和电池电 压报警阈 值通过按 键电路设 置 , 通过中断 方式与单 片机连接 。 当监测的p H值超过了 阈值 , 系统即触 发中断进 入中断服 务程序 ,蜂鸣报警 。 蜂鸣器电 路如图5所示 。

电池电压 监测电路 如图6所示 。 VCC为电池电 压 , 经电阻分 压输入电 压跟随器 再输入单 片机内部A/D转换器 。 当电池电 量减少 ,电压VCC下降到设 定的电压 阈值时 , 触发单片 机内部中 断 , 工作模式 自动从实 时工作模 式切换至 定时断续 测量的低 功耗工作 模式 。

2 . 6 时 钟 、 LCD 、 EEPROM 电 路

时钟芯片 为低功耗 时钟芯片DS1302, 可以对年 、 月 、 日 、周 、时 、分 、秒进行计 时 ,且具有闰 年补偿功 能 。

LCD为低功耗 工业字符 型液晶1602 , 能同时显 示16列2行共32个字符 。 单片机控 制LCD1602显示当前 日期 、时间 、p H值 、温度值及p H报警阈值 。

EEPROM为两线串行 芯片AT24C04 , 用于存储用 户设置的p H、电池电压阈值 。 此外 ,当监测的p H值超过阈值时,系统将对应的日期、时间和p H值记录到EEPROM中。

3 系统 软件设计

系统以MSP430F149单片机为 主控芯片 , 配合ADC12和定时器 等达到控 制p H传感器 、 温度传感 器 、 24位外部ADC 、 时钟芯片DS1302 、 EEPROM 、 LCD 、 无线模块 等外部器 件协调工 作的目的 。

3 . 1 主 程 序 流 程 图

主程序首 先对时钟 初始化 , 选择8 MHz的晶振作 为系统时 钟源 。 然后依次 对各个片 内 、 片外模块 进行初始 化 。 最后使能 中断 , 进入低功 耗模式 , 等待中断 唤醒 。 主程序流 程如图7所示 。

3 . 2 定 时 器 中 断 流 程 图

3 . 2 . 1 定 时 器 A 中 断 流 程

定时器A中断每隔1 s将CPU从低功耗 状态唤醒 , 故称之为 实时模式(Real Time,RT)。 系统复位 时 ,自动开启 定时器A中断 ,禁止定时 器B中断 , 即默认启 用实时模 式 。 在定时器A中断中 , 系统首先 读取p H值和温度 值 ,并判断p H值是否超 阈值 , 若超过阈 值则蜂鸣 报警 , 并将当前 时间和p H值记录在EEPROM中 ; 否则 , 系统无附加动作。 然后,系统刷新液晶上显示 的p H值和温度值,并通过无线模块发送 出去 。 最后,系统通过MCU内部12位ADC检测太阳能电池 电压值 , 若低于设定阈值 , 则自动切 换至低功 耗模式 ;否则 ,系统无附 加动作 。 另外 , 此中断服 务最后包 含 “10 s检测 ”功能 ,即每隔10 s将当前日 期和时间 显示到液 晶屏下方 , 保持3 s后 , 恢复原先 显示界面 。 定时器A中断流程 图如图8所示 。

3 . 2 . 2 定 时 器 B 中 断 流 程

定时器B中断每隔1小时将CPU从低功耗 状态唤醒 ,故称之为 低功耗模 式(Low Power,LP)。 系统复位 自动禁用 定时器B中断 。 在定时器B中断中 , 除了不包 含 “ 电池电压 监测 ” 和 “ 10 s检测 ” 功能外 , 其他功能 与定时器A中断相同 。 定时器B中断流程 如图9所示 。

3 . 3 数 字 滤 波 算 法

为提高系 统测量精 度 ,AD7793将p H电量连续 转换10次存入数 组中 , 单片机将10次转换结 果进行冒 泡排序 。 然后 ,计算数组 中间8个数据的 平均值作 为10次转换的 最终结果 。 该算法原 理 :去除样本 中的一个 最大值和 一个最小 值 ,再求平均 值 。 该算法可 滤除因干 扰导致的 测量偏差 ,提高了系 统的稳定 性 ,避免错误 报警 。

3 . 4 温 度 补 偿

为克服p H值在测量 过程中受 温度的影 响 , 可通过温 度补偿进 行修正 。 根据p H传感器输 出的电压 值V和温度感 测器测量 的摄氏温 度T,代入温度 补偿模型[8]:

将式 (2) 计算得到 的p H0和式 (4) 计算得到 的p H1进行平均 得到最终 的p H值 。

4 系统装置示意图

系统在应 用时需放 在河流水 面上工作 , 故设计了 系统装置 ,系统装置 图如图10所示 。 系统硬件 放置在漂 浮圈上 , 漂浮圈通 过平衡铁 圈保持平 衡 , 防止河面 浪涌造成 装置倾覆 。 两个传感 器从漂浮 圈内垂入 河水中 ,太阳能电 池板放在 装置顶端 为系统供 电 。

5 实验 结果

系统经过 硬件调试 和软件补 偿后进行 实验和数 据对比 。 实验分甲 、 乙两组分 别进行 , 甲组在室 温 (25 ℃ ) 条件下 、乙组在不 同环境温 度下分别 对调配的 不同酸碱 度的水进 行测试 。 两组测量 结果均与p H计和温度 计测量结 果进行对 比 ,实验测试 结果如表1所示 。 由表1实测数据 可知 , 在不同温 度的工作 环境下 , 系统测量 的河水p H值准确度 较高 。

6 结束 语

河流水质 实时监测 系统硬件 采用PCB工艺 , 由传感器 、 显示屏 、 单片机和 无线传输 模块构成 , 工作稳定 , 并通过温 度补偿提 高系统测 量的准确 度 。 系统能够 将监测的 最新p H值通过无 线发射模 块传输到 监控中心 , 以便于工 作人员及 时 、 全面地掌 握水质变 化情况 。 测量装置 采用太阳 能供电方 式 , 很好地解 决了系统供电的 问题 。 该系统节 能环保 , 性能稳定 , 可以节省 大量的人 力物力 , 提高监测 效率 , 具有一定 的现实意 义和实用 价值 。

河流监测 第2篇

以地表水Ⅳ类水质限值为评价标准,通过对四平市城区的南河、北河非金属无机污染物监测分析得出:城市活动对流经城区的河流水体非金属无机污染物有显著影响;其中,北河水体受总磷的.影响较大且严重超标,南河水体受酸碱度的污染较重,部分采样点超标;南北河水体氰化物、氟化物和亚硝酸盐-氮均未超标,但总体上有污染增加的趋势;因此,对南北河实施治理迫在眉睫,但要科学合理区别对待.

作 者：滕洪辉 李恒达 贾铃铃 张国坤 TENG Hong-hui LI Heng-da JIA Ling-ling ZHANG Guo-kun  作者单位：滕洪辉,贾铃铃,TENG Hong-hui,JIA Ling-ling(吉林师范大学,环境工程学院,吉林,四平,136000)

李恒达,LI Heng-da(吉林师范大学,化学院,吉林,四平,136000)

四平市中小河流水文监测系统 第3篇

2011年8月31日,水利部在北京召开全国中小河流水文监测系统建设工作会议,贯彻落实中央水利工作会议和今年中央1号文件及全国中小河流治理工作会议精神,全面部署中小河流水文监测系统建设工作。

2 系统功能

2.1 总体实现功能

系统建设的总体任务是对辖区内的报汛站进行水文信息的自动采集、本地存储、远程传输、异地接收处理和入库等建设。

2.1.1 遥测站集成

完成报汛站的水雨情信息采集系统设备开发、安装、调试,实现水雨情信息采集及报汛通信。

2.1.2 中心站集成

雨量站发往市局的数据,统一传输格式,接入原系统;按统一的数据库结构建立遥测数据库。建立信息中心水情(远程)查询、分析、报表生成、报警提示、信息发布等应用系统。

2.2 遥测站的功能

本系统遥测站具有以下功能:

雨量采集:雨量计每次翻斗触发RTU将降雨时间写入固态存储模块,并使雨量累计值增量。遥测站平时报汛采用定时自报、限时增量报的工作方式,当满足自报或加报条件时自动把测站的信息发回中心站,定时自报的时段值(1～24)可设置。雨量增量加报。雨量加报阈值(2个)可设置。雨量计每翻斗一次,RTU使雨量累计值增量,同时比较当前雨量累计值和上次上报的雨量累计值,如果二者之差超过设定的阈值,并且当前时间和上次上报时间之差也超过设定的阈值,则RTU进行一次加报。

本地或远程修改系统参数后,与中心站进行通信确认,保证遥测站参数与中心站存储参数的一致性。具有实时钟,以完成对水位、雨量的自动记录与定时上报。可采用GPRS/GSM通信模块或北斗卫星终端作为通信工具,同时支持GPRS数据传输、GSM短信息(SMS)传输和卫星数据传输三种传输手段。

具备测试功能,测试数据只显示、不存储。具有实时钟,并具有自动校时、系统时钟同步功能。一站多发功能,配置专为燕禹制作的DTU,满足一站多发需要。发送报文中含有:采集时间、发报时间、测站站号、中心站号、电源状态等工况信息和雨量、水位信息。

2.3 分中心的功能

本系统中心功能具体包括如下几个方面:

通过GPRS (GSM)主信道全天候收集所有测站的数据,并进行解码、合理性验证、自动纠错、分类入库、转储、备份。数据转发至省(区、市)、流域、其他水情中心、测站及上级领导机构。远程管理遥测终端(校时、修改参数等)。

兼容自报体制和应答体制,可以实现对测站的召测、巡测及查询。可以与其他遥测系统中心站进行联网,实现信息共享。数据库的本地、远程查询及维护。

雨水情信息可提供15min、30min、1h、2h、3h、6h、12h、24h等任意时段的Web远程查询。数据整编、数字显示、数据查询、报图报表。具备测站监控、系统告警指示功能。远程写库功能。远程提取固态数据。故障后的数据恢复功能。数据维护(人工填补数据、去除冗余、合理性检查等)。站点管理(改变属性、配置参数、站点增减)。预留其他信息入网接口。可与其他系统联网,实现信息共享。

2.4 通信方式

根据招标文件要求,本系统通信体制可以归纳为以下几点:

测站以GPRS通信方式为主,以GSM短信通信方式为备。

定时自报、限时增量加报与查询一应答报送相结合。

定时自报:本系统拟选用的RTU支持现场或远程设定工作参数,其中包括定时自报间隔参数。用户根据量级和需求由中心设定定时自报时间间隔,定时自报的时间间隔可以任意设定。例如用户可以设定RTU每1小时定时上报一次数据,也可设定为每6h (或其他间隔)上报一次数据。

限时增量加报:每当被测水文参数变化超过设定门限值,并且与上次发送数据时间间隔大于规定值即自动向中心发送一次数据。本系统拟选用的RTU可现场或远程设定雨量加报门限。

查询/应答式:本系统拟选用的RTU可以设置为具有定时开机以接受中心站召测或远程管理的功能。当报汛站RTU及通信终端处于开机状态时,报汛站可自动响应中心发出的巡测或召测指令,实时采集水文数据并发送给中心。定时自动巡测的时间间隔,可根据数据处理和预报作业的需要。

混合式:本系统同时定时自报、限时增量加报和查询一应答式三种工作制式。

3 遥测站安装

根据招标要求,自动雨量站包括如下几部分:双杆式机箱、太阳能板、电池、雨量计、终端机。

自动雨量站的安装过程如下:组装杆式机箱;安装雨量筒;安装太阳能板(注意方向);将终端机、蓄电池安装于杆式机箱内;连接各种线缆;立杆、浇筑;做地网设施;测试设备,完成安装;

自动雨量站设施设备主要包括观测场地选择、雨量测验及配套设施建设、观测仪器安装调试等三个方面。

开展中小河流水文监测系统建设,是我国水文事业自身发展的必然要求和迫切需要。我们要充分利用好该系统,使监测系统发挥最大效益。

摘要：本文简要介绍了四平市中小河流雨量监测系统的组成及功能。阐明开展中小河流水文监测系统建设,是我国水文事业自身发展的必然要求和迫切需要。我们要充分利用好该系统,使监测系统发挥最大效益。

基于生态学概念的河流监测计划探析 第4篇

1 河流生态学内容简介

河流生态学 (river ecology) 是近十几年发展起来的一门关于河流生物分布结构、功能结构, 涉及到环境生物相互关系发挥作用的学科。随着全球环境污染问题的普遍恶化, 河流污染作为其中的一个比较严重的方面, 河流生态学发挥的作用也越来越大, 因此在理论产生兴起之初得到了环境生态研究领域的广泛支持, 目前我国在这方面的研究也十分活跃。河流生态系统研究的重点是研究河流生命系统与生命支持系统之间的复杂、动态、非线性、非平衡关系, 其核心问题是研究生态系统结构功能与重要生境因子的耦合、反馈相关关系。一般来说, 河流生态学根据现有的范围可以分为三个方面。 (1) 该学科关注河流等水域的横向研究, 关注平原、水流河道以及水流河岸之间的相互作用。其次该学科关注河流等水域的纵向研究, 关注某地区河流水域的具体生态分布、生态结果以及生态功能; (2) 对河流水域的地理、水文也有所研究; (3) 该学科关注河流水域的整体评价, 是上述两个方面的综合研究。目前全球河流生态学的运用出现了一些新的发展态势, 主要表现在多学科融合、研究重点转向人类活动对水域的影响、河流生态学科学信息技术化以及理论知识适应社会需求而发展等几个方面。

2 河流生态系统指标的开发

2.1 非生物环境指标

非生物环境指标, 顾名思义, 是通过对河流水域中的丰生物信息进行分析, 基于此进行河流监测计划的指标。其中包括了以下几个方面的非生物因素, 首先是河流水文特征, 河流水文特征分析通过对诸如含沙量、水位线、水流流速、结冰期、汛期、涝期等方面的具体分析对河流水文进行整体把握。其次是河流地貌特征, 河流通过长期的冲蚀对河岸陆地产生影响, 最后形成了独特的河流地貌。不同的河流地貌如沟谷、侵蚀平原等等其所反映出的河流演变情况都有所不同, 具有深刻的参考意义。最后是河岸带特征分析, 河岸带的定义具有广义、狭义两种。一般是指靠近河流岸边的地带, 具有植被丰富、空气湿度大的特点。通过不同河岸带的研究可以分析出不同的河流水源特征。

2.2 生态系统功能指标

河流作为一个动态的系统, 其自身的物质吸收能力、排放能力以及物质的自我生产能力都能从各方面反映出河流的系统活力。生态系统的功能指标包括了两个方面, 首先是物质通量, 这些通过的物质有沉淀物、营养物质、有机物质、藻类植物等等。值得注意的是, 尽管河流监测需要通过各种河流物质的通量进行全面的研究, 但目前一般只是通过物质负荷数据进行调查。其次是截留率, 截留这种气象现象一般与地区降雨量、风速大小以及雨间天气状况有因果关系, 河流水域的截流量与河岸树种以及降雨量有着内在密切的联系。

2.3 生态系统结构指标

生态系统结构指标从河流生态系统的结构特征出发, 从三个方面的因素变化给出河流监测的指标指导: (1) 关于物种多样性, 近年来物种多样性中的对大型无脊椎动物如一些大型水母、海葵、珊瑚等的研究为河流监测提供了一个很重要的指标参数, 借此来解释河流功能摄食类群层级波动的内在原因。物种多样性是河流生物多样性的重要指标之一, 是评测不同地区河流动、植物以及微生物物种数目以为人类发展、生活奠定基础的前提; (2) 生态系统结构指标的生物丰富度; (2) 功能摄食类群的变化。这两个方面对于河流监测所需求的指标参数也具有重大意义。

2.4 人类干扰变量

在河流污染过程中, 人类生产活动所产生的影响越来越大, 人在河流污染中应担起的责任也越来越大。人类陆上排放生活垃圾、工厂排放未处理的工业污水、城市运行抛弃的商场废物以及人类土地利用格局改变等方面的共同影响导致了大大小小河流水质的恶化, 而且随着国家社会经济在新时期的巨大发展, 河流恶化速度也变得越来越快。其中, 人类干扰变量在其中所起到的负面影响巨大, 虽然内容庞杂但对水质的破坏作用极其集中, 河流监测计划的制定尤其应注意这个方面的研究分析。

3 关于河流生态学与河流监测计划的探讨

3.1 河流生态学应用及发展前景

通过前文的论述可以看出, 运用河流生态学的核心学科理念对河流监测事业所起到的作用将星多方面且卓有成效的。其为河流监测计划的制定以及后期河流监测工作的展开乃至后期河流治理等工作的顺利进行奠定了良好的理论基础。在证实了理论基础正确性的前提下, 相关部门技术监测人员如何正确利用河流生态学的理论知识运用到具体实际监测活动中显得尤为重要, 国家政府相关部门应该在这个方面加大重视度。同时, 河流生态学应用过程中也遇到了一些阻碍, 存在个别局限。如在资源螺旋概念中提出的螺旋长度, 看起来是对河流功能过程的一种非常适宜的测量, 但实际上它并不是一个恰当的指标, 因为它更像是一种理论单元, 并且需要用放射性同位素进行复杂测量来获取, 序列不连续体概念亦如此[1]。但从整体上看, 利用河流生态学为基础进行河流监测事业、制定河流监测计划具有光明的前景, 相信通过努力一定能够实现河流监测不断优化的目标。

3.2 对当前河流监测计划评价

整体来说, 我国现今河流监测计划工作的实行还是比较完备顺利的, 但具体细节来看还存在着一些纰漏。如河流监测执行部门的差异所造成的监测计划并不相同导致了监测侧重点不同, 其后果往往是监测事业不能实现预期目标;如人类干扰导致的河流生态系统的生态效应, 现有监测计划中的变量不足以综合判定[2];又如物种多样性和丰富度数据应该用于确定大型无脊椎动物的梯度, 并更多地放在空间方面, 但在现有监测计划中没有进一步表示。

4 结语

综上所述, 污染源的排放情况、环境水文条件的变化以及河流的水文特征等方面对我国河流监测计划的实施与开展息息相关。河流污染监测作为国家新时期的一项重要的事业, 其监测水平、监测力度对我国河流污染治理事业都有着重要的借鉴意义, 国家政府应尤其重视在这方面的技术支持与不断地深入研究, 明确河流污染所引起的严重后果, 早日采取切实可行的措施缓解最终解决河流污染问题。希望我国未来的河流监测事业发展步伐稳步加快, 我国的河流治理水平更上一层楼。

参考文献

[1]张立成.河流监测和水源保护[J].2010 (2) :15-17.

河流监测 第5篇

我国是一个水灾多发的国家, 为了预防水灾, 及时为防汛决策提供大量可靠的数据和资料, 需要实时准确地监测江河、湖泊与水库等的水位。目前, 国内许多水文站监测水位仍采用人工方法。该方法不但存在测量的人身安全问题, 而且还存在数据测量难以准确、监测实时性不强等问题。近年来GPRS移动通信系统发展迅速, 将这项技术运用到水位监测方面是一种非常好的方法。它能够实时地将水位信息传输到国际互联网上, 工作人员无论在办公室还是在家里, 都能及时了解水位信息。通过软件长时间地记录还可分析出某一阶段河流的流量信息, 及时做好防旱抗涝准备。

1 系统总体结构及工作原理

系统总体结构如图1所示。主要由在线数据采集分机、GPRS通讯层、监控中心主机等构成GPRS在线监测系统的整体。图中的在线数据采集分机主要担负水位信息的采集任务, 并将采集的信息通过GPRS模块发送至监控中心主机, 监控中心主机通过互联网进行数据接收, 并进行相应的分析和处理。该系统能自动检测江河、湖泊及水库等水位, 能自动采集、传输水位数据。当水位达警戒线时, 该系统能通过GPRS进行远程报警。

系统的水位传感部件采用压力传感器, 根据公式p=ρgh, 及, 得。这里只要测得水底传感器的压力, 即可求得对应的高度, 即水位。模数转换器采用具有16位模数转换精度的MAX1358, 若要求水位测量精确到1cm, 那么本系统的水位量程理论上可达655.36m, 满足国内大多数河流的测量范围。

系统中LPC2368做为核心处理控制器件, 负责系统的数据采集、处理及传输。由于水位监测的数据更新到1Hz即可满足应用的需要, 所以核心处理器在完成多个任务时不会影响采样速率。ZWG-23A将串口数据流直接转换为含有TCP/IP协议的数据流并传输到互联网上, 主机只需打开固定的端口, 就可以接受到数据采集系统的信息。电池模块在白天时负责电池的充电, 在日光不足和夜间用电池对外放电, 保证了系统能够昼夜不间断运行。

1.1 GPRS网络及所用模块介绍

GPRS (General Packed Radio Service, 通用分组无线业务) 是一种基于GSM系统的无线数据传输业务, 提供端到端的、点到端的、广域的高速无线IP或X.25连接服务。克服了GSM中电路变化速率低、资源利用率差等缺点, 在大最大限度地利用了现有的GSM网路资源, 提高了传输速率。能提供比现有的GSM网9.6KB/s更高的数据传输率, GPRS网络在理论上数据传输速率可达171.2KB/s。由于GPRS网路具有永远在线、快速登陆、按流量计费、切换自如、高速传输、安全可靠等优点, 因此可以构建低成本、安全可靠的传输网络系统。

ZWG-23A是一款基于GPRS网络的无线数据传输终端设备, 提供全透明数据通道, 可以方便的实现远程、无线、网络化的通信方式。让数据采集设备轻松实现与Internet的无线连接。ZWG-23A具有网络覆盖范围广 (移动网络覆盖范围, 能使用移动电话的地方就可以使用) 、组网灵活快捷 (安装即可使用) 、运行成本低 (按流量计费) 等诸多优点, 非常适合远距离实时数据传输。

1.2 处理器的介绍

LPC2368是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-S CPU, 处理器时钟高达72MHz。片内含有高达512KB的片内Flash和58KB的片内SRAM存储器。

强大的通信接口:集成4个UART (1个带有Ir DA) 、10/100M以太网媒体访问控制器 (MAC) 、USB 2.0接口、2路CAN-bus接口、3个I2C接口、3个SPI/SSP接口、1个I2S接口。

增强型外设:4个32位捕获/比较定时器、PWM、1个带有2KB电池SRAM的低功耗实时时钟、看门狗定时器和1个片内4MHz的RC振荡器。

此外, 具有1个SD/MMC存储卡接口、1个8位存储器控制器 (Mini Bus) , 支持异步静态存储器设备。

1.3 利用太阳能电池工作的优势

太阳能电池是一对光有响应并能将光能转变为电能的装置, 其依据的原理为光伏效应。太阳能系统具有易于安装, 易于扩充, 易于拆卸, 等优点。因此, 一般太阳能电池具有高荷电吸收能力, 循环使用寿命长, 良好的可充性能, 无需保养的优点, 同时使用太阳能也很经济实惠, 在操作过程中没有能量耗费。

2 结论

在电子自动化及互联网高速发展的今天, 水文自动检测的实现方式变得更加多样化。本文设计的基于GPRS的河水水位自动检测系统将数据采集和互联网有效地结合起来, 实现了远程实时数据采集传输, 解决了人工无法实现的多点实时测量、记录的问题, 是一套值得广泛推广的无线数据采集系统。

参考文献

[1]何立民.单片机应用技术选编[M].北京:北京航空航天出版社, 1997.

[2]聂毅.单片机控制的水位与降雨量监测系统[J].微计算机信息, 2003 (4) :37-39.

[3]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2005:15-16, 415.

河流监测 第6篇

我国河流多,河流水位变化大,尤其在汛期,河流水位在暴雨和山洪的影响下迅速上涨,给人民的生产生活带来不可估量的损失。目前国内许多河流水情的监测主要依靠水文站观测人员进行观察、逐级汇报的方式,该方式不仅需要大量的人力,而且很难做到及时、准确地了解河流水情状态。特别是在遇到暴雨或特大暴雨时,观测人员很难进入观测地点,各种数据的采集与传递都无从谈起,势必引发灾难性的后果。因此,加强对河流水情的实时远程监测就显得极其重要。虽然现阶段国内一些公司企业设计了水情监测系统,但购买成本高,运行费用也高。GPRS(通用分组无线业务)无线通信网络已经遍布世界各地,覆盖范围及其广泛,可靠性高,且收费相对低廉,数据传输速率最大可达到171.2 Kb/s,同时GPRS网络能接入Internet网络,实现数据的大范围远程实时监控[1⁃2]。

基于此针对当前河流监测系统的不足,提出一种经济小型化的河流水情实时远程监控系统设计方法。以陕南汉江为监测目标,利用低成本处理器和水位传感器,结合GPRS无线网络和Internet的无线接入技术实现河流水情信息的远程监测。

1 系统整体架构

河流水情监测系统主要由现场监测终端、通信网络和远程监控端3 部分组成。现场监测终端由控制模块,数据采集模块,信号处理模块和电源管理模块组成。远程监控中心由一台具有公网IP地址的云服务器主机和上位机软件组成。 通信网络包括GPRS通信模块SIM900A、GPRS网络和Internet网络。 SIM900A内置TCP/IP协议,GPRS模块插上SIM卡经过AT指令配置后可以接入GPRS网络,GPRS网络将数据发送到远程监控端,远程监控端与Internet网络连接。系统工作过程为:首先数据采集模块进行河流水位数据的采集,经信号处理模块处理后送到单片机,单片机处理后经串口送到GPRS模块发送,再经GPRS通信网络接入Internet网,将数据送到监控端。河流水情实时远程监测系统如图1 所示。

2 系统硬件设计

系统硬件由河流水位信息采集模块、水位信息显示模块、控制单元和数据发送模块3 部分组成。水情信息采集模块主要由水位传感器和I⁃V转换电路组成,显示模块由字符型液晶显示模块LCD1602 组成,控制单元由STC12C5A60S2 单片机组成。数据发送模块主要由SIM900A模块组成。系统硬件组成如图2 所示。

水位传感器选用LC⁃SW1 型水位传感器,LC⁃SW1型水位传感器是投入式液位变送器,由壳体、放大器、接线端子、防护帽、中空导线等组成。宽电压抗冲击设计,体积小、重量轻、抗震动。输出有两线制和三线制,设计中采用两线制接法,输出4~20 m A电流信号,正极接24 V,负极接输入-24 V。考虑到STC12C5A60S2 单片机的I/O引脚要求输入电压信号,设计了I⁃V转换电路,与STC12C5A60S2 单片机的连接如图2 所示。

LCD1602 的4 引脚RS接STC12C5A60S2 的P2.0 I/O口,5 引脚R/W接P3.5 口,使能端6 引脚E接P3.6 口,数据总线DB0~DB7 接P0 I/O口。

STC12C5A60S2 单片机是一款功能非常强大的单片机,有两个串行通信接口,串口1 的功能及操作与传统51 单片机串行口相同;串口1 可以使用定时器1 作为波特率发生器,而串口2 只能使用独立波特率发生器作为波特率发生器,控制水位传感器和数据发送模块SIM900A的工作。在该系统中,使用串口2 与SIM900A相连接,P1.2 和P1.3 作为串口2,负责发送控制SIM900A指令,串口1 主要是用来调试,将相关的调试信息从串口1 输出。

数据发送模块SIM900A是SIMCom公司提出的一款尺寸紧凑的GSM/GPRS模块,内嵌TCP/IP协议,主要是为了实现SMS与TCP功能,语音接口没有引出,外部功能模块主要分为串口、电源、SIM卡、以及单片机相应接口。

硬件系统通过SIM900A模块接入Internet和监控端相连接,单片机STC12C5A60S2 和SIM900A通过串口连接,利用AT指令收发数据,实现串口通信。由于计算机串口输出的是RS 232 电平,而单片机和SIM900A模块都是TTL电平,不能直接进行通信,需要进行电平转换才能进行通信。本系统选择美信(MAXIM)公司专为RS 232 标准串口设计的单电源电平转换芯片MAX232来进行电平转换。

3 系统软件设计

系统软件设计主要包括:现场监测端软件设计和远程监控端软件设计。现场监测端软件设计包括主控制器程序的设计、水位信息采集处理程序设计和监测端网络通信程序的设计。软件工作过程为:首先完成主控制器STC12C5A60S2 串口的初始化和GPRS模块的初始化,初始化完成后开始水位信息的采集和处理,GPRS模块SIM900A发起TCP连接,连接成功,主控制器将水位信息数据打包通过GPRS网络发送到远程监控端[3]。现场监测端工作流程如图3 所示。远程监控端软件设计包括远程监控端网络通信程序设计。

3.1 主控制器STC12C5A60S2 程序设计

主控制器STC12C5A60S2 程序设计流程为系统初始化(主要包括定时器初始化、串口初始化、端口初始化等)、串口接收发送数据、按键键值的读取、与SIM900A的通信等。STC12C5A60S2 内部有两个串口,第一个串口与通用51 单片机相同,在P3.0 和P3.1 口;第二个串口是可以配置的,默认在P1.2 和P1.3 端口。对于串口1 初始化,配置串口模式为8 位数据位,1 位起始位,1 位停止位,无奇偶校验位,使用定时器T1 参数波特率,波特率为9 600 b/s。配置完成,开定时器T1 中断,启动定时器T1,串口接收中断。串口2 的初始化和串口1 的类似,只是串口2 使用的是STC12C5A60S2 内部的波特率发生器BRT,串口2 的配置模式为8 位数据位,1 位起始位,1 位停止位,无奇偶校验位,波特率为9 600 b/s。

配置好串口之后,只需要往SBUF写入字符就可以通过串口发送出去,在串口发送的时候需要检测串口发送的忙碌位,在不忙时即可串口发送,同时在发送的时候暂时关闭串口接收中断,使发送和接收互不影响(接收的数据不会丢失,缓存在寄存器中,只是暂时没有接收中断,一旦发送完成,开始接收中断,就会处理接收),保证了系统的可靠稳定性。下面代码是发送一个字符的函数,目的是为了方便调试:

串口的接收是以中断的方式接收的,接收的格式是8 位数据位,1 位起始位,1 位停止位,无奇偶校验位,波特率为9 600 b/s。当使能串口接收中断(ES = 1),串口有数据时,STC12C5A60S2 会跳转到串口接收中断函数中,数据缓存在SBUF里。当串口接收中断时,RI为1,将数据读入到Temp,这样就可以完成串口的接收。

3.2 监测端网络通信

监测端网络通信程序流程为通信模块SIM900A的初始化、PDP的上下文激活、GPRS数据的读取/发送、GPRS网络状态的检测[4]。SIM900A的初始化完成GPRS网络连接方式、传输方式、附着和分离GPRS业务、启动任务并设置接入点、启动连接和获取本地IP的设置[5]。连接方式设为单点连接,传输方式设为透明传输方式,附着GPRS业务,设置参数为“AT+CGATT=1”,GPRS接入点APN(Access Point Name)设置为"AT + CSTT="CMNET"",CMNET(China Mobile Net)是GPRS接入点名称,CMNET提供了NAT服务,使用该服务的手机可以直接访问Internet,CMNET可用于PC,笔记本电脑,PDA等设备实现GPRS上网[5]。考虑到系统设计需要,GPRS接入点名称设置为CMNET;通过AT指令"AT+CI⁃ICR"激活移动场景,发起GPRS连接,GPRS连接成功后,向串口发送指令"AT+CIFSR",获取本地IP地址[6]。SIM900A的初始化完成后,建立TCP连接,发送数据。首先进行初始化,设置连接模式、端口号和IP地址,通过指令"AT + CIPSTART="TCP","wap.baidu.com","80""完成。再利用AT指令进行数据的发送,使采集到的水位信息数据发送到GPRS网络。在完成GPRS数据传输过程中,相应AT命令必须设置,但相邻AT命令间要有一定延时,经验证约为2 s。SIM900A模块建立TCP连接、打包发送水位信息数据程序如下:

3.3 监控端网络通信设计

监控端网络通信设计实现TCP服务器的建立和监控端TCP连接的建立。SIM900A分配到GPRS网络的IP是动态的,重新连接网络后IP变化,再次通过设备建立IP连接变得困难。同时设备只要能连接Internet,就能访问具有公网IP的主机[7]。为了实现数据的稳定可靠传输,有必要设置服务器,本系统采用云服务器。服务器网络通信采用Microsoft Visual basic 6.0 进行编写。利用TCP连接方式,Socket建立一个TCP服务器端口供GPRS模块连接[8]。在TCP连接建立后,监控端会将其用户名和密码信息发到服务器,若用户名和密码正确,则显示用户上线,否则服务器断开连接。服务器还具有识别命令的功能,它能识别监控端发上来的命令,然后执行相应请求[7]。

监控端设在能与Internet连接的计算机上。监控端通过向服务器发送命令来获取信息,或者传送数据到水位数据监测端。监控端和云服务器连接,实现数据的收发,就是监控端建立TCP连接。监控端TCP连接建立后,就可以开始接收水位监测终端发送来水位信息,并对水位信息处理。

4 系统测试

以陕南汉江作为河流水位监测目标,STC12C5A60S2作为水位监测端控制中心,SIM900A作为水位信息无线发送模块,LC⁃SW1 型水位传感器测量水位。利用云服务器和一台连接Internet网络的计算机作为监控端。经过测试,系统运行稳定,水位数据无线传输正常,满足系统设计要求。测试中选择汉江河流某段的5 个不同位置进行测试,现场的实际测试值与监控端的测试值比较,相对误差在5%以内。远程监测端的测试结果和监控端的值进行比较如表1 所示。

5 结语

将远距离采集数据与GPRS无线数据传输技术相结合,改变了以往有线的局限,能够实现监测端的无人值守功能。系统结构简单,水位采集监测端仅需要水位传感器、单片机、电源模块和GPRS无线模块。易于扩展,可以增加或删减水位监测设备。 GPRS网络覆盖广,不受地理位置限制,通信费用低廉,数据实时在线,可广泛用于地质、水文等领域,可以应用于交通不便、没有电力的偏远地区,有较高的应用与推广价值。这为改善河流水位信息采集工作的效率,实现河流水位监测站的无人值守,为积累丰富、详实的水文资料提供了有力保障。

摘要：为实现河流水位信息的实时远程监控,提出基于GPRS和Internet的河流水情实时远程监测系统解决方案。以STC12C5A60S2单片机作为系统控制中心,控制水位传感器进行河流水位信息的采集和处理,并控制GPRS通信模块进行数据传输。选用LC-SW1型水位传感器测量水位,使用SIM900A无线通信模块作为GPRS通信模块。监控通信网络通过具有公网IP的服务器建立,网络连接方式为TCP,将远程监测端的数据和监控端连接。该系统具有成本低和监控范围广的优点,能够满足应用的要求。

关键词：水情监控,GPRS网络,网络通信,SIM900A

参考文献

[1]胡胜利,万晋军.基于GPRS的地下水自动监测系统设计[J].水利水电技术,2011,42(1):89-91.

[2]任肖丽,陈佳喜,王骥.基于GPRS技术在线环境监测系统的研究[J].现代电子技术,2015,38(4):60-62.

[3]陈东升.基于GPRS的下水道气体远程监测系统设计[J].计算机测量与控制,2014,22(12):3932-3934.

[4]WEI Dehua,LIU Pan,LU Bo,et al.Water quality automatic monitoring system based on GPRS data communications[J].Procedia engineering,2012,28(12):840-843.

[5]IONEL R,PITULICE L,VASIU G,et al.Implementation of a GPRS based remote water quality analysis instrumentation[J].Measurement,2015,65(4):81-93.

[6]伍连明,陈世元.基于GPRS的远程数据采集模块[J].现代电子技术,2009,32(3):25-28.

[7]张辉,温泽宏.GPRS在交通图像采集中的应用[J].计算机工程,2013,39(5):270-272.