CN102331485A - 一种便携式水质监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种便携式水质监测仪，包括上位机和下位机，上位机和下位机通过通信中间件或者无线通讯部分连接，上位机包含上位机人机界面部分；下位机包含单片机、数据采集部分、扩展SDRAM部分以及下位机人机界面部分，数据采集部分具有通过可伸缩式SDI-12接口总线与单片机连接的SDI-12传感器，该SDI-12接口总线通过节节型接口连接至少一个SDI-12传感器；无线通讯部分包括GPRS无线模块；电源部分包括自带电源、太阳能电源，以及当太阳能电源提供的电压不足以维持水质监测仪工作时，将电源切换到自带电源的电源管理模块。本发明能使便携式水质监测仪接入的传感器个数不受限制、数据传输简单、数据存储量大。

Description

一种便携式水质监测仪

技术领域

本发明关于环境监测领域，涉及一种水质监测仪，特别是涉及一种便携式水质监测仪。

背景技术

水是人类赖以生存的自然资源，随着环境污染的不断加剧，人们对水质的现场监测技术提出了更高的要求。水质监测仪器主要用于水的电导率、温度、PH值以及溶解氧等多种参数的监测，

目前通用的方法是现场采样和实验室分析，这样做成本较高，同时也保证不了监测的实时性和可靠性。随着我国环境保护工作的发展，虽然水质监测方面的技术也取得了较大的进步，然而还存在着一些不足：（1）现有的水质监测仪在处理多传感器信号时，一般采用多路模拟开关来选择所要测量的参数，这种方式限制了所接入的传感器个数，从而也就限制了水质参数采集的数目；（2）当存在着多种传感器采集的数据时，现有的水质监测仪与PC机之间数据传输的实现就较为复杂，这时则需要对各个端口分别设置，并且容易造成程序和数据传输的不稳定；（3）现有的水质监测仪器数据存储量小，且一般没有操作系统的支持，多线程、多任务并行处理任务的能力不强，同时也不利于功能的扩展。

发明内容

本发面的目的在于克服现有技术的不足，提供一种接入的传感器个数不受限制、数据传输简单、数据存储量大的便携式水质监测仪。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种便携式水质监测仪，包括上位机和下位机，上位机和下位机通过通信中间件或者无线通讯部分连接，上位机和下位机由电源部分供电，上位机包含上位机人机界面部分；下位机包含单片机、数据采集部分、扩展SDRAM部分以及下位机人机界面部分，数据采集部分和SDRAM部分分别与单片机连接，数据采集部分具有通过可伸缩式SDI-12接口总线与单片机连接的SDI-12传感器，该SDI-12接口总线通过节节型接口连接至少一个SDI-12传感器，SDI-12传感器将包括模拟信号传感器、信号放大电路、AD转换电路在内的多个部分集成于一体；通信中间件支持用户自定义通信协议、用户自定义校验规则和用户自定义数据去向；无线通讯部分包括GPRS无线模块，该GPRS无线模块支持用户自定义通信协议、用户自定义校验规则和用户自定义数据去向；电源部分包括自带电源、太阳能电源，以及当太阳能电源提供的电压不足以维持水质监测仪工作时，将电源切换到自带电源的电源管理模块。

所述下位机人机界面部分，能利用Linux操作系统的GUI编程软件Qt Designer进行界面的设计，利用C++编写程序代码，包括LCD液晶模块和键盘模块：LCD液晶模块带触摸屏接口，通过相应的LCD接口电路连接到单片机；键盘模块通过键盘模块的芯片对键盘进行扫描，并将键值存储在其键值寄存器中，单片机通过IIC总线读取键盘模块的芯片上的键值寄存器完成键盘功能。

所述便携式水质监测仪还包括当所测数据出现超标时发出故障警示的报警装置。

所述电源部分还具备交流电供电接口，所述自带电源为充电电池。

所述自带电源为充电电池。

所述扩展SDRAM部分包含两片SDRAM，一片做高16位，一片做低16位。

所述无线通讯部分还包括GSM模块。

所述SDI-12接口总线属于单总线，是三芯电缆，该三芯电缆包含作为信号的传输介质的串行数据线，将采集到的信号送入嵌入式微处理器中进行处理和分析，并通过软件程序来控制各传感器与嵌入式微处理器之间的数据传输顺序的串行数据线。

所述单片机采用ARM9处理器和嵌入式Linux系统，在嵌入式Linux操作系统下直接利用ARM处理器采集数据并结合TCP/IP协议直接驱动GPRS模块进行数据的远传，ARM9处理器选用SAMSUNG的S3C2440芯片。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

（1）本发明采用可伸缩式SDI-12接口总线，其可连接多个传感器，改善了传感器个数受限这一情况。此外，单总线的串行接口不仅简化了水质监测仪数据采集部分电路的设计，还降低了系统的通信功耗以及集成成本。

（2）本发明采用SDI-12传感器替换了传统的水质参数传感器，其集成有可以作为微处理器的单片机和可以作为信号调理电路的模拟信号传感器、信号放大电路和AD转换电路等，可以实现适合自身的算法，使系统的智能化和适应程度都得到了较大的提高，并提高了采集精度，大大简化了硬件电路的设计。

（3）本发明在上位机PC机和水质监测仪之间的数据传输上采用了中间件结构，它支持用户自定义通信协议、用户自定义校验规则和用户自定义数据去向，从而可对各硬件端口的设置规范化。它解决了采集数据的可靠性、安全性和格式转化问题，并提高了数据传输的效率。另外，本发明采用GPRS模块，在实现采集数据无线传输的同时，又有利于监控中心对水质现场进行实时监控。

（4）本发明采用了ARM9处理器、嵌入式Linux系统以及大容量存储器。MCU选用SAMSUNG的S3C2440芯片，是一款低功耗、性价比高以及高度集成的系统级芯片（SoC），从而简化了硬件结构的设计，提高了系统的抗干扰能力，保证了水质监测的实时性和可靠性，并有利于功能的扩展。此外，该水质监测仪有了操作系统的支持，其在多任务并行处理和进程实时处理等方面也具备一定的优势。

（5）本发明采用了太阳能电源和自带充电电池，通过合理的电路和程序控制，很好地实现了两者的协同供电，方便了须在野外完成的水质监测，同时又降低了系统的功耗。

（6）本发明在嵌入式Linux操作系统下直接利用ARM处理器采集数据并直接驱动GPRS模块进行数据的远传，能利用ARM丰富的接口协议和存储管理机制，充分扩展各种设备接口，使其具有广泛的适用性，并且Linux操作系统的采用也能使系统实现了多线程、多任务的并行处理。

下面结合附图对本发明的实施和优点作进一步解释。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2是本发明的一种便携式水质监测仪的硬件结构图。

图3是本发明的T型SDI-12总线接口的结构示意图。

具体实施方式

有关本发明的实施例的说明是参考附加的图式，用来例示本发明可以实施的特定实施例。在以下实施例中，在不同的图中，相同部分是以相同标号表示。

参考图1。本发明的便携式水质监测仪100，包括上位机10和下位机20，上位机10和下位机20可通过面向多硬件通信的中间件30连接，也可通过无线通讯部分来实现数据的传输。其中，该中间件30是一种系统软件，是分布式系统环境中处于操作系统和应用程序之间的软件，能简化应用的集成，保证了有序和高效的数据传输，而无线通讯部分集成了GPRS模块和GSM模块。

参考图2。在本发明一实施例中，上位机10包含上位机人机界面部分。下位机20包含单片机21、数据采集部分22和扩展SDRAM部分23以及下位机人机界面部分24。数据采集部分22和SDRAM部分23分别与单片机21连接，数据采集部分22具有通过可伸缩式SDI-12接口总线222与单片机21连接的SDI-12传感器221，该SDI-12接口总线222通过节节型接口（参见图3）连接至少一个SDI-12传感器221，SDI-12传感器221将包括模拟信号传感器、信号放大电路、AD转换电路在内的多个部分集成于一体。该SDI-12传感器221遵循SDI-12通讯协议，具有集成化、智能化、系统化等优点。温度、电导率、PH值、溶解氧、浊度等水质参数，经由相应的SDI-12传感器采集即可，并能得到相应的数字信号。

无线通讯部分30包括GPRS无线模块31，该GPRS无线模块31支持用户自定义通信协议、用户自定义校验规则和用户自定义数据去向。GPRS模块31完成数据的远程传输。用GPRS模块31无线接入GPRS网管GGSN，使水质监测仪成为Internet的一个节点，通过网络33即可将打包后的数据传输给监控中心32。 GPRS无线通讯部分通过GPRS无线模块将打包后的测量数据传送给监控中心，实现了监控中心平台对水质现场的监控。此外，在本发明的一种实施方式中，还可以进一步提供GSM模块，以提供GSM短信方式保证数据传输的可靠性和及时性。

电源部分40包括自带电源、太阳能电源，以及当太阳能电源提供的电压不足以维持水质监测仪工作时，将电源切换到自带电源的电源管理模块。太阳能电源与自带电源之间的转换通过软件程序来进行控制。整个系统优先采用太阳能电源供电，当电压不足以维持水质监测仪工作时，系统就自动切换到自带电源，继续为其供电。此外，电源部分40还可以具备交流电供电接口。自带电源可以为充电电池。

便携式水质监测仪100的电源部分，一方面可由220V交流引进，通过变压器转换出两路独立电源，12V和5V，12V电源用于传感器的信号采集，5V电压则经相应的电源电路转换成单片机所需的3.3V电压及其内核的工作电压1.25V。另一方面可由太阳能电源和自带电源协同供电，此两者之间的转换通过单片机控制，当检测到太阳能电源的电压低于规定值时，则产生一个外部中断，单片机响应中断并发出供电的模式切换指令，以保证水质监测仪的正常工作。上述各路电源在最后供地，以将数字供电和模拟供电分开从而提高系统的稳定性，结果证明效果很好。采用上述方式能覆盖多种水质监测的应用场合，并能降低野外条件下水质监测仪的功耗。

再次参考图2。上位机10可以为PC机，其通过基于LabVIEW的应用程序，可从串口接收采集到的数据，并以波形的方式显示出来，同时也完成了各传感器采集数据的存储和记录。该水质监测仪的系统结构，如附图1所示，主控制器为PC机，可通过中间件可靠安全地获取水质监测仪系统中的各种采集数据。此时把系统分成了三部分：上层应用程序、底层的操作系统以及中间件。上层应用程序是在PC机上LabVIEW软件环境下开发的客户端程序，并将各路采集信号数据以波形方式在LabVIEW应用程序中整合于一个界面显示出来，此外，还实现了其中任一波形的单路显示以及各采集数据的存储和读出。由于中间件支持用户自定义通信协议，支持用户自定义校验规则和数据去向，此处统一了各个端口的设置（信号存储地址，数据包长度，数据分配去向…），这样，数据传输过程中就不易中断，保证了传输过程中的安全性和高效率。

下位机20的下位机人机界面部分24包括LCD液晶模块和键盘模块，其直接与单片机21相连，可以利用Linux操作系统的GUI编程软件Qt Designer进行界面的设计，利用C++编写程序代码等。LCD液晶模块带触摸屏接口，通过相应的LCD接口电路连接到单片机，LCD液晶模块可以采用东华3.5寸屏（3.3V供电的LCD驱动板），该显示器亮度好、对比度高、层次感强、颜色鲜艳，显示效果好。键盘模块通过键盘模块的芯片对键盘进行扫描，并将键值存储在其键值寄存器中，单片机通过IIC总线读取键盘模块的芯片上的键值寄存器完成键盘功能。

本发明便携式水质监测仪可以是基于ARM-Linux的嵌入式系统，其通过移植液晶驱动程序和烧录镜像文件完成LCD的显示功能。本发明在嵌入式Linux操作系统下直接利用ARM处理器采集数据并直接驱动GPRS模块进行数据的远传。本发明的单片机可以采用ARM9处理器和嵌入式Linux系统，ARM9处理器可以进一步选用SAMSUNG的S3C2440芯片。这样，本发明以S3C2440微控制器为核心，利用ARM丰富的接口协议和存储管理机制，能充分扩展各种设备接口，使其具有广泛的适用性。下位机软件部分，以嵌入式Linux操作系统为内核，实现采集数据的存储和处理，并结合TCP/IP协议和GPRS无线网络技术，实现数据的无线远传。此外，Linux操作系统的采用又能使便携式水质监测仪实现多线程、多任务的并行处理。

此外，通过标准的LCD接口外接LCD显示屏，本发明可以利用相应的Linux操作系统图形界面来显示所测得的数据，此时本发明的软件操作可集中于显示画面的设计上。

在一种实施方式中，本发明便携式水质监测仪还可以进一步包括当所测数据出现超标时发出故障警示的报警装置50。该报警装置50可以包含4路报警LED管，其由单片机的P4.0-P4.3控制，在软件程序中对各种水质参数的亮灯情况进行设置，当所测数据出现超标时，控制相应LED的通断，发出故障警示。

在一种实施方式中，为增大数据吞吐能力，扩展SDRAM部分可以包含两片SDRAM，一片做高16位，一片做低16位，构成32位地址宽度。SDRAM具有高速、大容量等优点，是一种具有同步接口的高速动态随机存储器，用于系统运行时程序的存取。本发明的SDRAM实施时可以选用Hynix公司的HY57V1620BT，其容量是32Mx16位。

在一种实施方式中，SDI-12接口总线222属于单总线，是三芯电缆，该三芯电缆包含作为信号的传输介质的串行数据线，将采集到的信号送入嵌入式微处理器中进行处理和分析，并通过软件程序来控制各传感器与嵌入式微处理器之间的数据传输顺序的串行数据线。该三芯电缆的另外两根电缆是电源线和地线。可伸缩式SDI-12接口总线222可使用户可根据自身需要的测量数目选择接入的接口个数。

参见图3。可伸缩式SDI-12接口总线和集成型SDI-12传感器连接的节节型接口可以是一种T型插孔形式的传感器接口，如图3所示，水质监测仪的SDI-12总线接口已引出。用户按照约定的接法，根据测量参数的数目确定接入总线的T型接头，在测量结束后即可将其取下。采用这种节节型的SDI-12总线接口，减小了仪器的体积大小、方便用户携带。SDI-12传感器集成了模拟信号传感器、信号放大电路、AD转换电路，并遵循SDI-12通讯协议，其输出信号的接口与T型插孔形式的总线相吻合，便于用户安装使用。温度、电导率、PH值、溶解氧、浊度等一系列测量参数，经由相应SDI-12传感器后得到的数字信号通过单片机的GPIO口送入其中进行处理。通过在Linux操作系统下的Qt平台上开发相应的应用程序，在此过程中完成界面的设计和美化、所测数据的分析和处理，最终在LCD上显示出来。

本系统的软件部分，包括上位机软件部分和下位机软件部分，或者说嵌入式操作系统部分，上位机软件部分采用的是LabVIEW，主要对数据进行波形显示，提供预测分析。而下位机软件部分，采用嵌入式Linux软件平台，是在PC机上的Redhat9.0 Linux系统下建立的，具体包括：建立交叉编译环境、制作bootloader、移植嵌入式Linux内核和制作根文件系统。该环境监测仪实现了对各水质参数的实时测量功能，数据处理、分析及报警功能，和显示功能等。

实时测量功能主要完成各种水质参数（电导率、溶解氧、浊度、PH值等）的测量，对各种测量数据进行分类，并自动存储在水质监测仪的存储模块中。数据处理、分析及报警功能主要完成对所测得的数字信号的处理，经相应谔谔的转换关系得到具体的浓度值，并对测量结果进行分析和比较，求出采样数据的极限值和平均值等，根据分析的结果可以实现现场报警。

（3）显示功能通过水质监测仪界面实现，其能实现各测量参数的显示。通过PC机上的Redhat9.0 Linux系统下的Qt开发平台对显示界面进行设计，并进行美化。然后按照相应的规则对其进行编译、制作文件系统并生成镜像文件，完成监测界面的制作。

在嵌入式Linux系统下编程时，采用的是C++语言，首先在x86平台上编写功能程序，并进行编译，然后再实现ARM平台下面的编译，最后制作根文件系统和镜像文件，将镜像文件少写到芯片中去，从而实现了所采集数据的分析、处理及显示以及其他功能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明基本技术方案的前提下，还可以做出若干改进和变更，这些改进和变更也应包含于本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种便携式水质监测仪，包括上位机和下位机，上位机和下位机通过通信中间件或者无线通讯部分连接，上位机和下位机由电源部分供电，其特征在于，

上位机包含上位机人机界面部分；

下位机包含单片机、数据采集部分、扩展SDRAM部分以及下位机人机界面部分，数据采集部分和SDRAM部分分别与单片机连接，数据采集部分具有通过可伸缩式SDI-12接口总线与单片机连接的SDI-12传感器，该SDI-12接口总线通过节节型接口连接至少一个SDI-12传感器，SDI-12传感器将包括模拟信号传感器、信号放大电路、AD转换电路在内的多个部分集成于一体；

通信中间件支持用户自定义通信协议、用户自定义校验规则和用户自定义数据去向；

无线通讯部分包括GPRS无线模块，该GPRS无线模块支持用户自定义通信协议、用户自定义校验规则和用户自定义数据去向；

电源部分包括自带电源、太阳能电源，以及当太阳能电源提供的电压不足以维持水质监测仪工作时，将电源切换到自带电源的电源管理模块。

2.根据权利要求1所述的便携式水质监测仪，其特征在于：所述下位机人机界面部分，能利用Linux操作系统的GUI编程软件Qt Designer进行界面的设计，利用C++编写程序代码，包括LCD液晶模块和键盘模块：LCD液晶模块带触摸屏接口，通过相应的LCD接口电路连接到单片机；键盘模块通过键盘模块的芯片对键盘进行扫描，并将键值存储在其键值寄存器中，单片机通过IIC总线读取键盘模块的芯片上的键值寄存器完成键盘功能。

3.根据权利要求1所述的便携式水质监测仪，其特征在于：所述便携式水质监测仪还包括当所测数据出现超标时发出故障警示的报警装置。

4.根据权利要求1所述的便携式水质监测仪，其特征在于：所述电源部分还具备交流电供电接口，所述自带电源为充电电池。

5.根据权利要求1或4所述的便携式水质监测仪，其特征在于：所述自带电源为充电电池。

6.根据权利要求1所述的便携式水质监测仪，其特征在于：所述扩展SDRAM部分包含两片SDRAM，一片做高16位，一片做低16位。

7.根据权利要求1所述的便携式水质监测仪，其特征在于：所述无线通讯部分还包括GSM模块。

8.根据权利要求1所述的便携式水质监测仪，其特征在于：所述SDI-12接口总线属于单总线，是三芯电缆，该三芯电缆包含作为信号的传输介质的串行数据线，将采集到的信号送入嵌入式微处理器中进行处理和分析，并通过软件程序来控制各传感器与嵌入式微处理器之间的数据传输顺序的串行数据线。

9.根据权利要求1所述的便携式水质监测仪，其特征在于：所述单片机采用ARM9处理器和嵌入式Linux系统，在嵌入式Linux操作系统下直接利用ARM处理器采集数据并结合TCP/IP协议直接驱动GPRS模块进行数据的远传，ARM9处理器选用SAMSUNG的S3C2440芯片。

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