CN107367978A - 一种嵌入式工厂废水远程监测系统 - Google Patents

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俞阿龙
贾芳芳
戴金桥
孙红兵
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • G05B19/0428—Safety, monitoring
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/20—Pc systems
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Abstract

本发明公开一种嵌入式工厂废水远程监测系统，包括监控终端、嵌入式网关和远程监测中心，所述监控终端包括多个废水监测节点，本发明应用传感器技术、计算机控制技术和通信原理技术组成的多参数水质在线监测系统，通过对特定企业排污中对水污染影响严重的水质参数进行监测，环保部门可以实现同时对多家企业废水排放点的主要水质参数进行在线监测，并根据实时监测到的各企业的排污状况及时采取相应措施控制企业的排污，来减少水环境治理中水污染的源头，大大提高了环保部门的工作效率，对水环境的治理有着很深远的影响。

Description

一种嵌入式工厂废水远程监测系统
技术领域
本发明涉及一种监测系统，具体是一种嵌入式工厂废水远程监测系统。
背景技术
随着工业的进步，工厂废水排污不断增加，致使水污染情势日益严峻，实现水环境保护与管理的重要措施之一就是有效地检测水环境。建立一种采样灵活、成本低、实时处理性能良好、能适用于恶劣环境的水环境数据监测系统是环境监测部门进行水环境管理所亟待解决的问题。
本发明分析了当前国内外水环境监测系统的研究状况，针对企业排污监测的特点，综合无线传感网络技术（以下简称WSN）与嵌入式单片机技术，对远程的嵌入式智能水质监测系统进行了设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、使用方便的嵌入式工厂废水远程监测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种嵌入式工厂废水远程监测系统，包括监控终端、嵌入式网关和远程监测中心，所述监控终端包括多个废水监测节点，废水监测节点包括数据采集、数据处理以及电源三个模块，电源模块给数据采集模块和数据处理模块供电，数据处理模块包括AD转换模块、8051单片机和RF射频收发模块，数据采集模块将采集到的信息传递给AD转换模块，AD转换模块对数据进行AD转换后传输给8051单片机，8051单片机通过RF射频收发模块将数据进行远程传输，嵌入式网关包括协调器、ARM微控制器和GPRS模块，协调器接收来自废水监测节点的信息并传输给ARM微控制器，ARM微控制器再通过GPRS模块江数据传输到远程监测中心。
作为本发明的优选方案：所述数据采集模块包括温度传感器、PH值传感器和浊度传感器。
作为本发明的优选方案：所述温度传感器的型号为DS18B20，PH值传感器的型号为雷磁E-201-C型PH电极传感器，浊度传感器选用带防水探头的GE-TS型浊度传感器。
作为本发明的优选方案：所述ARM微控制器采用的是STM32F103ZET6芯片。
作为本发明的优选方案：所述GPRS模块的设计选用GSM/GPRS 双频SIM300Z芯片。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明应用传感器技术、计算机控制技术和通信原理技术组成的多参数水质在线监测系统，通过对特定企业排污中对水污染影响严重的水质参数进行监测，环保部门可以实现同时对多家企业废水排放点的主要水质参数进行在线监测，并根据实时监测到的各企业的排污状况及时采取相应措施控制企业的排污，来减少水环境治理中水污染的源头，大大提高了环保部门的工作效率，对水环境的治理有着很深远的影响。
附图说明
图1为本发明的远程监测示意图。
图2为本发明的系统总体结构图。
图3为终端监测节点硬件方框图。
图4为监测系统工作流程模块框图。
图5为终端节点的工作流程图。
图6为GPRS模块工作流程图。
图7为远程监测中心远程监测中心。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-7，一种嵌入式工厂废水远程监测系统，包括监控终端、嵌入式网关和远程监测中心，所述监控终端包括多个废水监测节点，废水监测节点包括数据采集、数据处理以及电源三个模块，电源模块给数据采集模块和数据处理模块供电，数据处理模块包括AD转换模块、8051单片机和RF射频收发模块，数据采集模块将采集到的信息传递给AD转换模块，AD转换模块对数据进行AD转换后传输给8051单片机，8051单片机通过RF射频收发模块将数据进行远程传输，嵌入式网关包括协调器、ARM微控制器和GPRS模块，协调器接收来自废水监测节点的信息并传输给ARM微控制器，ARM微控制器再通过GPRS模块江数据传输到远程监测中心。
数据采集模块包括温度传感器、PH值传感器和浊度传感器。
温度传感器的型号为DS18B20，PH值传感器的型号为雷磁E-201-C型PH电极传感器，浊度传感器选用带防水探头的GE-TS型浊度传感器。
ARM微控制器采用的是STM32F103ZET6芯片。GPRS模块的设计选用GSM/GPRS 双频SIM300Z芯片。
本发明的工作原理是：如图1-7所示：连接多种传感器的各废水监测终端节点实时监测工厂排污中的水质参数信息，采集到的水质数据通过ZigBee协议发送至嵌入式网关中的协调器部分，嵌入式网关通过串口控制数据的传送，包括接收协调器汇聚的水质参数信息和通过GPRS将水质信息发送给远程的监测管理中心。在监测管理中心，环保部门的工作人员可以对废水监测节点及嵌入式网关发送控制命令，上位机软件上显示指定监测工厂的水质参数信息。如果监测到的水质信息超出设定的范围，远程监测管理中心将会立即显示报警信息，并能及时提醒工作人员对该企业采取相应措施。
温度传感器：选用美国Dallas公司推出的数字式防水型封装的DS18B20温度传感器，该传感器由于体积非常小，主要应用于狭小空间的测温。输出方式采用单总线输出，只需一条线与处理器连接就可实现与传感器的双向通信。DS18B20输出的是数字信号，无需进行AD转换，简单的外围电路对缩小系统的体积起到显著的作用，其数字信号的输出及高精度特性提高了系统的可靠性。
PH值传感器：本设计选用的是雷磁E-201-C型PH电极传感器。本电极是塑壳可充式复合电极，它将玻璃电极和参比电极组合，用于测量水溶液的pH值（氢离子活度），电极的易碎部分用塑料栅保护，防碰撞，且测量时可作搅拌棒用，电极为全屏蔽式，防止测量时外电场干扰，抗干扰性能较强。
浊度传感器：采用的是带防水探头的GE-TS型浊度传感器。它是利用光学原理，综合液体中的透光率和散射率来判断液体的浊度情况，其中浊度值是动态的渐变量，监测环境一般是动态变化的。
废水监测节点选用TI公司的高性能的CC2530芯片作为射频模块，采集并传送水质数据。CC2530内嵌8051内核，包含一个高性能的2.4 GHz的DSSS射频收发器，一个8通道12位ADC，ADC有数字和模拟两种不同的通道，不同类型的传感器根据传感器输出信号类型分别选用不同的通道进行采集，具有良好的通用性。CC2530适用于对功耗要求严格的系统，由于CC2530在不同模式之间转换所需的时间非常短，保证了组网的低成本、低功耗的要求。
CC2530应用了业界领先的Z-StackZigBee网络的完整方案[。CC2530集成了RF前端、高灵敏度的接收器、8 KB RAM、可编程Flash以及101dB的链路质量，输出功率最高可达4.5 dBm，有一套强大外设集——包括定时器、五通道的DMA、8通道12位ADC、支持精确的数字化RSSI/LQI、AES 安全协处理器、21个通用I/O引脚和2 个串行通信协议USART等[。CC2530芯片适用于ZigBee网络中的各类节点。
终端节点的主要任务是负责工厂排污中的废水的水质数据的采集与数据的无线传输。ZigBee协议实现数据的短距离无线传输，终端节点在ZigBee协议中属于半功能节点，不支持路由功能，只能与上层的协调器节点进行通信，负责向上一层节点传输水质数据。终端节点由内部定时器控制，每隔100毫秒向协调器节点发送一次数据，如图5所示。
SIM300Z模块工作流程如图6所示，SIM300Z 上电以后，电路板上的网络信号指示灯开始闪烁 ， 开始时指示灯的闪烁得很快， 表示此时 SIM300Z 模块正在搜索 GPRS 网络连接， 一段时间之后， 网络指示灯的闪烁频率变慢， 此时说明模块已经连接到 GPRS网络上， 所处地理位置的信号强度决定这段等待时间的长短， 信号强度越大的地方 等待的时间就越小。
通过GPRS的UDP向远程服务器传输数据时，首先要建立一个UDP连接。模块作为客户端向远程的服务器发起一个UDP连接，成功建立连接的前提是，服务器端的连接到网络的一台PC的IP地址必须是公网的IP地址，因为PC局域网内部的IP地址是不能成功建立连接的，若使用的是内部的局域网，可以通过设置路由器的DNS状态及转发功能。接着运行该PC中的串口调试助手软件，这时就可以在调试软件中输入AT命令与SERVER建立连接。
利用AT指令控制SIM300Z上从远程服务器传接收数据。
远程监测管理中心界面如图7所示，主要实现的功能如下：
(1)多通道水质数据采集功能。设置了多个数据采集通道，可实时采集监测点水质的的温度、PH值、浊度等多个参数，通过切换采集点按钮可以选择监测不同采集点的水质参数，并可以分别进行报警。
(2)数据存储和数据回放功能。可以对水质参数进行直观的显示的同时，还能够将采集的水质信息保存到文本文档里，随时查询选定监测节点的历史数据。
(3)报警功能。设置水质参数上下限，当采集到的水质数据超出设定范围时，远程监测界面会对相应的参数给出报警信号，使工作人员远程的了解监测点水质的变化情况。
(4)远程监测功能。通过LabVIEW的UDP协议部分，设置端口号，远程接收GPRS传输的水质数据，同时可以运用LabVIEW中的工具生成监测界面的应用程序，通过在不同的宿主机上安装生成的应用程序，实现远程监测。
整个监测系统的上位机软件程序主要包括参数设置、水质信息处理、数据存储和数据回放。

Claims (5)

1.一种嵌入式工厂废水远程监测系统，包括监控终端、嵌入式网关和远程监测中心，其特征在于，所述监控终端包括多个废水监测节点，废水监测节点包括数据采集、数据处理以及电源三个模块，电源模块给数据采集模块和数据处理模块供电，数据处理模块包括AD转换模块、8051单片机和RF射频收发模块，数据采集模块将采集到的信息传递给AD转换模块，AD转换模块对数据进行AD转换后传输给8051单片机，8051单片机通过RF射频收发模块将数据进行远程传输，嵌入式网关包括协调器、ARM微控制器和GPRS模块，协调器接收来自废水监测节点的信息并传输给ARM微控制器，ARM微控制器再通过GPRS模块江数据传输到远程监测中心。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入式工厂废水远程监测系统，其特征在于，所述数据采集模块包括温度传感器、PH值传感器和浊度传感器。
3.根据权利要求2所述的一种嵌入式工厂废水远程监测系统，其特征在于，所述温度传感器的型号为DS18B20，PH值传感器的型号为雷磁E-201-C型PH电极传感器，浊度传感器选用带防水探头的GE-TS型浊度传感器。
4.根据权利要求1所述的一种嵌入式工厂废水远程监测系统，其特征在于，所述ARM微控制器采用的是STM32F103ZET6芯片。
5.根据权利要求1所述的一种嵌入式工厂废水远程监测系统，其特征在于，所述GPRS模块的设计选用GSM/GPRS 双频SIM300Z芯片。
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