CN109828094A - 一种多层多参数水质数据并行监测系统的数据收集处理方法 - Google Patents

Abstract

一种多层多参数水质数据并行监测系统的数据收集处理方法，属于水质监测测技术领域，该数据收集处理方法基于监测模块、微处理器和太阳能供电系统实现。监测模块具有多层多参数性质，至少包括一层传感器组，每层传感器组至少包括一个水质传感器和一个压力传感器。监测模块使用总线连接，通过RS485与微处理器进行通信。微处理器使用广播轮询方式采集水质数据进行存储，并记录无应答传感器的故障信息。太阳能供电系统负责为监测模块和微处理器供电。本发明能够对采样点垂向水质数据的分布情况进行长期连续监测，并能够对数量众多的传感器实现有效的通信和管理，确保了垂向水质数据的有效性。

Description

一种多层多参数水质数据并行监测系统的数据收集处理方法

技术领域

本发明属于水质监测测技术领域，涉及到一种多层多参数水质数据并行监测系统的数据收集处理方法。

背景技术

水是人类生命之源，人类的生活和生产活动都离不开水。随着社会的飞速发展，水质污染问题也伴随着经济的发展越来越严重并且已发展成为人们日益关注的突出问题。针对日益严重的水资源污染问题，水库的现代化、智能化建设改造需求，也愈加迫切，这也就使得智能化水质监测成为了目前水资源保护的主要途径和必要方法。

现有的水质监测方法主要还停留在现场人工取样，后期将水样带回实验室进行分析的方法，这种方式不仅工作量大、费时费力，而且检测的结果具有一定的滞后性。除此之外，目前也有一些利用便携式电子测量装置进行水质监测的方法出现，其主要分为以下两种形式，一种是可移动的水质监测装置，例如，张能等的专利《一体化多参数水质在线监测装置及其控制方法》中公开了一种一体化多参数水质在线监测装置，能够支持多种参数同时在线检测，但这种方式需要人工前往采样点进行操作、获取数据，浪费人力资源，且无法获得长期连续变化的水质参数。另一种是固定在水体附近的水质监测装置，利用此种装置进行水质监测时需要专人定期进行采集、记录或通过无线方式将数据发送至监控中心。例如，唐宏朝等的专利《水质在线监测方法及监测系统》中公开了一种水质在线监测方法及监测系统，通过设定两种检测模式提高了结果的准确性；王和平等的专利《水质远程在线监测方法》中提供了一种水质远程在线监测方法，解决了水质监测设备电力不足的问题；蒙宏铅的专利《一种水质实时在线监测系统》提供了一种水质在线实时监测系统，可在远程监控中心获得水质数据，并提出了一种延迟装置寿命的方法。但由于各类污染物的物理、化学、生物性质的不同，水体中往往存在着明显的垂向分层现象，而现有研究中的水质监测站往往只能对表层或单一深度的水质进行监测，这就使得研究人员通过现有设备和仪器难以掌握水质的垂向分布情况，无法全面地对水质情况进行评估，也不利于研究人员对水质问题进行分析。

显然，现有的水质监测站及其相应的数据收集处理方法无法满足对水体垂向分布分析的需求，因此急需一种能够长期监测水质垂向分布的水质监测站及其数据处理方法。

发明内容

本发明致力于解决现有水质监测站存在的无法对水质垂向分布情况进行长期连续监测的问题，通过使用单片机技术，提供一种可对多层、多参数的水质监测站监测数据进行收集、处理和传输的方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种多层多参数水质数据并行监测系统的数据收集处理方法，该数据处理方法基于监测模块1、微处理器2和太阳能供电系统3实现。

所述的监测模块1具有多层多参数性质，至少包括一层传感器组，每层传感器组至少包括一个水质传感器(包括但不限于温度传感器、溶解氧传感器、pH传感器、电导率传感器、氧化还原电位传感器、浊度传感器、氨氮传感器等)，一个压力传感器。所述的水质传感器负责采集水质数据，压力传感器负责采集当前该传感器组所处的深度信息。因为水体中各类物质的物理、化学、生物性质的不同，水体中往往存在着明显的垂向分层现象，为了能对水体的分层现象和水质数据的垂向分布情况进行实时监测，监测模块1设置为垂向不同深度多层分布，每一层均包括至少一个水质传感器(包括但不限于温度传感器、溶解氧传感器、pH传感器、电导率传感器、氧化还原电位传感器、浊度传感器、氨氮传感器等)和一个压力传感器，水质传感器用来对水体的水质数据进行监测，压力传感器用来标记当前该传感器组所处的深度。传感器通信方式使用RS485通信方式，各个传感器的连接使用总线式连接方法，即先将每一层的水质传感器和压力传感器连接起来，并在接线处使用灌胶密封的方式进行防水处理，组成传感器组。之后，在相邻两层传感器组之间连接一条线缆，完成相邻两层传感器组之间的连接。所有连接相邻两层传感器组的线缆构成了整个监测模块的通信总线，最上层的传感器组直接连接至监测系统的微处理器2上以完成微处理器2和监测模块1的通信。监测模块1的设置垂向分布的传感器组层数和每层传感器组的种类和个数均可以更改，如可在同一层的传感器组中设置多个同一参数的传感器，从而减小传感器监测数据的随机误差，同时也增强了系统的鲁棒性。但受到RS485通信硬件和通信协议的限制，监测模块1中最多可配置127个传感器。

所述的微处理器2包括数据采集模块2-1，数据处理模块2-2和数据存储模块2-3。因监测模块1存在传感器垂向多层分布、传感器多参数监测的特性，存在传感器种类多、数量多，传感器通信数据量大等问题，故需要对其进行有效的处理。微处理器2通过RS485与监测模块1中的各个传感器进行通信。

所述的数据采集模块2-1负责和监测模块1中的各个传感器进行通信。由于监测模块1存在多层多参数的特性，传感器个数较多，故数据采集模块2-1采用广播轮询的方式与监测模块1各个传感器进行通信：数据采集模块2-1先向监测模块1的总线中发送读取水质参数命令，监测模块1中的所有传感器都会收到该命令并根据命令中的地址判断该命令是否为发给自己的命令，若传感器判断出该命令为发给自己的命令，则该传感器通过总线返回含有水质数据的命令序列。数据采集模块2-1在发出一个读取水质参数命令后，会开始一个计时，若在该计时时间内收到对应传感器返回的水质参数命令，则代表本次数据采集成功；若在该计时时间内未收到对应传感器返回的水质参数命令，则代表本次数据采集失败，记录本次传感器通信失败。若连续3次采样周期传感器通信均记录为失败，微处理器2会将该传感器标记为故障传感器，不再对其进行通信，以提高采样效率。同时数据存储模块2-3会将传感器故障信息记录在微处理器2的SD卡中，以便管理人员查看并及时对传感器问题进行检修。为剔除通信过程噪声的干扰，对采集的水质数据进行中值滤波，即在每次采样时刻内，连续采集五组水质数据，取这五组数据中的中间值作为最后有效的水质数据。数据采集模块2-1的采样间隔设置为10分钟，该时间间隔也可根据具体的水质监测需要进行调整。

所述的数据处理模块2-2负责对数据采集模块采集到的有效数据进行处理。监测模块1发送给微处理器2的含有水质数据的命令序列是一组连续的十六进制数组，数据处理模块2-2首先对该串数组进行校验，分析该串数组的地址及格式是否正确，以判断该串数据是否为监测模块1返回的有效数据。校验成功后，数据处理模块2-2将该串数组中代表水质数据的数据位提取出来，并将其从十六进制转换为十进制，转换为有意义的水质数据。之后，数据处理模块2-2将所有转换后的水质数据整合拼接为一个字符串，在字符串的头部添加校验码和采样时间。最后，数据存储模块2-3将数据处理模块2-2得到的字符串以txt文件的形式存储在SD卡中，以采样时间年月日时分秒进行命名，同时将传感器通信失败信息记录在SD卡中。操作人员通过读取SD卡中的数据来获得采集到的水质监测数据及传感器工作信息。

所述的太阳能供电系统3主要由太阳能电池板、胶体电池和太阳能电源控制器。所述的太阳能电源控制器通过电线与太阳能电池板、胶体电池、数据采集与处理系统和传感器组进行连接，太阳能电源控制器可根据太阳能电池板和胶体电池的电压情况实现充放电控制，并可根据胶体电池的电压情况对数据采集与处理系统和传感器组进行放电控制。

一种多层多参数水质数据并行监测系统的数据收集处理方法，包括以下步骤：

步骤1：根据水源地水域的具体情形，将水质监测系统搭建投放至需要长期进行水质监测的采样点。

步骤2：将每层传感器连接组成传感器组，并进行防水处理。再使用总线连接方式将各层传感器组进行连接构成监测模块1。

步骤3：将监测模块1分层投放至监测点处水中。

步骤3：开启太阳能供电系统3电源，对监测模块1和微处理器2进行供电。

步骤4：启动微处理器2，数据采集模块2-1根据设置的采样间隔，定期使用广播轮询的方式对监测模块1中各层传感器组的各个传感器发送数据读取命令

步骤5：在一个采用间隔内，数据采集模块2-1判断是否存在连续3次未收到对应传感器返回的水质参数命令的情况。若数据采集模块2-1能够收到传感器返回的水质参数命令，则数据采集模块2-1在一个采样周期内连续发送5次数据读取命令，并进行中位值滤波。若数据采集模块2-1未能收到传感器返回的水质参数命令，将该传感器标记为故障传感器，不再对其进行通信，数据存储模块2-3会将传感器故障信息记录在微处理器2的SD卡中；并对其它传感器继续进行通信。

步骤6：数据处理模块2-2首先对数据采集模块2-1收到的监测模块1的返回命令中的地址位进行校验，之后提取数据采集模块2-1收到的监测模块1的返回命令中的有效信息，并将其转换为有意义的水质参数。在完成一个采样时刻的所有传感器的轮询后，数据处理模块2-2将所有传感器提取出来的水质参数拼接为一个字符串，并在字符串的头部添加校验码和采样时间。

步骤7：数据存储模块2-3将数据处理模块2-2得到的字符串以txt文件的形式存储在SD卡中，以采样时间年月日时分秒进行命名。

步骤8：在下一个采用间隔内，重复步骤5-步骤7，将得到字符串命名后以txt文件的形式存储在SD卡中；操作人员通过读取SD卡中的数据获得采集到的水质监测数据及传感器工作信息。

本发明的有益效果是：无需工作人员前往采样点即可对水质数据进行监测，节省人力物力；使用多层多参数传感器，能够对使用的众多的传感器进行有效管理，从而实现对某采样点的垂向水质数据的长时间连续监测。

附图说明

图1是系统整体结构示意图。

图2是水质数据监测流程图。

图中1监测模块；2微处理器；3太阳能供电系统；2-1数据采集模块；2-2数据处理模块；2-3数据存储模块。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

一种多层多参数水质数据并行监测系统的数据收集处理方法，包括以下步骤：

步骤1：根据水源地水域的具体情形，将水质监测系统搭建投放至需要长期进行水质监测的采样点。

步骤2：将监测模块1分层投放至监测点处水中。

步骤3：开启太阳能供电系统3电源，对监测模块1和微处理器2进行供电。

步骤4：启动微处理器2，数据采集模块2-1根据设置的采样间隔定期发送数据读取命令，并接收相应传感器返回的含有水质数据的命令序列。数据采集模块2-1在一个采样周期内连续发送5次数据读取命令，并进行中位值滤波。

步骤5：数据采集模块2-1判断是否存在连续3次未收到对应传感器返回的水质参数命令的情况，若存在，将该传感器标记为故障传感器，不再对其进行通信，数据存储模块2-3会将传感器故障信息记录在微处理器2的SD卡中。

步骤6：数据处理模块2-2提取监测模块1的返回命令中的有效信息，并将其转换为有意义的水质参数，将其拼接为一个字符串，并在字符串的头部添加校验码和采样时间。

步骤7：数据存储模块2-3将数据处理模块2-2得到的字符串以txt文件的形式存储在SD卡中，以采样时间年月日时分秒进行命名，同时将传感器通信失败信息记录在SD卡中。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种多层多参数水质数据并行监测系统的数据收集处理方法，其特征在于，该数据处理方法基于监测模块(1)、微处理器(2)和太阳能供电系统(3)实现；

所述的监测模块(1)具有多层多参数性质，设置为垂向不同深度多层分布，至少包括一层传感器组，每层传感器组至少包括一个水质传感器、一个压力传感器；传感器使用RS485通信方式，且支持扩展，各个传感器的连接使用总线式连接方法，先将每一层的水质传感器和压力传感器连接后在接线处进行防水处理，组成传感器组；相邻两层传感器组之间连接一条线缆，最上层的传感器组与微处理器(2)连接，用于实现微处理器(2)和监测模块(1)的通信；所述的微处理器(2)包括数据采集模块(2-1)、数据处理模块(2-2)、数据存储模块(2-3)，微处理器(2)通过RS485与监测模块(1)中的各个传感器进行通信；所述的数据采集模块(2-1)采用广播轮询的方式与监测模块(1)中的各个传感器进行通信，并记录无应答传感器的故障信息；所述的数据处理模块(2-2)用于对数据采集模块采集到的有效数据进行处理，并存储至数据存储模块(2-3)；

所述的数据收集处理方法，包括以下步骤：

步骤1：根据水源地水域的具体情形，将水质监测系统搭建投放至需要长期进行水质监测的采样点；

步骤2：将每层传感器连接组成传感器组，并进行防水处理；再使用总线连接方式将各层传感器组进行连接构成监测模块(1)；

步骤3：将监测模块(1)分层投放至监测点处水中；

步骤3：开启太阳能供电系统(3)电源，对监测模块(1)和微处理器(2)进行供电；

步骤4：启动微处理器(2)，数据采集模块(2-1)根据设置的采样间隔，定期使用广播轮询的方式对监测模块(1)中各层传感器组的各个传感器发送数据读取命令

步骤5：在一个采用间隔内，数据采集模块(2-1)判断是否存在连续3次未收到对应传感器返回的水质参数命令的情况；若数据采集模块(2-1)能够收到传感器返回的水质参数命令，则数据采集模块(2-1)在一个采样周期内连续发送5次数据读取命令，并进行中位值滤波；若数据采集模块(2-1)未能收到传感器返回的水质参数命令，将该传感器标记为故障传感器，不再对其进行通信，数据存储模块(2-3)会将传感器故障信息记录在微处理器(2)的SD卡中；并对其它传感器继续进行通信；

步骤6：数据处理模块(2-2)首先对数据采集模块(2-1)收到的监测模块(1)的返回命令中的地址位进行校验，之后提取数据采集模块(2-1)收到的监测模块(1)的返回命令中的有效信息，并将其转换为有意义的水质参数；在完成一个采样时刻的所有传感器的轮询后，数据处理模块(2-2)将所有传感器提取出来的水质参数拼接为一个字符串，并在字符串的头部添加校验码和采样时间；

步骤7：数据存储模块(2-3)将数据处理模块(2-2)得到的字符串以txt文件的形式存储在SD卡中，以采样时间年月日时分秒进行命名；

步骤8：在下一个采用间隔内，重复步骤5-步骤7，将得到字符串命名后以txt文件的形式存储在SD卡中；操作人员通过读取SD卡中的数据获得采集到的水质监测数据及传感器工作信息。