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城市地下水环境监测系统应用研究

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摘要:面对日益严重的水环境污染问题,要关注和加强城市地下水环境监测系统的应用,构建一定数量及分布的水质监测站点,使之成为严谨、密集的水质自动监测系统,进行地下水环境数据的采集、传输、存储、预测和查询,较好地提升城市地下水环境监测系统的应用效能。

关键词:地下水;环境监测系统;应用

当前对地下水的不合理开发和利用引发日益严重的水环境污染问题,对此要关注和加强对城市地下水环境的监测,要设计和应用科学先进、易于操作的地下水环境监测系统,结合单片机技术、GPRS技术和传感器技术,进行地下水数据的自动采集、处理、传输和存储,实时获悉和把握地下水的水体状况和水情信息,节约地下水监测成本,提高地下水监测效率。

1地下水环境监测系统的功能分析

可以借助于单片机技术、GPRS无线传输技术、计算机网络和传感器技术,进行城市地下水环境监测系统的设计和应用,使之具有一定的可扩展性,满足实时监测的需求,并利用良好的人机交互界面,进行数据的可视化显示和分析。具体来说,地下水环境监测系统的功能主要包括以下方面:(1)数据采集。通过前端监测设备进行地下水环境的在线实时监测,包括地下水水位、水温、PH值、电导率等水质参数,并将其通过GPRS网络进行信息数据的发送,使终端监控中心接收和获悉地下水监测值,体现出实时、连续、准确的特性。(2)数据存储。将采集的地下水环境监测数据依照统一格式进行存储,使之自动存放至现场SD卡,可以作为数据传输丢失时的查询之用。(3)数据传输。前端监测设备与终端监控数据中心的数据传输要借助于GPRS、Internet进行无线传输,并将传输的数据存储于数据库中。(4)设备运行状态管理。要利用在线实时监测设备和系统实现对设备运行状态的监测、维护和故障处理,体现其抗干扰、过压保护、开机后自动复位等性能。[1]

2地下水环境监测系统的设计与应用分析

(1)系统架构设计与应用。地下水环境监测系统的整体架构由三部分构成,即:系统前端设备、网络传输层、监控管理中心,其中:系统前端设备涵盖监测太阳能供电模块、配电箱模块、传感器采集模块、微控制处理器模块,用于采集地下水水位、水温、导电率、酸碱度、相关模拟量信号等数据;网络传输层涵盖有GPRS、Internet等网络,利用网络进行采集数据的传输控制;监控管理中心涵盖有服务器、显示器等模块,接收并实时显示、查询数据,并对异常故障数据信息进行告警。(2)系统硬件设计和应用。地下水环境监测系统的硬件设计要体现出相对独立性、可扩展性、集成性和稳定性,并具有低成本、防干扰和防雷击的特点,主要包括以下内容:a.硬件电路的设计与应用。系统前端供电设备要采用3.3-12V的电源电压,可以选取供电电压为12V的太阳能供电方案,利用电压转换芯片进行电压转换和供应。微控制处理器单元则以STM32F103VET6芯片为核心,利用可扩展的外围电路接口,与RS-485通信的电导率、PH值传感器、水位传感器、水温传感器、GPRS无线通信单元相匹配。传感器单元主要涵盖对地下水的水位、水温、PH值、电导率等信号进行传感和数据采集。GPRS无线通信单元则以ARM9216EJ-S为内核,借由GPRS网络实现数据的远程无线传输,使之进入到Internet网络之中。b.传感器模块的应用。可以采用DS18B20数字式温度传感器,将测量的温度值转化为可输出信号,由一个普通端口实现与DS18B20温度传感器的双向通信,适用于-55℃~+125℃的水温测量。还可以选取投入式压力水位传感器进行相关数据的采集,适用于较小的井孔观测。选取电极型PH传感器,通过电极测电位的方法获取地下水的PH值,衡量地下水环境的健康状态。选取Rs-485接口输出方式的传感器,通过对称脉冲法进行电导率的测量。c.微控制器模块的应用。可以选取应用核心元件为STM32F103ZET6的微处理器,与外围电路构成微控制器单元模块,并将微控制器模块与前端监测点、监控管理中心相链接,实现对地下水环境参数信息的采集、数据处理、存储和远程无线传输。d.GPRS无线传输模块的应用。可以利用通用分组无线服务技术,利用其接入范围广、传输速率快、接入时间短、实时在线的优势,进行地下水环境数据的无线远程传输。(3)系统软件设计与应用。地下水环境监测系统采用KEILMDK软件工具和C语言进行开发环境,进行下位机软件开发和应用,并采用B/S构架开发和应用上位机软件系统,对服务器软件进行设计和应用,如:服务器控制系统登陆界面、Socket连接程序、数据库操作程序的设计和应用,同时还对客户端软件进行设计和应用,如:客户端注册界面、客户端登录界面、客户端主界面等。(4)使用BP神经网络进行地下水环境数据的预测。可以引入BP神经网络的理念和方法,基于地下水监测站点采集的环境数据,构建BP神经网络预测模型,进行地下水环境的预测和分析。[2]

3小结

综上所述,地下水环境监测系统基于低成本、模块化、系统化的理念进行设计和应用,整合利用嵌入式技术、传感器技术,面向城市地下水环境进行数据采集、传输、处理、存储和查询,并利用BP神经网络进行地下水环境趋势变化的预测,未来还要加强对监测终端设备的微型化、集成化研究,使之具有更强的抗干扰能力和稳定性。

参考文献:

[1]赵敏华,李莉,呼娜.基于无线传感器网络的水质监测系统设计[J].计算机工程,2014(02).

[2]赵静,喻晓红,黄波,谭秀兰.物联网的结构体系与发展[J].通信技术,2010(09).

作者:杨阳 单位:江苏省环境监测协会

城市地下水环境监测系统应用研究责任编辑:张雨    阅读:人次