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嵌入式区域水质监测站系统设计 楼鸿强，赵光宙 浙江大学电气工程学院， 杭州（310027) 摘 要：为了提高区域水质监测的实时性和智能性，本文介绍了一种基于 ARM 和 μC/OS-II 操作系统的嵌入式水质监测站，该系统结合 GPRS 无线网络技术实现了与上层监控站之间 的双向实时通信。实际使用证明，该监测站能对区域水质进行实时自动监测，并具有对突 发事件的快速反应能力。 关键字：水质监测、ARM、μC/OS-II、GPRS 1 引言 作为嵌入式区域环保远程实时监控系 统的终端现场部分，水质监测站必须拥有 良好的机动性、快速反应能力和自动测报 能力，以实现水功能区内重点地区、重点  管理者  控制中心 Internet 网络 水域和供水水源地等的水质监测，并提高  监控站1  监控站2  …… 监控站n  水质监测信息数据的传输和分析效率。在 满足各级水行政主管部门及社会公众对水 GPRS 无线网络 质信息需要的同时，提高对突发、恶性水 质污染事故的预警预报及快速反应能力。 水功能区1 …… 水功能区2 结合应用实际和技术现状，本嵌入式  监测站1  监测站2  监测站n  水功能区n 监测站的设计主要基于三星公司的 32 位 微处理器 S3C44B0X(集成 ARM7TDMI 内 核)和实时操作系统 μC/OS-II 研制。为了 实现分散数据的高效、连续传输，各监测 站利用 GPRS 无线网络与上层监控站（基 于 PC 机和 GPRS Modem）进行双向实时 通信。 2 监测站总体设计 2.1 区域环保远程实时监控系统简 介 区域环保远程实时监控系统由三级构 成：第一级为管理控制中心层，第二级为 监控站层，第三级为终端监测站层。系统 网络结构图如图 1 所示。  -1- 图 1 区域环保远程实时监控系统示意图 多台终端水质监测站的配合使用可对 某一特定水功能区实现自动采集、记录水 质信息，同时通过 GPRS 无线网络实现与 监控站层之间的通信。监控站层主要负责 对局部区域内监测点数据的保存、监控等， 既能单独成为一个区域水质监控系统，又 可以通过 Internet 网络和多个监控站一起 组成上一级管理层网络。管理控制中心层 的数据服务器保存来自全网各基层终端的 所有数据。管理人员可以通过系统的操作 平台，实现对各监控终端的实时数据、历 史数据、报警信息等的收集、分析、统计 和查询，并可生成各种统计报表。 本文主要介绍底层监测站系统的设 计，其功能设计主要分为 4 个部分：数据 采集、数据处理、通信模块和人机交互界 面。…… …… 2.2 数据采集 数据采集的终端设备是各类水质监测 传感器，监测指标主要包括温度、PH值、 电导率、氨氮、总有机碳（TOC）、总需氧 量（TOD）、生化需氧量（BOD）等等[1]。 考虑监测现场的条件以及监测的稳定性和 可靠性，采用工业级传感器，并按防水封 装；大部分传感器采用独立的变送单元， 隔离输出 4-20mA标准信号。安装时，传 感器接触水质而变送器放置到防水性能较 好的密封箱中，以提高系统的使用寿命。 为了提高系统的通用性，监测站的模 拟信号接口除了 8 路标准 4-20mA 接口外， 还留有 8 路 0-5V 的信号接口，以便用户 自由挂接输出信号不同的传感器。模拟通 道的输入信号经过调制和 A/D 转换后，得 到系统所需的监测数据。 2.3 数据处理 监测站得到的检测数据主要有两种用 途，一方面可为综合评价水功能区的水环 境质量提供基础性数据，另一方面可迅速 发现突发性水质污染事故或灾害，将水域 内的异常水质情况、污染传播源及影响规 模通过系统的通信网络传至控制中心。因 此，系统的数据存储器必须具有掉电保护 能力并有足够大的容量；同时，在紧急数 据的处理上，监测站除了自身报警外，还 应通过 GPRS Modem 迅速发送警报信息 至上层监控站。本监测站拥有自动监测数 据存储器功能，当存储器将满时，通知上 层监控站，可以由上层监控站在线清除或 者由管理人员手动清除。另外，监测站还 带有 RS232 接口，以便导出历史数据。 2.4 通信模块 通信模块的主要功能是实现监测站与 上层监控站之间的双向实时通信。通信数 据类型有三种：正常监测数据，报警数据， 基本参数。监测站每隔一段时间把监测数 据发送给上层监控站，以便其实现数据查  -2-  询、统计等功能；上层监控站也可通过点 选功能，要求监测站发送当前监测数据； 当监测站监测到水质异常时，将立即发送 报警数据；此外，任何一方对基本参数的 重新设定，都应通知对方以保证参数的一 致。 2.5 人机交互界面 人机交互界面包括键盘输入和 LCD 显示两部分，主要功能包括监测信息查询、 基本参数设定、历