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摘要：为让人们获得更高生活品质，各级政府联合各行业企业，展开大规模环境治理。在众多生态环境中，与人们生活有直接关系当属水环境。但是，过去水质监测需要由专业团队在现场采样后，将样本已送至实验室进行技术分析，导致样本在移动时会被外界环境污染，造成实验误差。本文将其作为研究重点，设计在线监测系统，旨在提升我国水质监测水平，全面提高国民生活质量。
关键词：水质采样;在线监测;系统设计
前言：作为世界关注重点内容，以欧美为首的发达国家早在20世纪70年代建设水质监测设备。但是我国工业发展起步较晚，即便在近几年时间在水质监测方面获得重大突破，在一些例如自动检测等领域仍然缺少系统化研究，仍需要在未来增加研究力度。而且，水质监测自身携带一些危险性，检测人员采集水质需要冒较大风险，也需要一种合适系统完成设计工作，从而提高工作安全性。
1系统总体设计
在GPRS模块开始工作之前需要对DATA-6121进行电源复位操作，当DATA-6121与无线网络的连接断开时，DATA-6121 就会自动重拨，重新连接网络，若连接上了网络，就进行数据的接收与传输;若还是没有连接上网络，DATA-6121 再次进行电源复位操作直到连接上网络。当DATA-6121将数据传输出去后，远程控制中心会对接收到的数据进行合法化判断，若接收到的数据合法，则远程控制中心会对接收到的数据进行进一步处理;若接收到的数据不合法，则会要求DATA-6121重新发送数据。同时本系统可以分解为若干个系统，负责完成取水操作的取水系统、准备监测水样的配水系统、负责完成监测环节各类仪器、驱动系统运行的自控系统四个部分，可以通过图1表示。借助PLC完成自动取样，即取水与培水操作;通过单片机完成数据采集;使用GPRS将样本信息传输到后方监控中心;监控中心负责监控数据、调节各设备，从而提升水质监测质量[1]。
2采样自动控制
对于取水系统，需要针对不同测试条件进行调整，从而满足气候、地形等不同情况，保证自动取水，提升水样品质。所以，可以选择由PLC控制的水泵、负责取水的浮筒，以及相关取水管等一类内容组成，并通过栈桥方式完成取水操作。为避免环境因素造成水样污染，对于取水管选择拥有保温能力，选择绿色材质。对于取水泵采用“1+1”方式，即一个应用，另一个则为备用，避免因水泵故障，影响水样操作。同时，为取水系统设计清洗功能，让内部可以保持清洁，避免对水样造成无污染，所以设置PLC控制的排空阀，负责把管道残存水体清理干净;对于配水系统，由水样处理与配水管道等构成。前者负责静置水样，通过过滤去除杂质，提升水样质量。而且，考虑到水体中拥有具备较强繁殖能力的藻类，所以系统通过220V交流電源为臭氧发生器提供动力，利用臭氧在设备清洗时处理藻类;而PLC控制系统，则是利用其完成接触器动作，让电磁阀可以根据检测需求进行开闭，包括潜水泵、取水泵等设备都由PLC控制。具体操作可以简述为：打开潜水泵，让待检测水源自动流入沉降池，由水位计传输的检测信号控制潜水泵，完成取水操作。而在水样结束沉降后，则由取水泵抽取水样。利用各类水质分析设备展开水质系统化分析，将数据传输到控制中心[2]。
3测控终端设备
对于各种水质分析设备，需要在完成样本检测后，把包含水体信息的信号传输至监控中心，对数据展开解析。本设计将AT89C52单片机作为测控终端核心组件使用[3]。该单片机即使在掉电时，也可以将当前运行内容保存，避免出现数据丢失情况;为提供单片机要有5V直流电压条件，而GPRS通信模块则要12V运行电压，但是从电网获得是交流220V电压条件，所需本系统针对电源电路进行二次设计，让原本从电网直接获得高压交流电，通过电源电路处理后，为单片机、GPRS提供低压直流电。其原理可以理解为将获得交流电源，通过整流变压器处理后，将其通过整流电路输入到滤波器中，经过稳压后将直流电输送到负载上，提供其运行动力;考虑到单片机仅能处理数字信号，但是用于水质监测的各类设备为模拟信号，所以需要利用I/N将模拟信号转化为电压信号，使用借助滤波电路降低信号在转化中产生波动，借助A/D转换器完成信号转换。对于I/N转换，将采用运算放大器与各种型号电阻完成。而滤波电路则是通过串联RC电路，通过和运算放大器相连后，构成二阶有源低通滤波器;单片机预留负责串行通信的IO串行口，可以理解为借助二进制数字完成通信。通过RS-485串行标准总线对于现场采集水体数据进行传输。对于RS-485拥有比RS-232更低的接口电压，有效避免芯片发热导致损坏问题，其信息最高传输速率为10Mbps，满足实际系统应用需求。将MAX485芯片用于RS-485通信数据接收与发送设备，其运行功耗较低，具备良好抗性，对于户外水样采集具有良好效果。该芯片由5V电源提供工作动力，并将4个引脚和单片机相连，负责完成数据接收与发送操作。
4远程控制
为避免让检测人员深入监测现场，降低安全事故发生概率，本文选择远程控制，由检测人员操控系统完成样本采集、水质监测等工作。对于远程通信，本文选择GPRS无线通信。该通信方法借助TDMA信道，摄取中介转换器这一设备，所以数据传输相对简单，设备连接也十分便利。而且，GPRS通过分组交换，让其可以在数据传送时，直接构建通信连接，减少预先对信道分配这一操作。在GPRS接收数据包后，可以将数据信息以相应信息，比如信息最终传输地址，选择空闲信道完成数据包运送工作。正因为这种传送方式，导致数据无论是发送还是接收，都不会采用固定信道，进而让用户可以根据需求使用信道，达到高效应用信道效果，获得最快速传输数据条件。而且，GPRS相较于GSM，拥有更为稳定传输条件，速度也超过后者10倍以上[4]。对于GPRS通信模块，本设计应用DATA-6121无线模块，可以有效降低能源消耗，其具备良好抗性，对于水体采样的恶劣环境具有良好应用效果。同时，其内部设置看门狗系统，在应用时有效避免发生死机问题，可以保持长期持续在线，而且对于各类软件系统也有较强适用性，可以有效提升水体监测效率。其可以让GPRS以双通道方式完成数据传输工作，让求保持多个中心数据通信，提升通信质量。将串口设备产生各类数据可以达到高效采集，可以通过远程控制，实现参数设置，对于内部程序也可以做到优化升级效果。其工作温度从零下40摄氏度至85摄氏度，基本满足大部分水质监测情况，而且湿度在95%以下也可以做到正常运行，避免出现系统停止运行情况。 5监控中心
5.1基本功能
对于监控中心，其直接负责系统是否能高效运行，所以将其设置为最开始的登录系统，只有将用户名与密码输入后，和存储与系统的信息吻合，才能进入系统应用其他内容;为避免被病毒影响监控中心正常运营，所以设置安全防护系统，用于拦截木马病毒，定期对系统进行杀毒，提升系统安全性;对于数据采集，主要是接受接收来自用于加上水质的设备信息，并将数据处理后，存储于云端数据库，在使用时从数据库中下载数据可以使用，降低数据遗失风险;针对数据管理，则将实时数据通过预制系统绘制为图标，做好数据存储工作，可以通过调动历史图表，分析检测水质在近期变化情况;如果发生错误操作，则可以通过报警系统，在监控中心的显示屏上跳出报警窗口，可以通过调动历史报表，分析系统运行问题，在未来应用进行改进升级。
5.2具体设计
对于软件系统，是囊括操作系统、远程监控等内容，主要负责对数据接收、存储，通过对其分析后制成数据报表，便于工作人员对数据进行查询，从而做到远程控制系统效果。对于操作界面，设置为MDI窗口，便于调用系统功能，让用户方便在不同功能完成切换[5]。而且，提供登录界面的用户信息输入功能，在账号密码输入錯误超过三次，会将锁定界面，在五分钟后恢复正常登陆，有效避免信息被他人盗用。在操作界面中可以对监测点进行添加、删除等操作，准确显示当前所有监测点位置，提供检测人员信息，稳定提高监测水平。而管理员可以调用系统所有权限，由专门人员充当管理员角色，保证系统稳定性。而监测中心则利用GPRS负责接收监测点传输有关样本pH值、浊度等信息。
结论：针对水质监测，本设计借助AT89C52单片机完成现场检测，并借助GPRS完成远程控制，监测人员可以通过监控中心达到实时控制目的，大大降低检测人员人身安全，降低样本运输污染概率，对于提升生态环境保护具有重要意义。相关人员在应用本文内容时，请根据实际监测环境与条件，将部分设计内容改进、优化，从而提升结果准确性。
参考文献
[1]蒋增辉.基于数据库规则的农村生活污水水质监测智能管理系统的设计[J].净水技术，2020，39;215（01）：20-25+35.
[2]黎虹，李光.水质自动采样器的校准方法及不确定度评定[J].化学分析计量，2018，027（001）：103-106.
[3]廖訚彧、朱政坚、王颖、李诗晴.面向农村水厂的水质安全监控系统设计和研究[J].长沙大学学报，2020，34;157（05）：43-47.
[4]路春晖，东林，付振楷，等.基于LabVIEW的无人监测船水质采样系统设计[J].实验室研究与探索，2020，039（002）：68-71，107.
[5]段艺.城市供水水质监测及应急处理系统设计与实现[J].资源节约与环保，2020，000（003）：46.
关键词：水质采样;在线监测;系统设计
前言：作为世界关注重点内容，以欧美为首的发达国家早在20世纪70年代建设水质监测设备。但是我国工业发展起步较晚，即便在近几年时间在水质监测方面获得重大突破，在一些例如自动检测等领域仍然缺少系统化研究，仍需要在未来增加研究力度。而且，水质监测自身携带一些危险性，检测人员采集水质需要冒较大风险，也需要一种合适系统完成设计工作，从而提高工作安全性。
1系统总体设计
在GPRS模块开始工作之前需要对DATA-6121进行电源复位操作，当DATA-6121与无线网络的连接断开时，DATA-6121 就会自动重拨，重新连接网络，若连接上了网络，就进行数据的接收与传输;若还是没有连接上网络，DATA-6121 再次进行电源复位操作直到连接上网络。当DATA-6121将数据传输出去后，远程控制中心会对接收到的数据进行合法化判断，若接收到的数据合法，则远程控制中心会对接收到的数据进行进一步处理;若接收到的数据不合法，则会要求DATA-6121重新发送数据。同时本系统可以分解为若干个系统，负责完成取水操作的取水系统、准备监测水样的配水系统、负责完成监测环节各类仪器、驱动系统运行的自控系统四个部分，可以通过图1表示。借助PLC完成自动取样，即取水与培水操作;通过单片机完成数据采集;使用GPRS将样本信息传输到后方监控中心;监控中心负责监控数据、调节各设备，从而提升水质监测质量[1]。
2采样自动控制
对于取水系统，需要针对不同测试条件进行调整，从而满足气候、地形等不同情况，保证自动取水，提升水样品质。所以，可以选择由PLC控制的水泵、负责取水的浮筒，以及相关取水管等一类内容组成，并通过栈桥方式完成取水操作。为避免环境因素造成水样污染，对于取水管选择拥有保温能力，选择绿色材质。对于取水泵采用“1+1”方式，即一个应用，另一个则为备用，避免因水泵故障，影响水样操作。同时，为取水系统设计清洗功能，让内部可以保持清洁，避免对水样造成无污染，所以设置PLC控制的排空阀，负责把管道残存水体清理干净;对于配水系统，由水样处理与配水管道等构成。前者负责静置水样，通过过滤去除杂质，提升水样质量。而且，考虑到水体中拥有具备较强繁殖能力的藻类，所以系统通过220V交流電源为臭氧发生器提供动力，利用臭氧在设备清洗时处理藻类;而PLC控制系统，则是利用其完成接触器动作，让电磁阀可以根据检测需求进行开闭，包括潜水泵、取水泵等设备都由PLC控制。具体操作可以简述为：打开潜水泵，让待检测水源自动流入沉降池，由水位计传输的检测信号控制潜水泵，完成取水操作。而在水样结束沉降后，则由取水泵抽取水样。利用各类水质分析设备展开水质系统化分析，将数据传输到控制中心[2]。
3测控终端设备
对于各种水质分析设备，需要在完成样本检测后，把包含水体信息的信号传输至监控中心，对数据展开解析。本设计将AT89C52单片机作为测控终端核心组件使用[3]。该单片机即使在掉电时，也可以将当前运行内容保存，避免出现数据丢失情况;为提供单片机要有5V直流电压条件，而GPRS通信模块则要12V运行电压，但是从电网获得是交流220V电压条件，所需本系统针对电源电路进行二次设计，让原本从电网直接获得高压交流电，通过电源电路处理后，为单片机、GPRS提供低压直流电。其原理可以理解为将获得交流电源，通过整流变压器处理后，将其通过整流电路输入到滤波器中，经过稳压后将直流电输送到负载上，提供其运行动力;考虑到单片机仅能处理数字信号，但是用于水质监测的各类设备为模拟信号，所以需要利用I/N将模拟信号转化为电压信号，使用借助滤波电路降低信号在转化中产生波动，借助A/D转换器完成信号转换。对于I/N转换，将采用运算放大器与各种型号电阻完成。而滤波电路则是通过串联RC电路，通过和运算放大器相连后，构成二阶有源低通滤波器;单片机预留负责串行通信的IO串行口，可以理解为借助二进制数字完成通信。通过RS-485串行标准总线对于现场采集水体数据进行传输。对于RS-485拥有比RS-232更低的接口电压，有效避免芯片发热导致损坏问题，其信息最高传输速率为10Mbps，满足实际系统应用需求。将MAX485芯片用于RS-485通信数据接收与发送设备，其运行功耗较低，具备良好抗性，对于户外水样采集具有良好效果。该芯片由5V电源提供工作动力，并将4个引脚和单片机相连，负责完成数据接收与发送操作。
4远程控制
为避免让检测人员深入监测现场，降低安全事故发生概率，本文选择远程控制，由检测人员操控系统完成样本采集、水质监测等工作。对于远程通信，本文选择GPRS无线通信。该通信方法借助TDMA信道，摄取中介转换器这一设备，所以数据传输相对简单，设备连接也十分便利。而且，GPRS通过分组交换，让其可以在数据传送时，直接构建通信连接，减少预先对信道分配这一操作。在GPRS接收数据包后，可以将数据信息以相应信息，比如信息最终传输地址，选择空闲信道完成数据包运送工作。正因为这种传送方式，导致数据无论是发送还是接收，都不会采用固定信道，进而让用户可以根据需求使用信道，达到高效应用信道效果，获得最快速传输数据条件。而且，GPRS相较于GSM，拥有更为稳定传输条件，速度也超过后者10倍以上[4]。对于GPRS通信模块，本设计应用DATA-6121无线模块，可以有效降低能源消耗，其具备良好抗性，对于水体采样的恶劣环境具有良好应用效果。同时，其内部设置看门狗系统，在应用时有效避免发生死机问题，可以保持长期持续在线，而且对于各类软件系统也有较强适用性，可以有效提升水体监测效率。其可以让GPRS以双通道方式完成数据传输工作，让求保持多个中心数据通信，提升通信质量。将串口设备产生各类数据可以达到高效采集，可以通过远程控制，实现参数设置，对于内部程序也可以做到优化升级效果。其工作温度从零下40摄氏度至85摄氏度，基本满足大部分水质监测情况，而且湿度在95%以下也可以做到正常运行，避免出现系统停止运行情况。 5监控中心
5.1基本功能
对于监控中心，其直接负责系统是否能高效运行，所以将其设置为最开始的登录系统，只有将用户名与密码输入后，和存储与系统的信息吻合，才能进入系统应用其他内容;为避免被病毒影响监控中心正常运营，所以设置安全防护系统，用于拦截木马病毒，定期对系统进行杀毒，提升系统安全性;对于数据采集，主要是接受接收来自用于加上水质的设备信息，并将数据处理后，存储于云端数据库，在使用时从数据库中下载数据可以使用，降低数据遗失风险;针对数据管理，则将实时数据通过预制系统绘制为图标，做好数据存储工作，可以通过调动历史图表，分析检测水质在近期变化情况;如果发生错误操作，则可以通过报警系统，在监控中心的显示屏上跳出报警窗口，可以通过调动历史报表，分析系统运行问题，在未来应用进行改进升级。
5.2具体设计
对于软件系统，是囊括操作系统、远程监控等内容，主要负责对数据接收、存储，通过对其分析后制成数据报表，便于工作人员对数据进行查询，从而做到远程控制系统效果。对于操作界面，设置为MDI窗口，便于调用系统功能，让用户方便在不同功能完成切换[5]。而且，提供登录界面的用户信息输入功能，在账号密码输入錯误超过三次，会将锁定界面，在五分钟后恢复正常登陆，有效避免信息被他人盗用。在操作界面中可以对监测点进行添加、删除等操作，准确显示当前所有监测点位置，提供检测人员信息，稳定提高监测水平。而管理员可以调用系统所有权限，由专门人员充当管理员角色，保证系统稳定性。而监测中心则利用GPRS负责接收监测点传输有关样本pH值、浊度等信息。
结论：针对水质监测，本设计借助AT89C52单片机完成现场检测，并借助GPRS完成远程控制，监测人员可以通过监控中心达到实时控制目的，大大降低检测人员人身安全，降低样本运输污染概率，对于提升生态环境保护具有重要意义。相关人员在应用本文内容时，请根据实际监测环境与条件，将部分设计内容改进、优化，从而提升结果准确性。
参考文献
[1]蒋增辉.基于数据库规则的农村生活污水水质监测智能管理系统的设计[J].净水技术，2020，39;215（01）：20-25+35.
[2]黎虹，李光.水质自动采样器的校准方法及不确定度评定[J].化学分析计量，2018，027（001）：103-106.
[3]廖訚彧、朱政坚、王颖、李诗晴.面向农村水厂的水质安全监控系统设计和研究[J].长沙大学学报，2020，34;157（05）：43-47.
[4]路春晖，东林，付振楷，等.基于LabVIEW的无人监测船水质采样系统设计[J].实验室研究与探索，2020，039（002）：68-71，107.
[5]段艺.城市供水水质监测及应急处理系统设计与实现[J].资源节约与环保，2020，000（003）：46.