1、 本科毕业设计 （ 20 届） 无线环境水污染参数检测系统设计与实现 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要 长期以来，有线环境检测存在着地理位置分散、环境恶劣、需要有人职守等问题。因此，无线数传电台方式在远程数据采集、 监视与控制方面占据着主导地位。随着我国移动通信网络的完善，基于 GSM短信的无线数据传输开始应用于工业监控领域。 GSM短信虽然使用方便、运营费用合理，但实时性较差，传输的数据长度有限，还会出现较大的延迟，便不能广泛应用于工业监控领域。 GPRS作为中国移动主推的数据增值服务，具有传速率高、系统稳定等特点，特别适用于间断的、
2、突发性的或频繁的、少量的数据传输。这一特点使它很适合于远程监控等小流量高频率传输的数据业务。 本文以水污染的远程监测作为背景，针对水污染传统的检测手段耗时、步骤复杂，提出使用无线传感器水污染实 时监测的方案，论述了基于 GPRS进行远程数据采集的实现过程，设计出了基于 GPRS远程监测系统的原型。所研制系统将无线传感器网络节点布置于所监测水域，利用无线分组服务数据通信技术远程传输监测数据，并通过因特网显示平台的监测点管理查询技术，全面提升系统的自动化与监测水平。探讨了传感器网络节能路由 TCP/IP等协议，实现了系统硬件与软件设计。实验结果表明该系统可以实现远程管理中心和无线传感器网络的可靠、
3、高速率的通讯。系统体积小、成本低，适用于无线环境水污染参数检测系统的设计与实现。 关键词： GPRS；远程监测； 无线传感器网络 Abstract For a long time, Wired environmental testing exists the geographic places dispersed, poor environment and need someone to duty and other issues. Therefore, the wireless data transmitter means play an important role in the remo
4、te data collection, monitoring and control aspects. With the improvement of mobile communication networks, GSM-based messages wireless data transmission start to use in industrial control field. The GSMSMS is easy to use, and reasonable operating costs, but the real poor, the limited length of the d
5、ata transmission, but also a greater delay, it is not widely used in industrial control field. China Mobile GPRS as the main push of the data value-added services, with a high transfer rate, system stability and other characteristics, especially suitable for intermittent, sudden or frequent, small a
6、mounts of data transmission. This feature makes it very suitable for remote monitoring and other small flow of high-frequency transmission of data services. This article takes the remote monitoring of water pollution as the background, to the traditional testing methods for water pollution time-cons
7、uming, complex procedures, we have proposed the use of wireless sensor real-time monitoring of water pollution program, have also discussed the implementation process of Remote data collection based on GPRS, and have designed the part of prototype of the remote monitoring system based on GPRS .The w
8、ireless sensor networks nodes will be arranged in the field of monitoring water by the developed System. Using of wireless packet data communication services to remote transmission of monitoring data, display and monitoring via the Internet, point of management for query technology to raise the over
9、all level of system automation and monitoring. Energy efficient routing of the sensor network TCP / IP and other protocols to achieve the system hardware and software design. Simulation results show that the system enables remote management center and wireless sensor networks, reliable, high-speed c
10、ommunications. System, small size and low cost. Its useful to the design and implementation of the water pollution detection system in the wireless environment. Keywords: GPRS; Remote monitoring; Wireless sensor networks 目 录 1 引言 . 1 2 水污染监测的研究状况 . 3 2.1 水污染监测的研究背景 . 3 2.2 水污染监测的国内外研究现状 . 4 2.3 本课题研
11、究的内容及意义 . 6 3 GPRS 简介 . 7 3.1 GPRS 发展现状 . 7 3.2 GPRS 特点及网络结构 . 8 3.3 GPRS 组网的几种方式 . 10 4 系统总体设计 . 11 4.1 系统的组网方案设计 . 11 4.2 系统的整体构成 . 11 4.3 系统的工作原理 . 12 5 系统硬件设计 . 14 5.1 微处理器 . 14 5.1.1 STC89C52 单片机 . 14 5.1.2 ATmega32 单片机 . 14 5.2 GPRS-SIM100 模块 . 15 5.3 M45453 传感器 . 16 5.4 监测传感器节点设计 . 16 5.4.1 节
12、点信号处理单元 . 17 5.4.2 GPRS 网关节点设计 . 18 6 系统软件设计 . 20 6.1 传感器节点流程图 . 20 6.2 网关软件流程图 . 21 6.3 RF2401 收发函数和主函数 . 22 6.4 GPRS 协议及指令 . 23 6.5 数据传输用户协议 . 26 6.6 GPRS 通信模块的流程图及代码 . 27 7 制作和调试 . 32 7.1 制作过程 . 32 7.2 系统调试 . 32 7.2.1 硬件调试 . 32 7.2.2 软件调试 . 33 8 结论 . 34 致 谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . 36 附录 1 系统原理图 . 38 附
13、录 2 实验 PCB 图 . 39 1 引言 随着社会 的 发展和工业 的 进步， 如今我国的水污染问题也越来越严重了。 目前， 政府 对整治水域污染采取了 一系列强有力的措施。 然而，人们在水污染的监测领域上，由于面向要监测的污染源地理位置大多比较偏远，还有污染监测设备架设的难度比较大 ， 所以要将网络线缆连接到我们的目的地是一个重大的难点。地域上的局限性使得通信问题成为监测系统中的关键。传统的通讯手段包括电力载波、双交线、光纤、专用无线电台等，它们各自都存在着需要投入庞大的建设、运营费用高且难于维护和扩展的问题。如果能够处理好我们所面临的问题，那它将给我们的社会带来非常大的发展前景和利益。
14、 因此 ， 它 是 一个令人关注和感兴趣的研究课题。 基于此，开发了基于无线实时在线远 程水质监测系统。这在国内该领域的研究虽然有一定的进展。但在节能路由协议以及硬件实现方面却没取得突破性进展。基于 GPRS的远程监控系统是把 GPRS和远程监控技术融合一起的监控系统。GPRS技术通过中国移动和中国联通通信在全国的普及性，基本上解决了监测系统在地域上的限制。远程监控系统通过连接 Internet，利用 Socket技术、网络通信技术、数据采集技术及面向对象等一些软件技术实现了整个系统的系统管理、用户管理、设备监控、数据显示等模块，以信息的实时获取和实时控制为中心，实现信息、资源及任务的综合共享
15、和全局一 体化的管理 2。 由于 GPRS具有能够连接 Internet用作监测终端，还有处理速度快、永不断线、实时性强等一些特点，因此 作为向 3G进程 的角色， GPRS在 GSM语音网络的基础上增加了 许多 数据业务 。这样一来， 人们 就 能够更快速的访问互联网 了 。虽然新的 GPRS市场的启动需要一个过程，但运营商和设备商对 GPRS都抱着乐观的态度，他们相信 GPRS用户会很快发展起来 的 37。 基于无线水污染检测系统的设计与实现， GPRS无线远程检测系统将是本设计的选择。水污染源在线监测系统是一套以在线自动分析仪器为核心，以移动 通讯为传输媒介，运用现代传感技术、自动测量技
16、术、自动控制技术、计算机应用技术以及相关的专用分析软件和通迅网络所组成的一个综合性的在线自动监测系统。污染源自动监控系统由污染源现场监控站点系统、数据传输系统、污染源监控中心、污染源在线远程监管系统等组成。系统可以实现连续、动态监测水质数据，并进行数据的统计、处理，形成各种报告及图表，将监测结果实时传送到监控中心和各级环保局，实现污染源自动监控 3。 2 水污染监测的研究状况 2.1 水污染监测的研究背景 随着社会经济的快速发展，各类工业水污染事件不断发生， 直接影响了人类的生活，环境水污染问题逐渐得到社会的重视。环境水污染监测科学也随着全球环境问题的日益突出和环保事业的兴起，逐步发展成为一项
17、多学科相互渗透的综合性学科，其水污染监测手段、监测方法、管理水平随着科学技术的进步不断地得到改善和提高。目前最行之有效的途径和发展趋势就是应用信息技术 (IT)来协助监测业务的处理和管理 8。 在水污染参数监测系统中，常常需要对众多的水污染排放点进行实时监测，主要检测参数有化学耗氧量 (COD)、酸碱度 (PH值 )、总磷 (TP)浓度、氮氧（ NO）浓度，大部分监测数据需要实时发送 到监测管理中心的后端服务器进行处理。由于监测点分散，分布范围广，而且大多设置在环境较恶劣的地区，处理分布在各处的环境检测点的数据传输问题一直是建立环境监测系统的难点，建立独立的无线扩频系统和使用专线都有庞大的建设
18、、运营费用问题。利用目前成熟的通信网络进行无线数据传输，成为环保部门选择通信手段的亮点之一。水污染监测设备将采集到的污染数据和告警信息，通过现有通信网络，及时发送到环保监察部门，可以实现对排污单位或个人的及时管理，大大提高了工作效率，为环境保护提供了崭新方式。目前，我省工业化进程造成内陆河流、湖泊、 近海等水体污染日益严重，对水资源造成严重威胁。环保部门因此监测水体化学耗氧量 COD、酸碱度PH值、总磷浓度 TP、氮氧浓度 NO等参数指标，实施了净化污水计划，为实现环保水科学化管理提供必要技术支持迫在眉睫 2。 我国对污染物排放总量控制先后经过了浓度控制和目标总量控制阶段，现已进入到容量总量控
19、制阶段。这对环境监测提出了新的要求。要加快安装重点污染企业和城市污水处理厂的在线监测装置，加强污染源在线监测，做好仪器设备的校验工作和在线监测数据管理，为实施总量控制提供依据。要为水环境容量核定和总量分配做好相应的监测 工作，为水环境质量调查与评价、污染源调查与评价、水环境容量计算与核定、污染物允许排放量确定、总量分解等提供有关监测数据，及时为污染物排放总量收费做好相应监测工作。同时加强入河（入湖、入库、入海）主要污染物排放总量监测技术及界面主要污染物总量（通量）监测技术的研究，努力提高总量监测水平 5。 2.2 水污染监测的国内外研究现状 在国内，我国传统的环境水污染监测方法多是人工操作，主
20、要是设置某些断面或测站定时定点瞬时取样，然后将样品带回实验室分析或者野外进行现场测定。由于人力和物力的限制，监测工作仅限于几个断 面和点，监测频率也是每月数次，不能保证所测数据的准确性和时效性，难以实现对环境要素全时段、全方位的动态监测。近些年来，许多城市采用并安装了一些自动或在线监测设备，大大提高了监测的频率和监测数据的准确时效性，但是这些监测设备许多没有与环境监测部门联网，监测得到的数据不能及时有效地被环境监测部门所掌握；在后继的环境评估和决策支援中，用有限的监测数据来评价整个区域的环境质量以及污染源的排放情况也是不完全的，这对于尽早发现污染事故，及时预报区域环境质量等均有很大限制。近 2
21、0 年来，随着经济的飞速发展，面对环境保护的严 峻形式，我国的环境水污染监测也相继经历了被动监测、主动监测和自动 (在线 )监测三个阶段 9。 我国在 80 年代初开始通过引进和消化吸收，在黄浦江、天津引滦入津河段以及吉林化工、宝钢等大型排污企业的排水系统建立了水质自动监测系统。 1999年起，国家环保总局在淮河、长江、黄河、松花江和太湖流域开始建设水质自动监测站，监测的数据通过卫星通信直接传输到国家环保总局中心控制室，并实现全国联网。迄今为止，我国己经基本建立全国重点流域水质在线监测系统。我国从八十年代中期也开始了污染源在线监测方面的研究和探索，但是真正在全国 范围内开展此项工作则始于“九五”期间，国家环保总局在全国选择了一些省、市作为试点，对污染源在线监测进行了管理和技术方面的有益探索，污染源在线监测相关设备和软件的研究开发也不断扩大和成熟，国内许多高校和科研院所如西安交通大学、哈尔滨工业大学、中国环境科学研究院、南京大学、华南理工大学，以及一些高新技术企业如西安长天、哈工大比奥公司、湖南力合科技等企业相继研制环境在线监测系统，取得了一定的成果。在环境监测软件系统上出现了一些
