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1、2008年1月第160期电 子 测 试ELECTRON IC TESTJan.2008No.160电 子 测 试ELECTRON IC TEST72水质在线数字视频监控系统设计李 森(中山职业技术学院 中山 528403)摘 要:本文介绍了远程网络环境监测系统,该系统采用4级层次结构,通过有线和无线传输,在智能适配器完成数据加密,实现了在线实时远程监测、集中显示、污染预报等集中管理。该系统可为国家的环境保护起一定作用。关键词:水质参数;嵌入式系统;在线监测;数据传输;通信协议中图分类号:TN911.7 文献标识码:CDesign of digital sater quality paramet
2、ers online monitoring systemLi Sen(ZhongShan Polytechnic,Zhongshan 528403,China)Abstract:This paper addresses the environmentalmonitoring system based on Internet,and the system isstructured by four levels,dedicated line and radio trans mission are used,and the data is ciphered in theadapter level,w
3、hich realizes the centralized management for on2line real2time monitoring,centralized dis2play,pollution forecast,etc.The system will play a certain role for national environmental protection.Keywords:water quality parameter;embedded system;online monitoring;data trans mission;communi2cation protoco
4、l0 引 言目前国内外都十分重视环保,国内外有一些相关的公司和部门正在进行环境监测方面的研究。澳大利亚南方高原公司为治理环境专门开发了各种除尘设备配件和在线烟尘排放监控系统,提供的主要产品有在线排放烟尘(粉)总量(浓度)监测仪、压力气包清灰系统的配件等。西方发达国家对这方面的研究和应用也十分广泛,加拿大等国的产品应用也较好。在国内,各地的环保部门从自身的发展需要出发,已经开发出了一系列用于环境的监测和控制系统,如上海环境保护中心、河北先科公司、太原绿洲公司等。环保方面的研究、应用已成为一个新的热点。但就当前的国内情况看,其应用还不尽如人意,主要表现为:没有形成统一的环保软硬件开发规范和标准,开
5、发平台和数据库的选择种类繁多,致使信息交流十分困难,互通互用性差;对环保数据的采集能力不强,数据滞后,数据库规模小,导致信息资源十分有限;数据的加工处理能力差,无法形成数据仓库,不能满足环保部门决策的需求;不能进行远程实时监测,污染源不能得到及时的控制和处理;由于污染源排放的随意性,不能对环境的污染指数进行客观的预报和预测等。测控系统20081173电 子 测 试ELECTRON I C TEST国外的系统较为稳定,但价格等因素制约了其在国内的应用。1 系统实现1.1 系统构成本系统如图1所示,整个系统由中心监控系统、各个监控点终端及有线Internet网或无线Inter2net网络组成。监控
6、中心和各个监控点通过网络来完成图像、环境检测数据的传输与交换,监控中心可以控制某一个监测站的检测方式,也可以在线观看14幅现场图像,监控中心主要是视频服务器,它内置一个嵌入式Web服务器,采用嵌入式实时多任务操作系统。监控点控制平台送来的信号经数字化后由高效芯片压缩,通过内部总线送到内置的Web服务器,网络上用户可以直接用浏览器观看Web服务器上的摄像机图像,授权用户还可以控制摄像机、云台、镜头的动作或对系统配置进行操作。由于把视频压缩和Web功能集中到一个体积很小的设备内,可以直接连入,达到即插即看,省掉多种复杂的电缆,安装方便(仅需设置一个IP地址),用户也无需安装任何硬件设备,仅用浏览器
7、即可观看。图1 水质在线数字视频监控系统结构图 监控点由具有远程控制功能的平台、不同环境参数测试仪、云台及数字化摄像机等组成,监控点终端可以实时对被测对象进行检测,检测参数有液体的pH值、COD、温度、流量等参量,也包括现场图像的拍摄。不同监控点由于排污物的性质不一样,各监控点的测控参数也不同。远程控制功能平台由双内核嵌入式控制器ARM9、随机数据存储器、各种测量水质参数仪器的接口、云台控制接口及视频图像信号接口等组成。一个用户终端可以进行图像或检测环境数据传输,利用视频压缩技术和硬盘存储技术,每个用户终端可对13个摄像机进行实时连续的拍摄图像、监测设备运行情况、测量59个水质数据并能够按照时
8、间的先后记录在本地控制平台中。通过远程控制功能,Web服务器可以从各个测控点不定期获取监控点的图像或数据。1.2 主要水质参数的测量水体污染就是当污染物进入水体后,其含量超过了水体的自净能力,使水质和底质的物理、化学性质或生物群落组成发生变化,从而降低了水体的使用价值和使用功能。污染物来源有工业生产的污水、生活污水及农业生产的污水。通常采用水质指标的好坏来衡量水体被污染的程度。水质指标项目繁多,可以分为3大类:第1类,物理性水质指标,如温度(T)、色度、浑浊度、嗅和味、透明度、总固体、电导率、可见固体等。第2类,化学性水质指标,包括一般的化学性水质指标(如pH值)、有毒的化学水质指标、有关氧平
9、衡的水质指标。第3类,生物学水质指标,包括细菌总数、总大200811Test and Control System电 子 测 试ELECTRON IC TEST74肠菌群数、各种病原菌、病毒等。我国于1996年制定了污水综合排放标准(GB897821996)。本标准按年限规定了第一类污染物和第二类污染物最高允许排放浓度及部分行业最高允许排放量,规定对各类不同行业污染源达标排放考核验收指标是不同的,但是他们又存在共同点,主要监测的水质参数有pH、SS、COD、BOD、色度、液体流量、水温T及各种重金属离子等。能够低成本、快速测量的参数有pH、流量及温度,而COD和BOD比较难于实现在线低成本快速
10、检测。主要水质参数快速测量方法如下所述。1.2.1 水温测量水温是重要的水质物理指标之一,水的物理化学性质与水温密切相关。水温监测的快速方法中使用红外线、热敏电阻等传感器,从成本根效率方面来考虑,选用热敏电阻既可以节省成本又可以达到快速的效果。如日本YOKOGAWA公司生产的465Q21AE1水温传感器,它抗污染性强、测量精度高。1.2.2 流量测量污水的流量测量对整体环境的保护非常重要,某一个区域或河流能够承受一定浓度、一定总量排污量,在发达国家中主要控制污水或液体的排放量。流量的测量相对比较简单,有很多厂家生产流量测量仪。流量仪要全智能,无人职守自动工作,10个测量通道,输入量程为420
11、mA,对液体流速要求为0.0110 m/s,测量精度达到 2%。1.2.3pH值测量pH值,亦称氢离子浓度指数,是溶液中氢离子浓度的一种标度,也就是通常意义上溶液酸碱程度的衡量标准。pH的测定方法有指示剂法、氢电极法、氢醌电极法、锑电极法、玻璃电极法、比色法等。在自动监测仪器中通常采用国际标准法玻璃电极法,并带有温度补偿。但在连续在线监测时,如果水样中有氟化物,电极容易被腐蚀,此时可采用锑电极法,但要注意在不同的锑表面状态和样品条件下有时候会发生异常值。在整个pH监测过程中玻璃电极是非常重要的,比如美国BJ公司出品的E1312EC1M10ST型号的玻璃电极,它内阻低、干扰小,使用环状陶瓷孔,接
12、触面积大、不易阻塞陶瓷孔,可耐高污染。pH值测量系统如图2所示,其工作原理是:当玻璃薄膜介于两个具有不同pH值的溶液之间,横跨这个玻璃薄膜就差生一个电势差,而且此电势差与两个溶液的pH值之差成正比,经过信号放大,可输出05 V电压信号。图2pH值测量系统1.2.4 电导率测量通过电导率的测定,可以了解水中溶解性物质的量,虽然不能测出某种特定物质的含量,但可以知道溶于水中盐类的大致数量。因此,在水质监测中,电导率的测定是常规项目之一。测量电导率的传感器主要有两种:接触型和无电极型传感器。前者适用于测定比较干净的水质,而后者适用于测定污水,不易被污染,不易结垢。因此可以根据具体情况来选用不同类型的
13、传感器。一般水的电导率温度系数为1.4%2%,因此需要热敏电阻进行温度补偿。美国ROSEMOUNT公司的441型号的接触型电导率传感器性能和效果上都比较好。无电极电导率传感器上绕有一组线圈,一组为发送线圈,一组为接收线圈,当传感器置于液体中时,发送线圈通于交流电,接收线圈感应到的信号和被测液体的电导率成正比,美国哈希公司的3700E系列电导率传感器为典型的无电极电导率传感器。1.2.5 浊度测量浊度是表现水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度。目前主要的检测方法有散射光测定法、透过光测定法、透过-散射光测定法、表面散射测定 法 等。主 要 技 术 性 能 指 标:测 量 范 围0100NTU,
14、自动量程转换;精度 2%读数值或0.01NTU(量程040NTU),5%读数值(量程40100NTU);分辨率0.001NTU。目前世界上先进的浊度计均采用EPA认可的散射测浊法。比如美国BJ公司生产的TURB-2A浊度仪,它的工作原理是:当光线经过被测液体时,测控系统20081175电 子 测 试ELECTRON I C TEST一部分被液体吸收,一部分被悬浮物所反射,只要通过测量反射光就可以知道浊度。1.2.6 溶解氧测量如果水体受到有机物质污染时,在微生物的作用下,氧化这些有机污染物需要消耗水中溶解氧。当污染严重时,氧化作用进行较快,而水体又不能从空气中吸收充足的氧来补充氧的消耗时,就会
15、使DO降低,甚至为0。在这种情况下,厌氧细菌便繁殖并活动起来,发生厌氧分解,产生H2S、N2等气体,使水体发生臭味,影响环境,严重影响水体的感官质量。因此,DO的测定是衡量水体污染的一个重要指标。在线测定水中溶解氧目前采用的主要方法是利用电极式溶解氧测定仪 隔膜电极法。采用此法的典型仪器为WT W OXI296溶氧监测仪,它可实现输入,输出电气隔离;过压保护电路;两路可编程模拟电流输出,可代表DO,温度值;两组可编程继电器输出;具有RS485串行接口。1.2.7BOD测量生化需氧量(BOD)表示在有氧条件下,好氧微生物氧化分解单位体积水中有机物所消耗的游离态氧数量,常用单位为mg/L。它主要用
16、于监测水体中有机物的污染状况。一般有机物都可以被微生物所分解,但微生物分解水中的有机化合物时需要消耗氧,如果水中的溶解氧不足以供给微生物的需要,水体就处于污染状态。为了使检测资料有可比性,一般规定一个时间周期,在这段时间内,在一定温度下用水样培养微生物,并测定水中溶解氧消耗情况,一般采用5天时间,称为五日生化需氧量,记做BOD5。目前常用的连续测定生化需氧量的方法主要是库仑法。目前世界上利用库仑法制造的监测仪器监测的效果都非常出色。比如德国LAR公司研制的BOD监测仪,它仪器操作简单、使用方便、测量范围大、检测精度高、抗干扰能力强。1.2.8COD测量化学需氧量(COD)表示用化学氧化剂氧化单
17、位体积水所消耗的氧量,常用单位为mg/L。它是衡量水质被还原性物质污染程度的指标。从分析性能上讲,在线COD仪的测量范围一般在10(或30)2 000 mg/L,因此,目前在线COD仪器仅能满足污染源在线自动监测的需要,难以应用于地表水的自动监测。利用UV计法研制的监测仪器比较适合在线监测,如美国ROSEMOUNT公司生产的L43400COD监测仪。1.3 监控点的实现与设计现场监控系统主要由分布在各个监控点的监测仪器、现场控制平台、采水子系统以及相应的支持软件组成。不同监测仪器给出不同的信号,控制平台采集监测仪器的原始数据及图像信号,经过数字处理后,通过传输网络,把收集的信息发送到控制中心。
18、为了实现一个基于TCP/IP网络的嵌入式远程监控平台,本平台的系统结构如图3所示。图3 控制平台构架200811Test and Control System电 子 测 试ELECTRON IC TEST76 该平台可以通过网络(LAN/WAN)做远程实时监控,传输高质量的M-JPEG图片,每秒的传输率达25帧,支持2路/4路模拟视频摄像机,支持绝大多数云台控制协议,可以通过WEB浏览器同时对图像进行浏览、录像、回放和管理,具有28路模拟信号采集功能,具有最多8路电平输出,4路RS485串口,4路I/O输入口及4路I/O输出口,支持浏览器Microsoft IE、Netscape,可以暂存16
19、0幅图像。图3中,摄像机采用超低照度及日夜两用型数字摄像机,可通过RS485接口接收来自控制平台命令控制,控制命令为一系列的ASC码,可以调整摄像机的焦距和云台的转动。控制平台可以通过无线或有线Internet网络进行与中心服务器交换信息,允许有权限的用户通过Internet网络访问某个平台的现场图像及环境治理、环境定量参数。通过A/D转换器,外加可编程的电平转换电路来收集各种环境参数在线检测仪器的检测数据,而利用核心芯片ARM9EA具有的PWM及D/A转换器及I/O输出口,通过驱动电路来完成环境参数在线检测仪器采集动作的进行,I/O口的输入部分主要采集环境监测点的定性量的采集或采样保持器的动
20、作。1.4 监控中心系统监控中心系统由监控中心大厅、机房、服务器、网络设备、硬盘存储系统、平台软件及管理软件组成。监控中心具有动态监控功能,实时监控污染企业污染处理设备的运转情况和排污情况。监控中心管理软件系统包括在线监控数据管理和污染源综合管理2个子系统。本软件系统总共有7个主要模块,如图4所示。每一个模块都有其独立的功能,各个模块的主要作用与数据库的相关链接。图4 软件功能组成1.4.1 数据管理模块此模块主要是对数据的动态维护,包括污染源基本信息、日常监测数据和日常管理数据(排污收费、投诉处理等)、污水在线监测与手工监测数据以及集成重点污染源的在线监测数据。系统管理员通过管理数据菜单按照
21、用户所属的地区以及所属部门为条件,限制用户只能录入本地区的本人管理的数据。1.4.2 数据查询数据查询是系统的基本组成部分,也是一般用户使用频次最高的模块。数据查询的范围包括:数据管理中录入的各种数据以及按时间(月、季、年)、空间(行政区域)等进行统计的结果控点信息的预输入工作。数据查询结果的表现形式丰富多样,除了数字和文本外,还包括直观的图表、柱状图和直方图,用户可将查询的结果打印,也可以导出多种数据库格式(包括XML、FOXPRO、EXCEL、AC2CESS),以便供其他的业务采用。1.4.3GIS模块本模块主要涉及基础地理信息的查询、污染源数据的关联查询及监测数据的表达。该模块利用GIS
22、系统特有的空间表现能力直观地表现监测数据。可以在电子地图上选取一些监测源、污染源,动态地以各种图表方式(曲线图、饼图等)显示它们 测控系统20081177电 子 测 试ELECTRON I C TEST的监测数据、收费情况等。1.4.4 数据报表模块此模块根据业务的需要,可以按时间、空间等各种因素计算出相应的统计数据,并在此基础上进行分析和挖掘,结合业务人员专业的知识,为环境决策提供可靠的信息支持。本模块可实现按照时间(周、月、季、年)、空间(镇区、河段)、行业及污染源性质进行分类统计。1.4.5 数据发布管理员可以自行设定需要发布的内容和发布的时间,系统会自动在指定的时间内,通过多种方式,将
23、数据发布到管理员设定的目标,包括环保局内、外网的网站、传真机、电子邮件、FTP服务器、甚至用户的移动电话上。1.4.6 系统设置根据用户的权限,可以设置增加和修改常规监测的点位、监测项目等信息,以及与系统相关的信息,包括监测点位空间数据的编辑与管理,也含对行业标准的设定。1.4.7 用户管理采用分层管理和分区管理相结合的安全管理方式,使用户除了根据分配的权限获得相应的功能和访问控制能力之外,还可根据其所属的地区,获得相应的地区的污染源的监测数据权限。通过在线帮助菜单可以得到当前的功能的帮助说明,方便用户在使用中学习系统的功能。2 结束语通过整个监控系统运行情况来看,可以有效控制排污口水质参数、
24、排污量,提高了环保治理效果。通过现场图像的监测,可以有效查看生产企业污水处理情况,而引入网络技术,可以低成本、实时获取污染源的情况。目前,从世界范围来看,生产过程在线水质分析还存在着许多问题,而我国水质参数分析仪表的制造水平与国外相比,还有较大差距。因此,尽管近几年国内在水质参数的监控方面投了较多的资金,但水质参数在线分析仪多是进口产品。因此,积极探索水质参数快速、实时监控方法,不仅是市场竞争的需要,也是发展我国环保产业,推进我国环保事业的需要。参考文献 1 刘永强.用于环境监测的无线传感器网络节点设计J.电子测试,2007(11):49251.2 关沫.基于一个内核的嵌入式技术的研究与实现J
25、.计算机科学,2004(1):31234.3 齐敏.超声波流量计在莱钢水计量中的应用J.电子测试,2007(11):77279.4 宁方青,张世峰,张捍东.远程监控系统的数据传输技术J.华东冶金学院学报,1999,16(4):3382340.5 邱立萍.水质监测分析的系统问题J.交通环保,1999,20(3):17220.6 奚旦立,孙裕生.环境监测M.北京:高等教育出版社,2004.7 齐文启.环境监测新技术M.北京:化学工业出版社,2004.8 费学宁.现代水质监测分析技术M.北京:化学工业出版社,2004.作者简介 李森,副教授,中山职业技术学院,主要研究方向为嵌入式系统设计与应用。地址:广东省中山市博爱七路25号,中山职业技术学院职业技术研究所,528403。李迪,教授,博士生导师,现任华南理工大学机械工程学院光机电一体化研究所所长,现为全国工业自动化系统与集成标准化技术委员会委员、中国焊接学会计算机应用专业委员会委员,主要研究方向为嵌入式系统设计与应用。