一种基于GPRS和SMS的远程水质监测系统

摘要

本发明公开了一种基于GPRS和SMS的远程水质监测系统，涉及水质监测装置领域，主要包括下位机和上位机，在被检测水域设置有若干个下位机，对水质数据信息进行采集；上位机，对所有下位机进行统一管理，控制下位机的工作状态和接收下位机传输来的数据，并对数据进行汇总/分析及预警操作以及人机交互界面等功能；下位机利用SMS和GPRS网络与上位机进行无线数据传输，以实现对水域内各点水质实时监测的功能，上下位机之间通信是以SMS(短信)和GPRS网络为载体按照自定义的通信协议来传输数据，进而实现上位机对下位机采集的数据进行分析处理并对下位机进行统一管理，实时获取最新的水质数据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于GPRS和SMS的远程水质监测系统，主要涉及水质监测装置领域。

背景技术

当今的水质污染现象严重，工业化社会带来的环境水质污染事故层出不穷，单纯地采集样品回实验室分析已不能适应人们对环境监测的要求。现有的水质在线监测一般包括以下步骤：采集水样→水样预处理→抽取样品→分析仪器测试→保存结果，并按上述的流程以设定的周期采集新的水样进行循环检测。

通常需要监测的水域及其宽广，传统的人工监测无法费时费力。并且水质的好坏关系人们的生命健康，一旦某个地方的水质出现异常情况，需要快速及时相应，并且是网点式快速监测收集各点的数据，以便做出相应对策。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明提出了一种基于GPRS和SMS的远程水质监测系统，实现上位机对下位机采集的数据进行分析处理并对下位机进行统一管理，实时获取最新的水质数据。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

包括下位机和上位机，下位机，在被检测水域设置有若干个下位机，对水质数据信息进行采集；上位机，对所有下位机进行统一管理，控制下位机的工作状态和接收下位机传输来的数据，并对数据进行汇总、分析及预警操作以及人机交互界面等功能；下位机利用SMS和GPRS网络与上位机进行无线数据传输。

进一步，下位机的控制核心是单片机，其余功能模块包括了太阳能充电电路、锂电池充放电保护电路、电池升压和稳压电路、时钟电路、存储电路、SMS和GPRS模块电路和水质参数检测电路，所述水质参数检测电路包括PH测量电路、浊度传感器检测电路和温度传感器检测电路，采用锂电池给下位机供电并用太阳能电池对锂电池进行充电。下位机设计的工作环境是户外长期无人照看的工作环境。由于其户外性，供电采用锂电池给下位机供电并用太阳能电池对锂电池进行充电以保持长期工作。

进一步，下位机工作系统主要包括上电初始化、接收上位机信息、信息分析处理和定时数据采集。

进一步，下位机上电初始化流程如下叙述，上电后，下位机开始初始化片内、片外资源，再打开SMS和GPRS模块电路的电源，SMS和GPRS模块电路开始网络连接，正常打开SMS和GPRS模块电路后，会给上位机发送短信，报告下位机的工作状态并申请网络连接(准备上电数据采集准备)，发送成功后下位机进入待命状态。

进一步，所述接收上位机信息及分析处理过程：当数据到达下位机的时候，下位机判断收到的数据是短信还是GPRS网络数据，因为所有的数据均是由串口方式过来的，根据数据的特征和传输协议分析，可以得到到达的数据是什么类型，如果是短信则将短信中有用信息提取出来，根据收到的信息再来协调下位机的工作；如果是网络数据，则解码GPRS数据，根据提取出来的内容来操作下位机的工作状态。

进一步，所述上位机可以分为如下五大的功能模块：电脑对数据处理模块、硬/软件控制模块、网络管理模块、数据库管理模块和人机交互界面。

进一步，上位机对数据处理模块的程序是将SMS和GPRS发送到电脑的串行数据和Internet发来的网络数据进行分类采集，并对采集来的数据进行解码。将解码出来的命令或数据送至上位机控制模块程序。上位机控制模块的程序收到发来的数据了，分别控制相应的机构进行协同工作。

进一步，网络管理模块：上位机将若干下位机的ID和手机号码和该ID设备所在区域利用数据库统一管理，而下位机的IP和端口用动态配置文件来进行动态的管理。

进一步，数据库管理模块包括检测数据的数据库、设备管理的数据库和数据处理中间数据库三类，检测数据的数据库库里面记录了所有下位机发送至上位机的检测数据；设备管理数据库提供了所有可操作设备的设备信息(ID、电话号码、设备所在地)；而数据处理中间数据库则是存储了程序处理数据过程中从检测数据的数据库中提取出来的可操作数据。

本发明的技术原理及有益效果如下：采用一个上位机对应若干个下位机结合的方式，下位机进行数据采集，上位机对下位机采集的数据进行分析处理并对下位机进行统一管理，实时获取最新的水质数据。由于下位机设计在户外，电力保障等较为困难，因此通过在针对性的设计太阳能充电系统，保证下位机的持续供电。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的其中两幅，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的下位机结构框图；

图2为本发明实施例的上位机机构框图；

图3为本发明实施例的上位机上电初始化流程图；

图4为本发明实施例的下位机接收到上位机数据后的处理流程图；

图5为本发明实施例的下位机数据采集模式框图；

图6为本发明实施例的下位机串口的数据处理流程图；

图7为本发明实施例的电脑对数据处理模块、电脑对硬/软件控制模块工作流程图；

图8为本发明实施例的网络管理模块处理程序的流程图；

图9为本发明实施例的数据库管理程序处理的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的较佳实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本发明整个系统由上位机和下位机两个部分构成，下位机以STC12C5A60S2(宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机)为核心，外加SIM900A构成的GPRS模块电路(ATK-SIM900A模块是ALIENTEK推出的一款高性能工业级GSM/GPRS模块(开发板),接口丰富，功能完善，尤其适用于需要语言、短信、GPRS数据服务的各种领域)、AT24C512(ATMEL公司生产的64KB串行电可擦的可编程存储器)的EEPROM(电可擦可编程读写存储器--一种掉电后数据不丢失的存储芯片)存储电路、PCF8563(PHILIPS公司推出的一款工业级内含I2C总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片)的实时时钟电路、LM2577(升压电路)构成的3.7V升5V电路、太阳能与锂电池构成的电源电路、由复合玻璃pH电极、GE_TS型浊度传感器和DS18B20传感器构成一个水质监测的下位机平台。其功能部分主要由以下五部分构成：电脑对数据处理模块、电脑对硬/软件控制模块、网络管理模块、数据库管理模块和人机交互界面。上下位机之间通信是以SMS(短信)和GPRS网络为载体按照自定义的通信协议来传输数据。

下位机设计原理

如图1所示下位机设计的工作环境是户外长期无人照看的工作环境。由于其户外性，供电采用锂电池给下位机供电并用太阳能电池对锂电池进行充电以保持长期工作。上下位机的通信利用SMS(手机短信)和GPRS网络与上位机进行无线数据传输，并且要求下位机拥有一定的自我管理和自我故障排除的功能。下位机的控制核心是STC12C5A60S2单片机，其余功能模块包括了太阳能充电电路、锂电池充放电保护电路、电池升压与稳压电路、时钟电路、存储电路、GPRS和短信模块电路、PH测量电路、浊度传感器检测电路和温度传感器检测电路。PH测量电路、浊度传感器检测电路和温度传感器检测电路对数据进行采集，然后STC12C5A60S2单片机打包整理存储通过SMS(手机短信)和GPRS网络发送至上位机。

上位机设计原理

上位机利用电脑为硬件平台，另外设计一款水质监测软件来实现最多对65536个下位机进行统一的管理。

如图2所示，上位机的主要功能是控制下位机的工作状态、接收下位机传输来的数据，并对数据进行汇总/分析及预警操作以及人机交互界面等功能。其上位机可以分为如下五大的功能模块：电脑对数据处理模块、电脑对硬/软件控制模块、网络管理模块、数据库管理模块和人机交互界面。

下位机水质参数采样原理：

(1)PH值的测量

1)测量仪器采用了雷磁的pH复合玻璃电极E-201-C。它的测量方式采用了pH测量中常用的电位计法。电位计法是我国测定水质pH值的标准方法，它通常不受颜色、浊度、胶体物质以及氧化剂、还原剂的影响，适用于测定清洁水、受不同程度污染的地面水、工业废水的pH值。(具体的pH玻璃电极的测试方法和原理可参考相关文献)。

pH是表示溶液酸碱度的一种指标，其理论定义为：，表示溶液中氢离子的活度。在用玻璃电极测量pH值的时候，设“基准点”pHs为0，并且令当前所测电压等于Ex，已知标准pH试剂测试电压等于E0，当前所测pH等于pHx，则玻璃电极电位变化与被测溶液中的pH值呈线性关系：

注：

E：当前液体pH检测的电压值；

E0：标准参考pH检测电压值；

R：气体常数R＝8.314510J·mol-1·K-1；

T：华氏度T＝℃+273.15

F：法拉第常数F＝96487C/mol

2)PH值的实际测量函数图像如下：

上图是利用复合pH玻璃电极测试仪测试的三个标准试剂的pH值得结果并将其结果绘成函数图像

3)实际检测pH的计算公式：

根据上图的函数关系图像可以看出利用玻璃电极测量的pH值和测量电压呈二元一次方程，所以代入A、B、C三点的值得到实际测试pH的计算公式如下：

*注：

其斜率k为：-0.18；

y：当前液体的pH测量出来的电压值；

x：当前液体的实际pH值

(2)温度的测量

温度测量采用的是常用的DS18B20。其采集温度范围宽，采集速度快，有11位的有效精度，单总线方式，适应恶劣的采集环境。

DS18B20传感器的温度测量值在其内部的具体存储形式如下：

利用编程语言的思想可以将上表写成下列的公式：

例如：温度85寄存器存储的结果为0550H；温度0寄存器存储的结果为0000H；

温度为-55存储器存储的结果为FC90H

(2)浊度的测量

浊度是指水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度。水中的悬浮物一般是泥土、砂粒、微细的有机物和无机物、浮游生物、微生物和胶体物质等。水的浊度不仅与水中悬浮物质的含量有关，而且与它们的大小、形状及折射系数等有关。

本设计采用GE_TS型传感器来检测浊度，它是通过红外对管检测水的光通量，从而间接推算出水的浊度。其价格便宜，功能实现方便。

1)购买传感器资料上的浊度测量结果：

输出电压测试结果：

2)实验分析：从实验结果来看可以得出以下结论：

从实验结果的到如下结论：

1、所测浊度曲线并非线性；

2、从测量结果可以看出每次测试出来的数据有1％左右的误差。综上所述：如用单片机计算可以采用近似法来求解。将上面4个测试点有二元一次方程求解，并将参数取平均得到公式：

y＝-0.7275x+4.5475

整理得:

*注:

x:当前测量的浊度值；

y:当前浊度测量的实际电压值

3)浊度实际表达方式以百分比显示：

下位机主要功能实现原理

(1)下位机硬件系统设计

1)器件的选择

单片机的选择：下位机采用的是STC12C5A60S2单片机，其速度快，包含了1Kb的EEPROM、64K的ROM、1280bits的RAM、10位AD转换器、电源监控、60K的程序存储器空间(Flash)、2个UART等外设资源，性价比高。满足本设计需求。

实时时钟的选择：采用PCF8563实时时钟芯片为系统提供时钟基准。该芯片包含了实时时钟、闹钟、定时中断功能。

存储器的选择：数据存储使用了AT24C512的E2PROM芯片，拥有512Kb的存储容量，对于并不需要大量的数据存储的系统来说，完全满足要求。它与Flash相比，其优点是：读写操作简单，存储容量利用率高。

数据传输器件及电源的选择：数传采用SIM900A，该芯片性能强大(可充当一部手机基本功能)、工作可靠，控制方便(利用串口与外设通信)。由于工作环境的苛刻，设计采用了太阳能供电，且预留5V适配器电源输入。

2)下位机软件系统设计

下位机软件系统工作主要包括上电初始化、接收上位机信息及分析处理、定时数据采集等模块。

1)下位机上电初始化：

下位机初始化的流程如图3所示。上电后，下位机开始初始化片内、片外资源，再打开SIM900A的电源，再打开SIM900A的网络连接。正常打开SIM900A后，会给上位机发送短信，报告下位机的工作状态并申请网络连接(准备上电数据采集准备)。发送成功后下位机进入待命状态。

2)下位机接收到上位机数据后的处理过程：

其流程如图4所示。当数据到达下位机的时候，下位机判断收到的数据是短信还是GPRS网络数据，因为所有的数据均是由串口方式过来的，根据数据的特征和传输协议分析，可以得到到达的数据是什么类型。具体协议后面介绍。如果是短信则将短信中有用信息提取出来，根据收到的信息再来协调下位机的工作；如果是网络数据，则解码GPRS数据，根据提取出来的内容来操作下位机的工作状态。

3)下位机数据采集模式

其流程如图5所示。当定时采集时间到或上位机使能下位机数据采集，则进入到数据采集模式。进入采集模式后，首先利用传感器将pH、浊度、温度的参数采集出来在根据数据协议进行数据打包，数据打包后在读取下位机的现行状态如果网络连接正常则发送数据到上位机，如果异常者对SIM900A初始化，若初始化成功就把数据发送到上位机，否则将数据存储至数据存储器中待下次传输。下位存储数据容量按照一天采样5次可以存储约一年的数据。

(3)下位机与上位机的通信协议

在任何涉及到数据通信的场合，为便于数据的解码、数据的完整性、唯一性与安全性，都广泛的采用通信协议来规范数据传输。通信协议的指定的好坏决定了通信的质量和编程的效率。本设计的上位机采用如下通信协议与下位机通信。

1.下位机向电脑外设SIM900A发送短信(GSM)的通信协议

说明：(协议中每一格表示一个数据段(1Bits)，短信通信的时候每个数据段插入一个空格作为分割符)

数据长度：数据23个字节

通信类型00H：子检测设备向电脑外设发送数据

通信申请00H：0不申请发送数据，1申请发送数据。

SIM号码01H:如13668448733的编码为0x01、0x03、0x06…0x03、0x03。及将10进制转换为相应的十六进制

2.下位机向电脑GPRS网络数据的通信协议一(发送测量数据)

说明：(协议中每一格表示一个数据段(1Bits)，字节排序为从上到下从左到右依次排列)

数据长度：19个字节

ID(01H)：将2个字节的ID拆分为高字节和低字节，如：ID12345拆成30H和39H

数据值：将采集到的字数据拆成两个字节数据进行传输。

日期：将下位机的时间打包进行传输，如2014.4.52:30拆成0EH、04H、05H、02H、1EH

1.下位机向电脑GPRS网络数据的通信协议二(发送注册信息)

说明：（协议中每一格表示一个数据段(1Bits)，字节排序为从上到下从左到右依次排列)

数据长度：19个字节

ID(01H)：设备的设备号

ID值：将2个字节的ID拆分为高字节和低字节，如：ID12345拆成30H和39H通信申请：下位机是否申请接入上位机接入上位机(0x0101)、不接入上位(0x0000)

下位机核心算法概述

(1)下位机串口的数据处理

下位机拥有两个串口，串口1可以供电脑下载程序到下位机和配置下位机参数(下位机的SIM号码和ID号)、串口2用于和SIM900A通信。其传输的数据都是一些数据流，再从这些数据流中提取自己所需要的数据。

如图6所示，检查SIM900A向下位机发送一个完整的数据流的原理：SIM900A模块数据传输协议规定以0x0A，0x0D作为一个完整的数据流传输的结束符。所以根据协议可判定SIM900A是否传输过来的一个完整的数据流。当接收到一个数据流后在判断其数据类型。若数据为+CMTI:"SM",1○1表示短信到达，若收到上位机网络信号开始标志位则表示网络数据到达，否则为SIM900A给下位机传输其他的指令或参数。

(2)短信识别原理

当SIM900A收到短信的时候就会向上位机发送一串数据其形式如：+CMTI:"SM",1表示SIM900A收到一条短信存入在SIM卡上其短信号为1，所以向SIM900A发送AT+CMGR＝1来读取短信内容。

举例说明短信解码原理：

若上位机发送数字0和2，下位机收到短信的内容为30H30H33H30H30H30H33H32H。从收到的字节分析得一个数字有4个字节其用ASCII来表示则是0030H、0032H，其次0的ASCII码为30H2的ASCII码为32H，又因为本系统数据传输协议全为数字。所以当下位机收到短信后将连续的30H30H33H删除，再将剩下来的数据分别减去30H就得到了实际需要的数据了。

(3)GPRS数据识别原理

从上位机向下位机发送Internet数据时以0xff作为开始位，以0xfd为结束位。当串口2接收到0xff表示收到了网络数据，并以0xfd结束接收网络数据流。

上位机的设计

上位机主要功能实现原理

(1)电脑对数据处理模块、电脑对硬/软件控制模块。

如图7所示，电脑对数据处理模块的程序是将SIM900A发送到电脑的串行数据和Internet发来的网络数据进行分类采集，并对采集来的数据进行解码。将解码出来的命令或数据送至电脑控制模块程序。电脑控制模块的程序收到发来的数据了，分别控制相应的机构进行协同工作。

(2)网络管理模块

如图8所示，上位机具有多下位机管理能力，最高可达65536个下位机子设备，这些子设备都拥有自己的设备ID、手机号码和网络IP/网络端口，如何对这么多设备合理的管理呢？且相对于较固定的子设备的ID和手机号码来说，下位机映射到上位机的网络IP和端口都是有电信公司随机分配的。综合前面所述，上位机将子设备的ID和手机号码和该ID设备所在区域利用数据库统一管理，而下位机的IP和端口用动态配置文件来进行动态的管理。

(3)数据库管理程序

数据库是该程序最核心的部分，程序所有的运行都是基于数据库来完成的。设计中的数据库类型大体分为检测数据的数据库、设备管理的数据库和数据处理中间数据库三类。

如图9所示，检测数据的数据库库里面记录了所有下位机发送至上位机的检测数据；设备管理数据库提供了所有可操作设备的设备信息(ID、电话号码、设备所在地)；而数据处理中间数据库则是存储了程序处理数据过程中从检测数据的数据库中提取出来的可操作数据，设计中间库的目的是让程序所以对数据库的操作都不影响主数据库中的数据库中的内容，达到保护数据的目的，另外由于主数据库中的数据太对，这也加快数据处理的速度。

(4)人机界面的设计

人机交互界面提供了用户对采集的数据读取和分析的平台，提供了对所有子设备的统一管理和调度。在人机界面的设计中应尽量清晰合理的反映数据，且应尽量减少用户的操作，人性化的设计界面和科学的分布功能区，是在设计中最应该遵循的原则。

上位机和下位机的通信协议

(1)上位机向下位机的SIM900A发送短信(GSM)的通信协议(数据类型03H)

说明:(协议中每一格表示一个数据段,短信通信的时候每个数据段插入一个空格作为分割符)

通信类型03H：上位机向下位机的SIM900A发送短信(GSM)的通信协议

通信申请00H：0不申请发送数据，1申请发送数据

主机IP：如139.121.2.42端口为12345的数据拆分为

8BH30H30H30H79H30H30H30H02H30H30H30H2AH30H39H

SIM号码01H:如13668448733的编码为0x01、0x03、0x06…0x03、0x03。

及将10进制转换为相应

的十六进制

结束符：1AH

(2)上位机向下位机发送网络数据的通信协议(02H)

数据头：作为一帧数据的开始

数据类型(02H):上位机向下位机发送网络数据的通信协议

发送数据类型：

01H查询当前子检测系统的信息数据：01H

02H启动当前下位机查询一次数据数据：02H

03H获取下位机电量情况数据：03H

05H清空值检测系统的存储空间数据：05H

06H将子设备存储器中数据传送到上位机数据：06H

07H下位机检测定时模式设置数据：07H检测时间间隔一小时

数据：08H检测时间间隔六小时

数据：09H检测时间间隔十二小时

数据：0AH检测时间间隔

08H将上位机的时间发送至下位机完成时钟校验数据：上位机时钟

数据尾(FEH)作为一帧数据的结尾

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。