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1、 畢業(yè)設計(論文) 課題 基于物聯(lián)網技術的刷卡排污遠程監(jiān)測監(jiān)控——采樣子系統(tǒng)的設計 學 院 電子信息工程學院 專業(yè)（方向） 應用電子技術（通信）專業(yè) 班 級 xxxxxx 學 號 xxxxxxxxxx 姓 名 xxxxxxxxx 完成日期 2012年12月2日 指導教師 xxxxxxxxxx 基于物聯(lián)網技術的刷卡排污遠程監(jiān)測監(jiān)控采樣系統(tǒng)的設計 基于物聯(lián)網技術的刷卡排污遠程監(jiān)測監(jiān)控 ——采樣子系統(tǒng)的設計 摘 要 現(xiàn)在無論是工業(yè)、生活等，污染問題都在加

2、劇，而且環(huán)境污染問題又存在“全方面、全天候、全時制”的特點，在管理工作方面又是“點多、面廣、量大”。為了實現(xiàn)對污染源（COD、PH值、氨氮含量）等污水監(jiān)測因子的有效監(jiān)測、控制排放和樣本采集，我們采用了科學化、信息化、自動化的現(xiàn)代高科技手段，針對現(xiàn)場控制要求，研發(fā)了基于物聯(lián)網技術排污、采樣自動控制系統(tǒng)，來實現(xiàn)合理的排污收費及信息管理。實際運用表明，該系統(tǒng)精度高，運行穩(wěn)定，通過GPRS網絡上上位機和下位機的高效通信，實現(xiàn)了排污、采樣自動化控制，是我們倡導綠色環(huán)保物聯(lián)網的發(fā)展之一。 關鍵詞：環(huán)境污染 物聯(lián)網 GPRS 25 ABSTRACT No

3、w whether industry、life, pollution problems are on the rise, and environmental pollution problems are "all aspects, all-weather, full-time system" characteristics, in the management work is "point more、wide coverage and large quantity". In order to realize the pollution sources (COD、PH value、ammonia

4、 nitrogen content) sewage monitoring factor of the effective monitoring, control emissions and sample collection, we adopt the scientific, information, automation of modern high-tech means, in view of the field control requirements, developed based on content networking technology of pollution emiss

5、ion, sampling automatic control system, to realize the reasonable pollution charges and information management. The practical application shows that the system precision, stable operation, through the GPRS network on the upper machine and lower machine efficient communication and realize the automat

6、ic control of pollution emission, sampling, we advocate the development of green environmental protection one of things networking. Keywords :Environmental Pollution Web of Things GPRS 目錄 摘 要 I ABSTRACT II 目錄 III 1 引言 1 2 物聯(lián)網技術 2 2.1 物聯(lián)網的含義 2 2.2 物聯(lián)網的發(fā)展 2 2.3 物聯(lián)網的技術優(yōu)勢 3 3 系統(tǒng)組

7、成 4 3.1 排污系統(tǒng)總體結構 4 3.2 現(xiàn)場控器 5 3.3 數(shù)據(jù)采集器 5 3.4 中心平臺 5 3.5 系統(tǒng)參考標準 5 4 系統(tǒng)模塊劃分 6 4.1 刷卡控制模塊 6 4.2 賬戶管理模塊 6 4.3 用戶信息管理模塊 6 4.4 數(shù)據(jù)采集模塊 7 4.5 采樣子系統(tǒng)模塊 7 5 采樣子系統(tǒng)組成 7 5.1 采樣子系統(tǒng)工作過程 7 5.2 控制策略 9 5.2.1 自動采樣控制模式 9 5.2.2 遠程控制模式 10 6 采樣子系統(tǒng)的硬件電路設計 10 6.1 采樣子系統(tǒng)主要控制電路組成 10 6.1.1 步進電機 11 6.1.2 ULN2

8、003A驅動 14 6.1.3 小結 15 6.2 采樣子系統(tǒng)的功能器件介紹 15 6.2.1 DS1302時鐘芯片 15 6.2.2 蠕動泵 17 6.2.3 流量傳感器 18 6.2.4 DSl8B20 溫度傳感器 18 6.3 采樣子系統(tǒng)的智能控制執(zhí)行部件 21 7 采樣子系統(tǒng)的軟件環(huán)境 21 7.1 程序設計的語言選擇 21 7.2 軟件設計 22 7.3 主要軟件模塊介紹 22 7.4 數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議 23 7.4.1 RS323接口標準 23 7.4.2 通訊協(xié)議 23 8 總結 26 9 致謝 27 10、參考文獻 28

9、 1 引言 水是生命之源，是人類生活中不可缺少的資源。然而迄今為止，人類還未在除地球以外的其他星球上發(fā)現(xiàn)水源。而近年來，人們大量的生活用水，或工廠排放的廢水、污水等，都造成了嚴重的水體污染。 據(jù)統(tǒng)計，我國三江四河的污染問題各不相同，總的來說我國地表水資源質量現(xiàn)狀，符合《地面水環(huán)境質量標準》的Ⅰ、Ⅱ類標準只占32.2%（河段統(tǒng)計），符合Ⅲ類標準的占28.9%，屬于Ⅳ、Ⅴ類標準的占38.9%，如果將Ⅲ類標準也作為污染統(tǒng)計，那么就是說我國河流長度有67.8%已被污染，約占監(jiān)測河流長度的2/3。從這些數(shù)據(jù)上我們可以看出我國水污染情況的確十分嚴峻。比如最近幾年的湖南岳陽砷污染事件

10、、江蘇太湖藍藻事件等水污染事件，都給了我們一個嚴厲的教訓，我們必須及時采取有效措施要保護水資源。 本基于物聯(lián)網技術排污、采樣自動控制系統(tǒng)，對于強化水污染源監(jiān)督管理，提高環(huán)境監(jiān)管效能，促進達標排放和污染減排，進一步改善水環(huán)境質量有著重要意義 2 物聯(lián)網技術 2.1 物聯(lián)網的含義 物聯(lián)網當今高新科技時代應運而生的新一代信息技術，英文名“The Internet of things”。顧名思義，也就是說物聯(lián)網就是“物物相連的互聯(lián)網”。細看呢，物聯(lián)網的真正含義是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網相連接，進行信息交換和

11、通信，以實現(xiàn)對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。 2.2 物聯(lián)網的發(fā)展 聯(lián)網(Internet of Things)這個名詞，國內外普遍公認的是MIT Auto-ID中心Ashton教授1999年在研究RFID時最早提出來的。在2005年國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布的同名報告中，物聯(lián)網的定義和范圍已經發(fā)生了變化，覆蓋范圍有了較大的拓展，不再只是指基于RFID技術的物聯(lián)網。到2009年8月份溫總理提了“感知中國”這個理念后,物聯(lián)網被正式列為國家五大新興戰(zhàn)略性產業(yè)之一，寫入“政府工作報告”。于是，物聯(lián)網在中國受到了全社會極大的關注。那么總的來說物聯(lián)網是1999年誕生，到2005

12、年普及，2009年進入中國社會的世界觀。因此，我們說現(xiàn)在的物聯(lián)網是“中國制造”的世界化大概念，它在中國已經開始扎根、發(fā)展，它的覆蓋范圍與時俱進，已經超越了1999年Ashton教授和2005年ITU報告所指的范圍，物聯(lián)網已被貼上“中國式”標簽。 從技術層面來講，縱觀信息技術的發(fā)展過程，物聯(lián)網是繼個人計算機、互聯(lián)網及移動通信網絡之后的全球信息化的第三次浪潮（如圖2.1所示：），它的成長來源于傳感網、互聯(lián)網（移動通信）、云計算，以及智能信息處理等信息技術的發(fā)展，還有應用需求和供給創(chuàng)新的雙輪驅動。這些都是技術革新給物聯(lián)網帶來的實質性優(yōu)惠。 圖2.1 信息技術的發(fā)展 2.3 物聯(lián)網的

13、技術優(yōu)勢及應用 “全面感知” 此特點具體體現(xiàn)在物聯(lián)網技術是利用傳感器、射頻識別（RFID）、二維碼、全球定位系統(tǒng)GPS、攝像頭等感知儀器設備對商品、動植物等各種客觀存在、可測量的物理實體所處位置、環(huán)境、狀態(tài)進行實時、精細感知。 “無縫互聯(lián)” 此特點是指現(xiàn)在所有物品能夠通過移動通信網絡、互聯(lián)網連接在一起，物聯(lián)網能更好地合理運用這層關系，使得客觀事物彼此之間的協(xié)作和互動更為精準、密切。 “高度智能” 這個就體現(xiàn)在由于物與物之間存在著內在的本質聯(lián)系，因此物聯(lián)網能實現(xiàn)對生產、管理和消費過程智能化的優(yōu)化決策與高效實施。 回歸本設計，我們運用物聯(lián)網進行上位機和下位機之間的通信，就是瞄準了物聯(lián)

14、網的這三大優(yōu)勢。運用物與物之間的聯(lián)系，實現(xiàn)現(xiàn)場控制的高度智能，而這種高度智能化的控制，被廣泛的應用于各種行業(yè)中，如智能建筑、智能醫(yī)療、智能物流、智能交通等等。 3 系統(tǒng)組成 3.1 排污系統(tǒng)總體結構 本設計主要是由中心平臺、有線無線網絡和現(xiàn)場控制器三大部分組成的。中心平臺的硬件包括通信服務器、web服務器、網絡交換機等；軟件平臺采用 Windows XP，支持 GIS；數(shù)據(jù)庫采用 SQL Server 2000；web服務器軟件開發(fā)語言選用C#，前端通訊服務器軟件選用C++；通訊協(xié)議采用 TCP/IP，HJ/212-2005（污染源在線自動監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標準。）現(xiàn)場控制器主要是

15、實現(xiàn)對現(xiàn)場污水的流量、COD信息，PH值和氨氮等污染物含量等數(shù)值的采集，通過有線或無線網絡與中心平臺軟件進行數(shù)據(jù)交換，并實現(xiàn)污水閥門的自動控制。 結合上述內容，基于物聯(lián)網技術的排污自動控制系統(tǒng)的總體結構如圖3.1所示： 圖3.1 系統(tǒng)總體結構 3.2 現(xiàn)場控器 現(xiàn)場控制器主要是有硬件部分構成，它涵蓋了排污過程中采集留樣的模塊，整個流程通過上位機的信息更新處理下達數(shù)據(jù)采集器發(fā)出的開關命令后，單片機就驅動步進電機進行選擇容器，和抽水操作。樣本的采取自動采取方便了我們隊污水監(jiān)測、排放的實施，整個過程了大大提升了監(jiān)測過程的智能化程度。 3.3 數(shù)據(jù)采集器 數(shù)據(jù)采集傳輸部分主要具有對環(huán)境

16、監(jiān)測因子（COD、PH值和氨氮含量等）以及流量，流速的集成采集、存儲和通訊功能。我們的數(shù)據(jù)信息通過串口，運用TIP/CP協(xié)議和上位機進行傳輸，在上位機的存儲單元進行信息存儲。 3.4 中心平臺 我們的中心平臺主要有刷卡器和計算機構成，刷卡器主要負責的是讀取卡里面的信息，通過串口將信息交由計算機進行管理。其中涉及了通信軟件，監(jiān)控軟件，刷卡軟件和數(shù)據(jù)庫技術。 3.5系統(tǒng)參考標準 針對排污系統(tǒng)的特殊性，確保系統(tǒng)的開放性、可擴展性和靈活性，在設計中參照了以下標準： GB/T13729-92 遠動終端通用技術條件 GB/T13730-92 地區(qū)電網數(shù)據(jù)

17、采集與監(jiān)控系統(tǒng)通用技術條件 GB2423-92 電工電子產品基本環(huán)境試驗規(guī)程 GB/T13926.4-92 工業(yè)過程測量和控制裝置的電磁兼容性 DL/T686-1999 電力網電能損耗計算導則 GB8566-88 計算機軟件開發(fā)規(guī)范 GB8567-88 計算機軟件產品開發(fā)文件編制指南 DL476-92 電力系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)通信應用層協(xié)議 4系統(tǒng)模塊劃分 整個排污系統(tǒng)我們總共將其分為了五個模塊：（中心平臺）刷卡控制模塊；賬戶管理模塊；用戶信息管理模塊；數(shù)據(jù)采集模

18、塊；采樣子系統(tǒng)模塊。這五個模塊通過物聯(lián)網進行信息交換，實現(xiàn)通信。 4.1 刷卡控制模塊 刷卡控制模塊主要由 FM1702SL 射 頻讀寫器、天線與 IC 卡組成， FM1702SL是 采 用 0.6 μm COMS EEPROM工藝，支持 13.56MHz頻率下 LTYPEA 非接觸式通信協(xié)議，支持多種加密的算法，兼容飛利浦的 MF（SPI 接口）讀卡芯片。在系統(tǒng)中，采用射頻 IC 卡由中心平臺進行充值處理，可隨時到現(xiàn)場刷卡，實現(xiàn)排污的預付費。 4.2 賬戶管理模塊 賬戶管理模塊屬于上位機部分，它的主要功能就是將刷卡模塊傳輸過來的信息經行處理，根據(jù)用戶指令，對卡上金額進行充值

19、和扣費處理，并將信息送入數(shù)據(jù)庫，讓數(shù)據(jù)庫進行整合，保存。 4.3 用戶信息管理模塊 此模塊主要是有數(shù)據(jù)庫組成，通過對數(shù)據(jù)庫的使用，實現(xiàn)對用戶賬戶，排污信息的高效智能化的管理。并且伴有實時更新的功能，和定向選取的功能，能夠方便用戶及時查看排污信息。 4.4 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊主要具有對環(huán)境監(jiān)測因子（COD、PH值和氨氮含量等）以及流量，流速的集成采集、存儲和通訊功能。并能將數(shù)據(jù)信息通過串口，運用TIP/CP協(xié)議和上位機進行傳輸，在上位機的存儲單元進行信息存儲。 4.5 采樣子系統(tǒng)模塊 采樣子系統(tǒng)主要負責的是接受數(shù)據(jù)采集器發(fā)出的開關命令，現(xiàn)場控制采樣過程。當接收到上位機發(fā)來的開

20、關命令后，單片機就驅動步進電機進行精確定位，選擇容器后便驅動步進電機伴隨蠕動泵開始抽水，并不斷與檢測儀互通信息。把系統(tǒng)記錄的采樣情況，采樣時間和監(jiān)測因子的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)返回給上位機，方便了上位機的數(shù)據(jù)更新和管理。 本小組主要負責的就是對污水進行采樣的模塊，本人主要負責的是模塊單片機控制程序的編寫和調試工作，下面是采樣檢測模塊的詳細介紹。 5 采樣子系統(tǒng)組成 5.1 采樣子系統(tǒng)工作過程 如圖5.1所示： 圖5.1 采樣過程圖 根據(jù)采樣子系統(tǒng)的工作過程圖，總的概括了采樣子系統(tǒng)包含以下功能： 1、系統(tǒng)具有遠程控制的通訊功能，采用標準的RS232接口，自動實現(xiàn)遠程控制采樣、

21、遠程修改參數(shù)、遠程獲取采樣記錄等功能。 2、 系統(tǒng)具有多種模式取樣功能，能實現(xiàn)瞬時單樣、瞬時多樣、時間等比單樣、時間等比多樣、流量等比單樣、流量等比多樣、比對采樣等多種采樣模式下的操作。 3、 系統(tǒng)具有樣品恒溫保存功能，當樣品采集后，在溫度控制系統(tǒng)控制下，能實現(xiàn)對樣品的恒溫保存。 4、系統(tǒng)具有采樣記錄功能，能夠高效、智能地記錄每次采樣的采樣時間、采樣量、采樣模式、采樣的指定瓶號等信息。最多可存貯200條記錄 5、 系統(tǒng)具有斷電保護功能，當發(fā)生意外斷電且再度上電情況時，水質自動采樣器能恢復掉電前的狀態(tài)，所設定的參數(shù)不變，并能繼續(xù)完成后續(xù)采樣。

22、 6、 系統(tǒng)具有故障、自診斷功能，具有故障報警、顯示與自診斷功能，有自動保護功能，能對故障自動上報。 7、 系統(tǒng)具有管路自動清洗、廢液回流的功能，還具備水樣正沖洗、反沖洗功能，能自動排出儀器內殘留的水樣，自動清洗采樣管路。 5.2 控制策略 5.2.1 自動采樣控制模式 在采樣器的定義中，采樣模式有多種多樣，具體可分為遙控自動采樣、現(xiàn)場自動采樣，瞬時單樣、瞬時多樣、時間等比單樣、時間等比多樣、流量等比單樣、流量等比多樣、比對采樣，平行采樣、固定采樣等等。通過選擇適宜的采樣模式，規(guī)定采樣時間，采樣間隔，采樣周期等等，在我們所研究的此系統(tǒng)中，我們運用到的是流量等比單樣模式。此模式的運行是

23、按廢水的瞬時排放量的一定比例（如：千分之一，萬分之一）來確定單次采樣量，按一定間隔時間連續(xù)多次采集，從而使得各個時間段的樣品組成一個綜合標本。這樣的采樣模式有利于對污水整體的狀況作解釋，具有全局性。這種模式在實際運用中適合排污量波動較大的排污單位的總量監(jiān)測、收費監(jiān)測等。 如圖5.2所示， 圖5.2 流量等比模式的運用 在子系統(tǒng)中，由數(shù)據(jù)采集模塊向現(xiàn)場采集器發(fā)出采樣命令，現(xiàn)場采集器接收到采集命令就返回信息，進行流量詢問，流量詢問。然后數(shù)據(jù)采集模塊再次向現(xiàn)場采集器發(fā)送具體命令，現(xiàn)場采集器接受命令后就開始工作，按照協(xié)議要求，將樣本注入指定的采樣瓶中，并記錄采樣信息。 5.2.2 遠程在控制模

24、式 在采樣子系統(tǒng)的工作過程圖中，有接收采樣命令的過程，這個過程專業(yè)地講也就是系統(tǒng)遠程遙控的過程，這也是本系統(tǒng)的特點。在本系統(tǒng)中我們采用物聯(lián)網進行模塊間的通信。監(jiān)控中心通過GMS/GPRS發(fā)送采樣數(shù)據(jù)命令，通過無線數(shù)據(jù)采集傳輸裝置將指令傳輸給采樣模塊中的控制器（主控電路），使得采樣操作得以運行。這就是系統(tǒng)遠程遙控的過程。 6 采樣子系統(tǒng)的硬件電路設計 本模塊形象化地可以說是一個自動采樣器，從硬件電路的角度來說，它是在單片機的控制下，采用步進電機配合蠕動泵將水樣采入儀器，通過樣本分配系統(tǒng)將水樣送入指定的采樣瓶中，所采集的水樣通過恒溫系統(tǒng)溫度恒定在4℃，從而完成水樣的自動采集、自動分配和恒溫保

25、存過程的器件。硬件聯(lián)系框圖如圖6.1所示。 圖6.1 硬件聯(lián)系框圖 6.1 采樣子系統(tǒng)主要控制電路組成 本模塊的主要硬件控制電路使用到的器件有STC89C52RC單片機，步進電機，和ULN2003驅動芯片。 主電路的電路連接關系如圖6.2所示： 圖6.2 采樣子系統(tǒng)主控電路圖 6.1.1 步進電機 步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（及步進角）。因此，我們可以通過控制脈沖的個數(shù)來控制電機角位移量，從而達到準確定位的目的

26、。 本設計使用的是減速步進電機28BYJ-48，原理如圖6.3所示： 圖6.3 28BYJ-48步進電機 步進電機28BYJ48型為四相八拍電機，正常工作電壓為DC5V—DC12V。當對步進電機施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉動。每一個脈沖信號都與步進電機的某一相相對應或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，如此，也就對應轉子轉過一定的角度（一個步距角）。當通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉子轉過一個齒距。 1、拍數(shù) 拍數(shù)的意思是指完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或導電狀態(tài)用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需要的脈沖個數(shù)。以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC

27、-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。 2、步距角 步距角對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用θ表示。八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。以基本步距角1.8的步進電機為例（現(xiàn)在市場上常規(guī)的二、四相混合式步進電機基本步距角都是1.8），四相八拍運行方式下，每接收一個脈沖信號，轉過0.9，在這種情況下，我們可以計算每秒鐘接收400個脈沖，那么轉速為每秒400*0.9=360，相當與每秒鐘轉一圈，每分鐘60轉。 其主要技術參數(shù)如表6.1所示： 電機型號 電壓 V 相數(shù) 相電阻 Ω 10% 步

28、距角度 起動轉矩 100p.p.sg.cm 28BYJ-48 5 4 300 5.635/64 ≥300 啟動頻率 p.p.s 定位轉矩 g.cm 摩擦轉矩 g.cm 噪聲 dB 絕緣介電強度 減速比 ≥550 300 ---- ≤35 600VAC1S 1:64 6.1.2 ULM2003A驅動 由于單片機的接口信號不夠大，所以我們必須在單片機接口外加一塊驅動芯片。本設計使用的是ULN2003A驅動芯片。 我們的步進電機的紅線接電源5V，橙色電線接P1.3口，黃色電線接P1.2口，粉色電線接P1.1口，藍色接P1.0口。驅動方

29、式如表6.2所示。 表6.2 驅動方式對照表 導線顏色 1 2 3 4 5 6 7 8 5紅 + + + + + + + + 4橙 _ _ 3黃 _ _ _ 2粉 _ _ _ 1藍 _ _ _ 單片機端口信號通過ULN2003放大再連接到相應的電機接口，相應的電路連接關系如圖6.4所示： 圖6.4 驅動的連接方式 6.1.3 小結 總的來說，步進電機的中間部分是轉子，由一個永磁體組成，邊

30、上的是定子繞組。當定子的一個繞組通電時，則會產生一個方向的電磁場，如果這個磁場的方向和轉子磁場方向不在同一條直線上，那么定子和轉子的磁場將產生一個扭力將定子扭轉。同理，當依次改變繞組的磁場時，就可以使步進電機正轉或反轉(比如通電次序為A->B->C->D正轉，反之則反轉)。而改變磁場切換的時間間隔，就可以控制步進電機的速度了，這就是步進電機的驅動原理。 6.2 采樣子系統(tǒng)的功能器件介紹 6.2.1 DS1302時鐘芯片 DS1302是DALLAS公司推出的一款涓流充電時鐘芯片，其內部含有一個實時時鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，可以通過串行接口實現(xiàn)與單片機之間的通信。實時的時鐘/日歷電路提

31、供秒、分、時、日、星期、月、年的信息，每個月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調整，在時鐘操作中，可通過AM/PM標志位決定到底采用24還是12小時的時間格式。 1、芯片的結構 表6.3 DS1302芯引腳介紹 DS1302的外部引腳功能說明如表6.3所示： X1，X2 32.768kHz晶振引腳 GND 地 RST 復位 I/O 數(shù)據(jù)輸入/輸出 SCLK 串行時鐘 VCC1 電池引腳 VCC2 主電源引腳 DS1302的內部結構主要由移位寄存器、控制邏輯、振蕩器、實時時鐘以及RAM組成。 如圖6.5所示： 圖6.5 DS1302芯片內部結構

32、 2、DS1302在模塊中的運用 采樣模塊具有信息記錄的功能，其中采樣時間的實時顯示和記錄，就用到時鐘芯片，還有在采樣的時候，我們需要設定采樣時間間隔，這個時間就有時鐘芯片來提供。這樣可以方便樣本的實時提取，和對采樣時間的記錄。 6.2.2 蠕動泵 1、蠕動泵的工作原理 如圖6.6所示： 圖6.6 蠕動泵工作原理 蠕動泵很形象的可以比喻成用手指夾擠壓一根充滿流體的軟管，當我們的手指擠壓軟管不斷向前滑動時就可以驅動軟管內流體向前移動。蠕動泵的實際工作原理也是如此，它的滾輪就像我們的手指，不斷擠壓流體。蠕動泵通過對泵的彈性輸送軟管交替進行擠壓和釋放來實現(xiàn)對流體的輸送。在

33、泵內，隨著滾輪的移動，管內形成負壓，液體隨之開始流動。 2、蠕動泵在模塊中的運用 本模塊中主要使用蠕動泵來完成抽水的工作，當模塊接收到數(shù)據(jù)采集模塊的采樣命令時，便開始工作。蠕動泵在步進電機的帶動下開始轉動滾輪，通過滾輪對流體的擠壓進行抽水操作，而且可以通過控制步進電機的正轉和反轉來控制蠕動泵滾輪的正反轉，這樣也就可以實現(xiàn)對污水的正抽水和反抽水操作。 6.2.3 流量傳感器 1、流量傳感器的工作原理 在本系統(tǒng)中，我們是使用的超聲波流量傳感器。此儀器主要是由超聲波換能器、電子線路和流量顯示以及累積系統(tǒng)這幾個部分組成。超聲波發(fā)射換能器主要的是完成將電能轉換成超聲波的

34、器件，并將其發(fā)射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號，經電子線路放大并轉換為代表流量值的電信號供給顯示和積算儀表進行數(shù)值處理。那么通過這個過程，我們就可以完成對污水采集的具體流量進行計算、監(jiān)測。 2、超聲波流量傳感器在采樣子系統(tǒng)中的運用 在本系統(tǒng)中，超聲波流量傳感器主要是安裝在污水輸送管道出水口上部，當采樣模塊接收到數(shù)據(jù)采集器的采樣命令后，開始采樣。超聲波流量傳感器主要的工作就是感應是否有污水流過輸水管，如果檢測到油污水流過，就開始記流量，如果沒有，就等待工作。 6.2.4 DSl8B20 溫度傳感器 1、單線數(shù)字溫度計 DSl8B20 介紹 如圖6.7所示：

35、圖6.7 DS18B20圖 DS18B20數(shù)字溫度傳感器本身提供了9位(二進制)溫度讀數(shù)，來指示器件的溫度。在此之間，信息經過單線接口送入DS18B20或從DS18B20送出，因此從主機 CPU 到DS18B20僅需一條線(和地線)。元件的電源可以由數(shù)據(jù)線本身直接提供而不需要外接電源。它的的測量范圍從-55℃到+125℃增量值為0.5℃可在 l s(典型值)內把溫度變換成數(shù)字。 2、溫度計算 DS18B20用9個位來存貯溫值度，最高位為符號位，元件的溫度存儲方式如表4所示： 負溫度S=1，正溫度 S=0 例如：00AAH 為+85，0032H 為25℃

36、，F(xiàn)F92H 為-55℃ 表6.4 9位溫度存儲方式 LS Byte： Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit7 MS Byte： Bit15 Bit14 Bit13 Bit12 Bit11 Bit10 Bit9 Bit8 S S S S S S S S DS18B20用12個位來存貯溫值度，最高位為符號位，元件的溫度存儲方式如表5所示： 負溫

37、度S=1，正溫度 S=0 例如：0550H 為+85，0191H 為 25.0625℃，F(xiàn)C90H 為-55℃ 表6.5 12為溫度存儲方式 LS Byte： Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit7 MS Byte： Bit15 Bit14 Bit13 Bit12 Bit11 Bit10 Bit9 Bit8 S S S S S 3、DS1

38、8B20在采樣子系統(tǒng)中的運用 采樣模塊具有低溫保存樣本的功能，防止某些樣本在常溫或高溫狀態(tài)下腐敗變質，不利于樣本監(jiān)測因子真實情況的反映，所以在采樣模塊的采樣瓶分布處，設有低溫控制裝置，DS18B20傳感在保溫箱中起到對溫度檢測的作用，方便系統(tǒng)對樣本保存溫度的控制操作。在實際工作中，DS18B20傳感器與繼電器相連，繼電器主要用來控制低溫控制裝置電源的開合，當溫度大于樣本保存適宜值時，傳感器就給繼電器傳送啟動信號，使得繼電器吸合通電，啟動低溫控制裝置，形象的說就像冰箱的制冷過程，當溫度降至樣本保存溫度適宜值時，傳感器發(fā)送斷開信號，使得繼電器與電源斷開鏈接，讓低溫控制裝置停止繼續(xù)降溫。這就是DS

39、18B20在采樣子系統(tǒng)中的作用。 6.3 采樣子系統(tǒng)的智能控制執(zhí)行部件 執(zhí)行部件主要由步進電機、分配懸臂、采樣瓶等組成。本設計設置了0～7號8個采樣瓶，有1號步進電機控制縱向臂桿，由2號步進電機控制橫向臂桿，橫向臂桿控制污水輸送管與瓶口對位。等對位成功后，步進電機就開始帶動蠕動泵抽水，當采樣瓶中水量達到規(guī)定值時，縱向臂桿控制將橫向臂桿旋轉45繼續(xù)按找操作要求進行抽水操作。在每次重啟系統(tǒng)后，橫向臂桿自動復位，回到0號瓶口。 簡圖如圖6.8所示： 污水輸送管 圖6.8 智能執(zhí)行部件 7 采樣子系統(tǒng)的軟件環(huán)境 7.1 程序設計的語言選擇 本模塊的軟件環(huán)境主要是選擇

40、了C語言進行編寫。相對于單片機匯編語言，C語言是一種編譯型程序設計語言，它不但兼有多種高級語言的特點，而且也兼有匯編語言的功能。還有，C語言具有功能豐富的庫函數(shù)、運算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，而且可以直接實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制。C語言它又是一種結構化程序設計語言，它支持當前程序設計中廣泛采用的由頂向下結構化程序設計技術。此外，C語言程序還具有完善的模塊程序結構，從而為軟件開發(fā)中采用模塊化程序設計方法提供了有力的保障。所以，在當今單片機程序設計中，C語言已逐漸成為軟件開發(fā)的一個主流。 總的來說，使用C語言來編寫目標系統(tǒng)軟件，會大大縮短開發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進和擴充

41、，從而研制出規(guī)模更大、性能更完備的目標系統(tǒng)。 7.2 軟件設計 軟件設計流程如圖7.1所示： 圖7.1 軟件設計流程圖 7.3 主要軟件模塊介紹 本模塊程序主要完成功能是驅動兩個步進電機按要求進行運轉。下面所示程序為整個程序的一部分： void ZHUAN_FFW(uint m) { uint i,j; for(i=0;i<64*m;i++) { for(j=0;j<8;j++) { P0=FFW[j]; if(CK==1) break; delay(); } } }

42、 電機正轉子函數(shù)，采用八拍的驅動方式，所以就j<8；步距角是5.625，減速比是1:64，所以i<64*m，當m=1時，轉45度。 7.4 數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議 7.4.1 RS323接口標準 儀器采用被動的方式，上位機計算機采用主動的方式。 通訊波特率為：4800bps，數(shù)據(jù)幀格式為1位起始位、8位數(shù)據(jù)、 1位停止位、無檢驗為。 7.4.2 通訊協(xié)議 1、命令格式：（采樣模式控制命令）S A BB CC D 命令說明： S：為采樣開始字符，為ASCII碼53H。 A：為采樣模式，ASCII碼（HEX形式表示），有四種工作模式。

43、 A=1，瞬時采樣工作模式； A=2，時間等比工作模式； A=3，流量等比采樣； A=4，比對采樣； BB：在瞬時采樣模式下，為采樣周期；在時間等比、流量等比 模式下為采樣間隔時間。 CC：采樣瓶號的設定： 設定采樣模式0,1,2中的指定瓶號，用HEX碼形式表示， HEX碼由二進制組成，其定義如下： BIT ： 7 6 5 4 3 2 1 0 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1

44、 0/1 0/1 BIT6--BIT1：對應6--1號瓶是否要取樣，BIT0為保留位。 BIT7：BIT7=1為除了進行指定模式1,2,3,4中對指定的瓶號取樣 外，還需要進行固定溶劑抽樣，即在取1號瓶的同時，以 同樣的方式采取平行樣存放入7號瓶中。BIT7=0不進行固 定溶劑的抽樣，只3執(zhí)行指定模式中瓶號的抽樣。 例如：CC=1EH（00011110），此時的取樣瓶號為：1,2,3,4號瓶。 D：單次取樣量： 即采樣一次向瓶中加入的量。ASCII碼（HEX形式表示），假設瓶子的容量為400ml，單次采樣量大致定義如下：

45、 D=1，20ml，此時要將一個采樣瓶采集滿，則需要采樣20次； D=2，40ml，此時要將一個采樣瓶采集滿，則需要采樣10次； D=3，80ml，此時要將一個采樣瓶采集滿，則需要采樣5次； D=4，100ml，此時要將一個采樣瓶采集滿，則需要采樣4次； D=5，200ml，此時要將一個采樣瓶采集滿，則需要采樣2次； D=6，400ml，此時要將一個采樣瓶采集滿，則需要采樣1次； 2、命令格式：（采樣周期設置命令）P XX YY ZZ 命令說明： P：為采樣開始字符，為ASCII碼 50H XX：為時段采樣周期，單

46、位：分鐘。ASCII碼（HEX形 式表示）。調節(jié)范圍：01--240分鐘，HEX范圍為： 01H--F0H。 YY：為流量采樣周期，單位：分鐘。ASCII碼（HEX形 式表示）。調節(jié)范圍：01--240分鐘，HEX范圍為： 01H--F0H。 ZZ：為保留字，將其定義為00H。 命令的應答信號： 如果在遠程取樣模式下，則接受正確后返回1AH； 如果不是在遠程取樣模式下，則接受正確后返回ABH； 如果在遠程取樣模式下并且取樣瓶已滿，則返回AAH；

47、如果在遠程取樣模式下并且正處于采樣狀態(tài)下，則返回ACH； 3 、命令格式：（采樣器狀態(tài)讀取命令）02H S （53H）03H 命令說明：02H為包頭，S為STATE的縮寫，ASCII碼為53H， 03H為包尾 命令信息返回格式：A B C DDDDDD E （10個字節(jié)） 信息返回格式含義： A：采樣器工作模式，=0，為遠程模式；=1，為現(xiàn)場模 式； B：采樣器采樣模式，=1，瞬時采樣工作模式；=2，時 間等比工作模式

48、；=3，流量等比采樣模式；=4，比對 采樣模式。 C：固定取樣標識，=0，不固定取樣；=1，固定取樣。 DDDDDD：分別表示0--5號瓶的狀態(tài)，=0，表示未滿；=1，表 示已滿。 E：采樣器的工作狀態(tài)，=0，采樣器處于等待狀態(tài)，=1， 采樣器處于工作狀態(tài)。 例如：回歸設計中，我們采用的是流量等比采樣，那么 如果返回信息為：0 3 1 0111011，表示的含義是采樣器是采用的遠程流量等比工作模式，進行固定劑取樣，此時采樣器正處于工作狀態(tài)，瓶1號

49、，2號，3號，5號，7號瓶已滿 。 8 總結 本系統(tǒng)建立的目的是通過對重點污染源排放狀態(tài)的自動監(jiān)控，及時、準確、全面地反映水污染現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，為環(huán)境管理、污染源控制、環(huán)境規(guī)劃、環(huán)境評價提供客觀的科學依據(jù)。因此，我們整個排污系統(tǒng)由刷卡控制模塊；賬戶管理模塊；用戶信息管理模塊；數(shù)據(jù)采集模塊；采集留樣模塊五大模塊構成，采用了計算機、通訊和自動化領域最新的產品和技術，從而構建新一代排污自動控制系統(tǒng)。 通過對本方案系統(tǒng)的實施，可改變傳統(tǒng)的排污系統(tǒng)的單一性，變得多樣、高效。而且數(shù)據(jù)庫的管理和新型的物聯(lián)網通信，大大提升了在線監(jiān)控系統(tǒng)的開放性，進一步加強了系統(tǒng)自動化處理能力，并擴展了數(shù)據(jù)監(jiān)控平

50、臺的功能；構建成了集污染源排放現(xiàn)場數(shù)據(jù)和治污設施運行情況監(jiān)控、數(shù)據(jù)自動化與智能化分析處理、可視化表現(xiàn)和指揮調度為一體的污染源遠程監(jiān)控平臺，并實現(xiàn)了環(huán)境事件處理應急指揮調度的現(xiàn)代化。 該系統(tǒng)方案適用于各級環(huán)保局以及工礦企業(yè)的應用，具有標準化、高科技和規(guī)模易擴展等特點。 9 致謝 在本設計的研究當中，我的導師給我了很多寶貴的建設性意見。在我遇到困惑時，他都能耐心地指導，給我指出錯誤。他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我，讓我懂得做學問、學技術要謙虛謹慎。 在此，我還要感謝和我共同完成畢業(yè)設計的伙伴們，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困

51、難和疑惑，直至本設計的順利完成。 10、參考文獻 [1] 王保云. 物聯(lián)網技術研究綜述 [J]. 電子測量與儀器學報 2009， （12 ：23 ） 1-6. [2] 陳衛(wèi)兵.基于 GPRS 的遠程電力計量監(jiān)測系統(tǒng)[J].南通職業(yè)大學學報，2005， （4 ：19 ） 13-16. [3] 王永虹， 徐 煒，郝立平.STM32 系列 ARM Cortex-M3 微控制器原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008：10-30. [4] 劉天成. 基于 FM1702SL 的 USB 接口的 RFID 讀卡器的設計[J].赤峰 學院學報： 自然科學版， 2009， （6 ： 25 ） 37-38. [5] 彭偉. 單片機C語言程序設計實訓100例[M]. 電子工業(yè)出版社 2012：6. [6] 邊莉 張起晶 黃耀群. 51單片機基礎與實例進階[M]. 清華大學出版社 2012：1. [7] 徐愛鈞. 單片機原理實用教程[M]. 電子工業(yè)出版社 2011年3月