引言近年来，我国的环境监测技术不断发展，水环境监测仪不断应用与普及，各地区的水质检测站不断增多，在水环境参数数据的监测与采集中不断应用信息化技术。通过计算机远程通信将各监测点进行数据共享与相互传输，实现了水环境污染数据的自动实施监测，我国的环境保护意识不断增强的同时，也对水环境监测的精确度提出了更高的要求[1-2]。为了提高水环境监测技术水平，需要使用具有较高监测效果和稳定性的监测装置对监测数据的统计和分析，及时掌握水环境的污染情况，实现有效的水源治理[3]。传统的水环境监测装置的检测准确度难以保证，工作效率较低，在监测过程中还会受到人为因素的影响，不能实现远程控制。为了有效进行数据监测和报警信息的传输，基于现场总线进行水环境监测装置设计，为提高环境监测治理水平提供了依据。1基于现场总线的水环境监测装置硬件设计1.1总体架构设计通过子站实现对监测现场的控制，地级环境监测中心接收子站上传的数据进行远程的监测和数据审核，省级环境监测中心站从全局层面调整水环境监测装置的监测目标和监测任务，通过第三方运行维护及相关人员为子站提供技术支持。监测装置的节点位置较为分散，距离较远，基于现场总线实现节点之间的通信，实现子站与各级中心站的互访与数据共享。水样采集后，按照监控中心的命令要求，将监测子站智能检测仪表检测得到的现场水域的水质参数传输给监控中心服务器，主机接收数据后对子站发出控制命令，由监控中心人员进行数据分析和汇总，便于后续对流域内水污染事故进行快速响应，水环境监测与分析工作连续重复进行。检测基站由现场工控机、智能检测仪表、Profibus-DP通信模块和PLC控制单元组成。通信模块装载到现场工控机后，便于监控中心的数据服务器进行数据交换和通信，智能检测仪表通过检测仪器输出反馈，监控各设备的工作状态。1.2基于现场总线的通信接口设计装置的通信模块基于现场总线进行设计，通过微处理器与芯片的结合，以外设的方式使智能检测仪表与本文通信模块连接，构成Profibus-DP从站。为了满足多种应用场合的需要，通信接口硬件可直接连接有Profibus-DP接口的外部设备，接入Profibus-DP通信网络[4]。本研究设计的通信模块使用的微处理器系统和协议芯片能够直接面向控制现场，连接智能检测仪通过通信芯片与子站和主站进行连接，获取监测数据，控制调整参数。考虑到硬件的可靠性与稳定性问题[5]，通信模块以第三方设备接入Profibus-DP，最大传输速率为13 M/s，充当具体用户系统的子站模块。针对固件与用户测试，验证文中Profibus-DP通信硬件设计，该设计在子站中应用。通信模块电路原理如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.009.F001图1通信模块电路原理硬件包括微处理器、通信芯片、双口RAMIDT7130、12.654 1 MHz晶振，地址锁存寄存器芯片，通过LM1117芯片提供两路供电电压，48 MHz晶振提供给通信芯片，还设置了2个硬件接口。硬件接口为RS485接口，能够隔离用电，另外的接口为双口RAMIDT7130与智能检测仪表的数据接口。2基于现场总线的水环境监测装置软件设计2.1设定水环境监测参数水环境监测装置一般是在河流断面进行检测，与实验室分析存在一定区别，因此需要进行测量精度上的调整，将测量精度的范围适当拓宽，检测水环境中的温度、盐度、溶氧度、pH值、浑浊度等参数。水样参数与水样中悬浮物、污染物的存在形态及水样是否均匀直接相关，因此在检测仪器的选择上，利用具备自动清洗和校正以及异常诊断功能的智能检测仪表实现。设置对温度、盐度、溶氧度、pH值、浑浊度的测定精确标准为±5%，对COD、氨氮含量和BOD的高精度参数测量为±15%[6]。文中使用的智能检测仪表作为水环境监测基站实时进行水质分析的工具，能够满足管理部门对水环境监测的需求。通过智能检测仪表设置工作参数，根据实际情况进行相应修改，包括时间参数、网关设置以及对监测点的增加与删除的修改。智能检测仪表可以与PLC接口进行连接，以便PLC对仪表中的参数进行读取与设置。仪表具有量程的自动转换功能，能够直接展示水质参数，将参数检测结果转换为电信号，便于对检测结果的转换与利用。为了有效降低水环境参数的检测结果误差，仪表具备继电保护与来电自启动运行功能，通过PLC实现相应的控制，测量精度为±0.5%，测量范围为0~100%。2.2采集监测数据根据现场水环境的实际情况确定采样点的具体位置，保证采集的水样具有代表性。采集水样时将水样吸入口与水面的距离控制在0.5~1.0 m，在采样头四周安装隔离栏，阻挡水面的漂浮物。为保证水样保持温流状态，将采样的水样流速控制在0.6~1.0 m/s。水样中的大量藻类会影响水样的形状，藻类若通过水样进入智能检测仪器中，会影响仪器的正常运行和监测精度，因此需要定期进行除藻[7]。数据采集能够实现现场与远程的人工参与控制，在现场动态显示智能检测仪表运行的实时状态和各测量参数数据，在数据采集过程中，应保证数据的完整性。检测装置对智能检测仪表的状态参数进行自动采集，识别仪器故障以及无效的检测数据后进行相应处理，根据状态参数和报警信号判定数据的有效性，数据采集支持远程图像监控与录像，将采集的信息存储在数据库中。在数据采集过程中发现水环境污染指数、污染物等各项参数出现异常情况，应根据报警信息进行数据处理，对比不同时间段的数据变化，将异常报警信息数据发送至检测中心服务器。本研究使用的数据库能够定期进行数据备份，数据损坏可通过自动恢复功能进行恢复。2.3数据传输与监测管理数据传输是文中水环境监测的重要前提，文中的数据传输模块作为远程监控中心与智能监测仪表的枢纽，通过现场总线的Profibus-DP通信模块实现通信，实时控制进行信号传输的传感器。水环境监测点装置通过工控机进行数据的发送和接收，Profibus-DP通信模块通过接口与工控机连接，为数据传输提供可靠通道。该模块能够实现多点的实时数据传输，便于监控中心同时向多个监测基站发送指令，随时接收和发送控制指令与监测数据。监测数据的管理主要是对监测站传送的数据进行统计与整理记录，采用与基本信息相同的编码方式进行数据编码，存储在系统数据库中。监测人员通过系统检索需要的数据，提供不同时间段的历史监测数据报表，统计监测数据中的超标数据以及报警信息等异常数据。数据传输信道异常以及智能检测仪表故障，会导致数据的缺失，监测数据的管理可以自动记录日志，在信道正常情况下进行数据的再次传输，使监测数据完整。3试验论证分析装置设计完成后，对其进行单独测试，检验装置在实际应用中的性能，保证装置各部分的硬件与软件得到全面检测。传感器在温度检测中随温度变化而引起电压变化，传感器信号在放大后能够得到0~2.5 V的电压，能够接入单片机进行A/D转换。为了便于电路的调试，将电阻R204和R205换为可调试电阻，0 ℃时传感器电阻值为100 Ω，调节电阻R204，使其电路的输出电压为0；100 ℃时的电压为140 Ω，将R205调节输出电压为2.5 V，对其他温度值电压进行标定。试验数据显示以直线法得到的结果较理想。温度A/D转换结果如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.009.T001表1温度A/D转换结果温度/℃A/D值/mV温度/℃A/D值/mV25563651 45735768751 703451 011851 906551 208根据数据得到直线方程为：R=40×d1-1 600 (1)式中：R——温度，℃；d1——A/D转换电压值，mV。温度A/D曲线如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.009.F002图2温度A/D曲线通过调试对温度标定具有较好的效果，利用A/D转换的硬件调试程序对智能检测仪表进行性能测试，确认硬件设备安装正确，设备运行稳定，可以实现对水环境参数的检测。测试装置的传输性能，利用监控计算机，用户可以查找水环境中各参数的实际检测值，根据监测管理需求由主站向子站发送监测的参数设定值范围，在监控计算机终端进行显示。参数设定范围如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.009.F003图3参数设定范围水环境中的温度设定的上限数值为30 ℃，是各参数中设定的最高值，其余参数如盐度、溶氧值、pH值和浊度的上限设置数值为5~10，水位上限值为3，该设定值最小，除水位的设定下限为1外，其余参数的下限设置均为0。经试验测试，监控计算机获取的监测数据与现场实际的监测数据一致，证明数据在传输过程中未出现数据缺失和数据异常等情况，说明装置具有较好的通信性能，可以进行上位机实施监测，能够实时检测水环境各参数，相关通信性能稳定，满足设计要求。为了验证装置的有效性，对水环境监测装置的监测结果进行分析，验证装置数据监测的准确性。以省级环境监测中心的检测数据为标准数据，对比监测的参数数据和省级环境监测中心站提供的数据。水环境参数检测结果对比如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.009.T002表2水环境各参数监测结果对比参数监测点12345水温/℃标准数据8.298.298.308.318.30本文数据8.288.308.328.328.34绝对误差0.010.010.020.010.04pH值标准数据7.367.347.367.357.37本文数据7.357.377.357.367.34绝对误差0.010.030.010.010.03溶氧值/（mg/L）标准数据9.659.659.669.679.66本文数据9.669.639.659.669.64绝对误差0.010.020.010.010.02电导率/（μs/cm）标准数据5.005.005.005.005.00本文数据5.015.025.025.015.03绝对误差0.010.020.020.010.03浊度/NTU标准数据3.002.802.903.003.00本文数据3.042.852.863.003.02绝对误差0.040.050.040.000.02由表2可知，文中水环境监测装置存在一定误差，其中水环境的浊度监测偏差最大，最大偏差为0.05，总体监测误差为0.00~0.05，总体的测量精度满足5%的测量精度要求，能够满足设计监测需要。分析水样的监测结果发现，该水源的水温、pH值和溶氧值均符合国家标准，但环境对自身水体产生了一定影响。该水体的电导率参数和浊度参数均超出了国家标准，说明水中含有较多相关的离子，人与动物不能直接饮用，需要经过相应处理。文中装置在数据采集方面可以实现对水质参数的远程监控，能够为水环境管理提供科学依据，具有有效性。4结语通过对总体架构和基于现场总线的通信接口设计，完成了装置的硬件设计，通过设定水环境监测参数、采集监测数据、数据传输与监测管理，实现了对装置软件的设计，取得了一定的研究成果。由于时间和条件的限制，本研究还存在诸多不足，如未涉及对于装置的运维过程管理设计，有待在后续的研究中深入探讨。未来还将对参数的报警信息进行相继研究，不断优化装置的快速响应，提高水环境污染的应急处理能力。