地表水水質智能監測系統

2016-12-31 00:00:00陳培佳陳明輝曾松偉汪云珍包志泉

湖北農業科學 2016年16期

摘要：針對傳統水質檢測系統存在實時性差、靈敏度低、成本高等缺點，設計實現了一種基于STM32單片機及多種水質傳感器的智能水質監測系統。該系統能實時監測地表水溫度、酸堿度、溶解氧、濁度、電導率等水質參數，能實時顯示并存儲水質數據，最后通過GPRS通訊模塊將數據傳輸至遠程監測中心。通過實時監測浙江省臨安苕溪河、臨安東湖村水庫及浙江農林大學東湖3個地點的水質，表明水質優劣程度，浙江農林大學東湖優于東湖村水庫和臨安苕溪河，該水質智能監測系統可靠、穩定。

關鍵詞：地表水；STM32單片機；水質傳感器；智能監測

中圖分類號：S273.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）16-4283-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.16.054

中國是人均淡水資源貧國，水資源可用量、人均和單位面積的水資源數量極為有限[1]。隨著社會經濟的快速發展，工廠廢棄物直接排放到河流中，導致水質污染日益嚴重，因此保護水環境迫在眉睫，浙江省政府為確保水質安全推出“五水共治”的政策[2]，該政策主要為了治理自來水、江水、河水等的污染問題。而水質監測就是對水環境中的污染物及污染因素進行監測，其目的是評價污染物產生的原因及污染途徑為防治污染提供技術支持[3]。因此監測水質的必要性不言而喻，依靠水質監測手段可以確定水環境控制目標及改善水環境質量狀況的效果[4]。

目前，水質監測方法主要有兩種方式：人工采集[5]和水質自動監測站。人工方式勞動強度大，檢測周期長，不能實現在線實時自動監測，難以全面準確反映水質參數的動態變化。水質自動監測站建設周期長投資成本高，覆蓋水域有限，實時監測范圍小，不能同時對多點進行實時監測[6]。若出現極端突發情況，水質受到嚴重污染，如工業廢水傾倒，甚至受到二次污染，則傳統的水質監測方法難以實現實時在線反映水質動態情況。因此，本研究設計了表水水質智能監測系統，該測系統可以實現自動在線實時監測。

1 總體方案設計

根據國家水質監測標準[7]，包括溫度、pH、溶解氧（DO）、化學需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、總磷（以P計）等項目。主要對地表水物理特性進行監測，確定將溫度、酸堿度、溶解氧、濁度和電導率5個參數作為監測對象，實現5個參數實時在線監測，在LCD顯示屏上實時顯示采集的水質參數數據，同時本地存儲數據，并通過GPRS通訊模塊上傳到遠程監控中心。

根據上述功能要求，系統主要由單片機主控模塊、傳感器模塊、數據存儲模塊、液晶顯示模塊和通訊模塊組成，系統框架如圖1所示。

2 系統硬件設計

本設計水質監測系統主要由主控模塊、傳感器檢測模塊、存儲模塊和顯示模塊以及其他模塊組成。水質檢測系統通過傳感器模塊采集水質參數，由主控模塊處理采集到的水質參數，將數據存儲于存儲模塊中，并且把結果實時顯示在LCD顯示屏上，實現實時在線監測水質參數。

2.1 最小系統

最小系統包括單片機及電源、時鐘、復位等部分組成[8]，其中單片機為整個系統控制中心。該系統采用STM32系列閃存微控制器作為主控模塊，該模塊采用ARM公司最新的Cortex-M3內核架構，具有高性能、低功耗、性價比高的特性[9]，最小系統電路如圖2所示。

2.2 數據采樣模塊

數據采樣模塊是水質監測系統的一個重要部分[10]，按照系統設計要求，該系統需實時采集pH、溫度、溶解氧、濁度、電導率5個參數。系統采用的水質傳感器型號分別為ZA-TU-A101型濁度傳感器、ZA-CDT-A101-485型電導率傳感器、ZA-DO-A101-485溶解氧傳感器的型號是、ZA-PH-A101-485型酸堿度傳感器。

除濁度傳感器采用12位的A/D轉換器與單片機進行通訊外，其余傳感器均采用MODBUS協議，通過RS485接口與單片機進行通訊。傳感器接口電路見圖3～圖7。

2.3 存儲模塊

存儲模塊是采集器的關鍵模塊，要求存儲可靠，寫入速度快、容量大，實現本地備份防止數據無故丟失[11]。系統采用SD卡（Secure digital memory card）作為存儲模塊[12]。每小時發送N組數據，每組數據有5個參數，每個參數大小為8 bit，則一天發送的數據為N×24×5×8 bit。當N=3時，采用128 Mb的SD卡，那么SD卡約能存儲一年的數據，體現了系統的可調行。

SD卡與單片機通訊模式可分為SD卡模式與SPI模式[13]，系統采用SD卡模式，該模式需要4條數據總線實現高速數據傳輸，各個引腳功能如表1所示，存儲模塊的硬件電路如圖8所示。

2.4 液晶顯示模塊

LCD液晶顯示模塊主要是為了實時顯示水質參數數據、采集時間、采集點，系統采用ILI9341型號液晶屏[14]。為了提高顯示圖片速度和圖像質量，該系統采用16 bit并行接口與單片機通訊，接口電路如圖9所示。

3 系統軟件設計

3.1 軟件開發環境

STM32軟件的開發基于IAR embedded workbench開發平臺[15]，整個軟件開發、調試和仿真都在Window7操作系統下完成。

3.2 系統主程序流程

系統工作時首先要進行初始化，需要初始化的模塊包括USART、GPGS、DS1302、KEY、GPIO、LCD等。系該統主要包括3個模塊，分別為MODBUS協議模塊、按鍵模塊、GPRS模塊，系統主程序流程圖如圖10所示。

3.3 系統主要模塊

按鍵模塊，按下鍵同時調節參數，根據按鍵功能不同操作進入數據界面。模塊中包含以下功能鍵：選擇、確認、加和減。開始進入IP地址調試，通過選擇、確認、加和減的功能鍵調試，然后對時間點及測試點進行確認。

MODBUS協議模塊，主機發送數據，通過RS485將數據發送給傳感器，然后置于接收狀態，傳感器接到主機發送的數據，并把數據返回給主機，最后將數據傳到液晶的數據口并顯示。

GPRS模塊經過IP和端口數據讀取后，進行串口初始化，發送，等待接受。GPRS模塊首先配置APN進入TCP功能，打開一條TCP連接，每隔1 h發1次，每次發3組數據到TCP終端，直至1 h后關閉GPRS。

3.4 遠程監控中心模塊

遠程監控中心的地址為http：//60.190.216.49：8002。

4 系統的實現

4.1 試驗準備及過程

系統試驗測試地點分別選取浙江農林大學東湖、臨安苕溪河、臨安東湖水庫。時間分別于2015年1月27-29日、1月30日、2月2日對3個地點進行水質監測。系統實物如圖11所示。

上電開機并完成設備初始化后，設備每隔1 min定時采集傳感器數據并通過LCD液晶屏實時顯示數據，將數據打包封裝后通過GPRS模塊上傳至遠程監測中心。為了系統備份的需要，采集的數據同時存儲于本地SD卡中。根據遠程監測中心獲得的數據用Excel軟件進行分析處理后可得表2。

4.2 數據分析與討論

本試驗主要對水質的濁度、酸堿度、溫度、溶解氧、電導率5個指標進行監測。根據地表水環境質量標準基本項目標準限值以及地表水水域環境功能和保護目標可知[16]。由表3可知，浙江農林大學東湖水質符合Ⅰ類水標準，臨安東湖村水庫和臨安苕溪河水質符合Ⅱ類水標準。同時，根據臨安苕溪河濁度大于東湖水庫的濁度。結果表明，浙江農林大學東湖的水質優于東湖村水庫、臨安苕溪河。

5 結語

本研究開發了一種能檢測水質溫度、酸堿度、溶解氧、濁度、電導率5個水質參數的監測系統。該監測系統能在液晶顯示屏上實時顯示數據，本地存儲數據通過GPRS模塊發送至遠程監測中心。通過對浙江農林大學東湖、臨安東湖村水庫、臨安苕溪河3個地點的河流水質實時監測，處理水質數據，表明浙江農林大學東湖的水質優于東湖村水庫、臨安苕溪河。該系統試驗過程中運行穩定，具有低功耗、低成本、配置靈活、應用范圍廣、環境適應力強等特點。

參考文獻：

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