能源自給型水質監測系統的設計與研究

馬文輝+何志琴

【摘 要】水質監測是水資源管理與保護的重要基礎，是保護水環境的重要手段。本文設計了一種基于風光互補和無線傳感網絡的水質監測系統，首先介紹了系統整體設計方案，然后對系統的工作原理進行分析，最后對水質監測系統進行硬件和軟件的設計。

【關鍵詞】水質監測；風光互補；無線傳感網絡

【Abstract】Water quality monitoring is an important basis for water resources management and protection， and is an important means to protect water environment. This paper describes the design of a water quality monitoring system is based on Wind-solar？Hybrid and wireless sensor network， First of all， the overall design of the system is introduced， and then the working principle of the system is analyzed. Finally， the hardware and software of the water quality monitoring system are designed.

【Key words】Water quality monitoring； Wind-solar Hybrid； Wireless Sensor Network

0 引言

傳統的河流水質監測需耗費大量的物力和人力，對一些地理條件較差，交通不便的河道地區，需要監測人員長期駐守管理，給檢測過程帶來諸多不便[1-3]。因而，建立水質參數遠程監控系統，對河流環境中的溫度、溶解氧、pH值等影響水生物生存的因素進行遠程實時監控，將成為提高河流水質水平的一個重要部分。

1 能源自給性水質檢測系統工作原理

系統構成包括：電源模塊、傳感器檢測模塊、數據處理模塊、數據傳輸模塊、和遠程監控中心。電源模塊的設計包括太陽能電池板、風力發電機、鋰電池、風光互補控制器以及DC/DC升降壓電路。當陽光照射太陽能電池或者風力發電機轉動時，發電系統輸出電壓并通過風光互補控制器轉給鋰電池充電[4-5]，鋰電池通過DC/DC升降壓電路轉換為電壓滿足系統各部分供電要求。傳感器檢測部分包括溶解氧、PH和溫度傳感器，由于部分傳感器如溶解氧傳感器和PH探頭采集的數據較微弱，且自身的內阻很大，因此需要設計調理放大電路處理其輸出信號，然后輸入到單片機進行處理。控制器由MSP430F149及其外圍電路構成。控制器負責對傳感器檢測部分采集到的水質參數進行處理，并控制整個系統正常有序地工作。數據傳輸模塊包括Zigbee無線數據傳輸模塊和GPRS模塊，檢測節點通過Zigbee模塊把采集的水質參數傳輸至匯聚節點，考慮到匯聚節點到遠程監控中心的距離較遠，Zigbee模塊無法進行長距離傳輸，因而采用GPRS模塊將水質參數傳輸到遠程監控中心。遠程控制中心由上位機構成，采用C#編寫監控界面，能夠實現對檢測到的水質參數進行實時顯示、保存，便于分析。

2 系統硬件設計

（1）數據采集模塊：

溫度傳感器選用PT1000，測量精度為0.1℃。PT1000是鈾熱電阻，在零攝氏度時，PT1000阻值為1000歐姆，它的阻值會隨著溫度上升而勻速增長，整體呈線性變化。

由于溫度對溶解氧會產生影響，故選用帶有溫度補償的傳感器。選取YCS-2000溶解氧傳感器，測量范圍為0～20mg/L，測量精度：0.1mg/L，溫度補償為0～40℃。傳感器輸出電壓范圍為0～200mV，輸出信號經過放大電路后接入單片機進行AD轉換，信號放大器采用OP07運算放大器。

pH復合電極的測量范圍：0～14，測量精度：0.02。由于其輸出信號是毫伏級別的電壓信號，因而需要利用放大調理電路對傳感器輸出信號進行處理，才能輸入單片機，放大器采用OP07運算放大器，提高測量電路的輸入阻抗，進行濾波放大。

（2）DC/DC升降壓電路

升降壓模塊分別采用LM1117-3.3V和LM7805兩塊穩壓芯構成的穩壓電路為MSP430F149和檢測部分、無線通信部分提供穩定的3.3V和5V電壓。

（3）數據處理模塊

本系統核心處理器16位MSP430F149單片機，依托其超低功耗、強大的數據處理能力等特性，可以對風光互補輸入信號進行有效的處理。MSP430F149單片機具有12位高精度A/D轉換模塊，實現對輸入信號的模數轉換。此外，單片機系統還要對GPRS模塊進行編程控制，完成連接網關以及數據傳輸等功能。

（4）數據傳輸模塊

Zigbee設備選用TI公司生產的CC2530模塊，其工作溫度為-40℃～125℃，靈敏度為-110dBm，頻率為2.4G。傳感器檢測節點將檢測到得水質參數輸入單片機進行AD轉換之后，經過路由節點，傳輸至匯聚節點，完成監測數據的短距傳輸。

GPRS模塊選用型號為USR-GPRS232-730，工作電壓約5V，該模塊同時擁有RS232和RS485兩種接口，可以對數據進行遠距離傳輸。

3 系統軟件設計

遠程控制中心主要由上位機構成，MSP430F149單片機通過RS232或RS485接口同上位機進行通信，上位機界面采用C#進行編寫能夠實現對水質參數的實時顯示和保存，有利于問題分析，提高了系統數據的可靠性。

4 結束語

本文設計了一種能源自給性遠程水質監測系統，綜合考慮實際應用的需要，綜合利用風光互補發電技術、無線傳感網絡技術、單片機技術等搭建了一個遠程水質實時監測系統，這對保護河流水質安全、提升河流水質質量以及預防河流污染，保護河流環境具有重要意義。

【參考文獻】

[1]張國杰，陳凱，顏志剛，王文豪.基于無線傳感器網絡的水質監測系統研究[J]. 機電工程，2016（03）：366-372.

[2]李繼安.面向水質監測的無線傳感器網絡能效優化與綜合評估研究[D].華中科技大學，2014.

[3]趙敏華，李莉，呼娜.基于無線傳感器網絡的水質監測系統設計[J].計算機工程，2014（02）：92-96.

[4]王濤.小型風光互補發電系統控制器的研究[D].合肥工業大學，2009.

[5]黃晶忠.小型獨立運行的風光互補發電系統[J].中國西部科技，2008（04）：24-26.

[責任編輯：朱麗娜]