一種遠(yuǎn)程多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

劉澤龍 孫志忠 傅奕萱 吳劍

摘? 要： 以STM32單片機和GPRS的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為核心，設(shè)計一個功能全面、軟硬件相結(jié)合的遠(yuǎn)程多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將水質(zhì)信息采集、數(shù)據(jù)查詢、實時跟蹤、預(yù)警等功能系統(tǒng)化，可適應(yīng)我國多樣的地勢結(jié)構(gòu)，可對水質(zhì)的PH值、溶解氧和電導(dǎo)率等重要參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，實現(xiàn)了對水資源污染的準(zhǔn)確測定，以及對水資源中污染物的變化趨勢的有效跟蹤，進(jìn)而可以綜合評價水質(zhì)情況。

關(guān)鍵詞： 多參數(shù); 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng); 數(shù)據(jù)采集; 數(shù)據(jù)查詢

中圖分類號：TP393.18? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）01-24-05

Abstract： This paper takes the wireless network communication technology of STM32 single chip microcomputer and GPRS as the core， designs a remote multi-parameter water quality monitoring system combining software and hardware， which systematizes such functions as water quality information collection， data query， real-time tracking and warning. The system adapts to various topographic structures in China， can monitor the important parameters such as PH value， dissolved oxygen and electrical conductivity of water in real time， and achieves the accurate measurement of water resource pollution， as well as the effective tracking of the variation trend of pollutants in water resources， so as to comprehensively evaluate water quality.

Key words： multi-parameter; water quality monitoring system; the data collection; data query

0 引言

水質(zhì)問題一直是全球關(guān)注的環(huán)境重點問題。水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展于二十世紀(jì)七十年代，美、英、日、法、德等國先后建立了此類系統(tǒng)。而我國在水質(zhì)自動監(jiān)測、移動快速分析，以及預(yù)警預(yù)報體系建設(shè)方面尚處于探索階段，目前生產(chǎn)出的產(chǎn)品大多存在價格昂貴、效率不佳、功能不夠完善等一些弊端，因此，設(shè)計出一個功能完善的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)十分重要。

為此國內(nèi)諸多學(xué)者開始研究。例如靳晟等對猛進(jìn)水庫的水質(zhì)監(jiān)測管理信息系統(tǒng)的研究[1];陳益等對三峽庫區(qū)水質(zhì)監(jiān)測管理信息系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計[2]。趙自越等針對某個人工湖進(jìn)行了水質(zhì)預(yù)警研究[3]。席飛對基于ARM和GPRS網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)檢測系統(tǒng)設(shè)計的研究[4]。王婧使用STM的32位高端ARM處理器來設(shè)計水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)[5]。王令群等人實現(xiàn)對系統(tǒng)用戶管理以及參數(shù)的實時檢測[6]。董浩等人設(shè)計了一套微型水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)[7]。路榮坤等人設(shè)計了一款遠(yuǎn)程水質(zhì)智能監(jiān)測系統(tǒng)[8]。張艷萍等人設(shè)計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)[9]。梁斯勇等人使用水質(zhì)傳感器采集數(shù)據(jù)監(jiān)測水質(zhì)數(shù)據(jù)[10]。賴清基于GPRS的遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測與分析系統(tǒng)的研究[11]。李金鳳等對基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及GPRS的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[12]。劉新輝等對基于GPRS的水質(zhì)參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[13] 。佟維妍等對基于GPRS數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)乃|(zhì)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)[14]。他們設(shè)計的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)大多基于RAM。但是相比于RAM，STM系列單片機更為簡單和方便。因此，我們采用STM32的單片機和GPRS的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)作為研究系統(tǒng)的核心，結(jié)合我國目前推行的政策以及我國多樣的地勢結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一個對水質(zhì)PH值、溶解氧和電導(dǎo)率等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測的系統(tǒng)，旨在對水資源污染進(jìn)行測定，并對水資源中污染物的變化趨勢進(jìn)行有效跟蹤，評價水質(zhì)的綜合情況，為我國水資源保護(hù)提供重要數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計方法

遠(yuǎn)程多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)是一個基于GPRS的地域分布較廣的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸、監(jiān)測系統(tǒng)，總體上分為兩部分：現(xiàn)場的水質(zhì)參數(shù)檢測裝置和GPRS無線通信模塊和水質(zhì)監(jiān)測控制中心平臺。該系統(tǒng)框架如圖1所示。

水質(zhì)參數(shù)檢測裝置能實時檢測監(jiān)測點的pH值、溫度值、溶解氧等，對檢測到的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，將處理后的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行打包通過單片機串口傳送至GPRS模塊的緩存中，接著數(shù)據(jù)包被GPRS模塊封裝成TCP/IP數(shù)據(jù)包，最后通過GPRS IP骨干網(wǎng)接入Internet網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至中央監(jiān)控中心。

監(jiān)控中心的終端服務(wù)器對接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析、還原，并由 PC機進(jìn)行顯示，同時使用Delphi平臺界面還可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet組成的鏈路，把控制信號傳輸給GPRS，再由單片機接收并執(zhí)行相應(yīng)的命令。

1.1 硬件方面

1.1.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊原理框圖

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊STM32F103實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有一定的通用性，它通過片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換通道與外部的采集傳感器進(jìn)行連接。由于外部與傳感器進(jìn)行連接，獲得是標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號，這樣采集系統(tǒng)具有很大的通用性，只要接不同的傳感器可以采集不同的模擬數(shù)據(jù)源，同時為了考慮到傳感器的數(shù)字信號傳輸，預(yù)留了數(shù)字信號通道，這樣做到系統(tǒng)與數(shù)據(jù)源的無關(guān)性。原理框圖如圖2所示。

1.1.2 STM32F103單片機系統(tǒng)

STM32F103單片機本身具有非常豐富的片內(nèi)資源，因此，最小系統(tǒng)無需配置過多的外圍接口器件就可以滿足本系統(tǒng)要求，從而使電路十分簡單，其最小系統(tǒng)電路如圖3所示。

1.1.3 信號處理電路

以采集pH為例，將pH電極放在被測溶液中，根據(jù)被測溶液的酸堿度不同，pH復(fù)合電極產(chǎn)生不同的直流電位，為了避免后面的測量電路影響前端的測量電壓，將pH電極的輸出與高阻抗放大器CA3240相連，從而保證測量電壓的準(zhǔn)確性。由傳感器檢測到的pH信號首先通過前置放大電路對其進(jìn)行放大，由于pH信號變化比較緩慢，所以可以把pH信號看成直流信號，為了防止高頻信號的影響，在電路中加入了一些濾波電容濾除高頻干擾。

另外，由于pH傳感器是將pH信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，并且當(dāng)pH在0～7的范圍時電壓為正值，pH在7～14的范圍時電壓為負(fù)值，而STM32F103單片機內(nèi)部集成的A/D為單極性的，為了利用單片機的片內(nèi)資源，就必須把輸入A/D的電壓值通過差分電路轉(zhuǎn)換為0～2.5V的值，使pH值在0～14范圍內(nèi)全能被A/D采集。

1.1.4 按鍵輸入及電源模塊

按鍵是單片機重要的輸入設(shè)備，是人工對單片機的功能設(shè)置主要手段。本系統(tǒng)中用了四個按鍵。分別實現(xiàn)不同的功能，它們之間相互配合就可以完成所需要的設(shè)置。K1鍵：確定功能;K2鍵：功能加;K3鍵：功能減;K4鍵：取消功能。

另外，整個系統(tǒng)中STM32F103單片機需要3.3V電壓，數(shù)據(jù)采集模塊各運算放大器和LCD需要5V電壓。考慮到硬件系統(tǒng)對電源要求具有穩(wěn)壓功能、紋波小和低功耗等特點，因此該系統(tǒng)的電源部分采用AMS1117-3.3把+5V電壓轉(zhuǎn)化為+3.3V輸出，該芯片不僅能很好滿足該硬件系統(tǒng)的要求，還具有很小的封裝，能有效節(jié)約PCB的面積。

1.1.5 顯示模塊設(shè)計

液晶顯示器具有微功耗、顯示內(nèi)容豐富、使用方便、超薄輕巧的諸多優(yōu)點。本系統(tǒng)采用的是LCD12864M，LCD12864M漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個中文漢字（16X16點陣）、128個字符（8X16點陣）及64X256點陣顯示RAM（GDRAM）。在系統(tǒng)中，將STM32F103單片機的PA7接到液晶LCD12864M的4腳RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時選擇指令寄存器。PA6接到5腳RW為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平時可以讀“忙”信號，當(dāng)RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。PA5接6腳E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。15腳的PSB并/串行接口選擇：H-并行;L-串行，這里我們選用數(shù)據(jù)串行輸入，所以不需要再連接其他單片機數(shù)據(jù)線，大大節(jié)省了單片機資源。同時液晶的背景燈光有外部按鍵控制，從而達(dá)到降低功耗。

1.1.6 通信模塊設(shè)計

GPRS模塊選用“有人物聯(lián)網(wǎng)”的低功耗GPRS模塊USR-GM3，該模塊無需協(xié)議，串口端發(fā)送的數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)端接收的數(shù)據(jù)完全一樣，且使用簡單，跟DTU一樣，簡單設(shè)置就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，另外，GPRS模塊GM3穩(wěn)定性能夠得到保證。該模塊支持硬件流控（RTS/CTS），串口數(shù)據(jù)靈活分幀（按照數(shù)據(jù)時間、長度打包），超寬波特率范圍：2400 bit/s～921600 bit/s，綜合考慮，本系統(tǒng)波特率采用9600 bit/s。本設(shè)計采用串口與GPRS相連，GM3的35腳TXD1與單片機的PA9相連，36腳RXD1與單片機的PA10相連。連接如圖4所示。

但是考慮到該模塊最好是3.8V電壓供電，并且工作電流為750mA，相比起系統(tǒng)的其他模塊，GPRS是功耗最大的部分，所以單獨設(shè)計了電源模塊，采用MIC29302BU芯片將5V電壓轉(zhuǎn)化為3.8V輸出。該芯片不僅能很好滿足該硬件系統(tǒng)的要求，還具有很小的封裝，能有效節(jié)約PCB的面積。

1.2 軟件方面

1.2.1 主程序設(shè)計

主程序首先完成初始化工作，打開開機界面等待GPRS模塊初始化完成，然后打開定時器中斷，進(jìn)入While（1）死循環(huán);再由定時中斷完成判斷檢測按鍵，從而實現(xiàn)不同的功能設(shè)置，設(shè)置好之后連接GPRS網(wǎng)絡(luò)。啟動A/D，進(jìn)行循環(huán)的數(shù)據(jù)采集及處理、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)顯示。

1.2.2 GPRS通信模塊程序設(shè)計

在系統(tǒng)的GPRS驅(qū)動程序的具體實現(xiàn)過程中，STM32F103單片機是通過全雙工通信方式發(fā)送AT指令對其控制的。通過AT指令可以實現(xiàn)模塊參數(shù)的設(shè)置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。與此同時，AT為解決因GPRS移動網(wǎng)絡(luò)信號小小間斷帶來的無法連接的問題，設(shè)計了AT重聯(lián)服務(wù)器的策略。

1.2.3 監(jiān)測中心平臺設(shè)計

監(jiān)測中心主要完成以下功能：建立完成對網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)監(jiān)聽、接收，并在Delphi界面上顯示，同時Delphi中控制信息通過Socket傳輸給Internet公網(wǎng)，然后由GPRS模塊接收并發(fā)送給單片機系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的監(jiān)聽和接收及顯示部分，主要是將GPRS模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)通過Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行接收并讀取。在此利用Delphi通過WinSock接口和MFC WinSock類實現(xiàn)。監(jiān)測中心啟動監(jiān)測以后，系統(tǒng)首先建立Socket并將其設(shè)置為“監(jiān)聽”模式，等待GPRS端的連接請求。當(dāng)兩端建立通信以后，監(jiān)測中心平臺就可以接收來自于采集端所發(fā)送的pH值、溫度等信息。同時平臺還可以通過Socket發(fā)送信息給參數(shù)監(jiān)測模塊，從而進(jìn)行有效的反饋控制。

1.3 監(jiān)測：網(wǎng)頁Web端

用戶可以通過使用本系統(tǒng)提供的專屬賬號登錄水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)頁，在網(wǎng)頁中查看當(dāng)前監(jiān)測點的水質(zhì)信息，使得用戶可以相對清楚的了解水質(zhì)監(jiān)測信息。

網(wǎng)頁分為數(shù)據(jù)采集、挖掘分析、監(jiān)測指標(biāo)、示范點這四個部分。

數(shù)據(jù)采集中可以選擇不同監(jiān)測點、不同時間監(jiān)測到的水質(zhì)信息進(jìn)行查看，可以選擇看單純的數(shù)據(jù)視圖或看折線圖，同時可以選擇是所有數(shù)據(jù)都疊在一起看還是每一項指標(biāo)分開來看。

挖掘分析是通過將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過算法進(jìn)行分析整理，從而推測出該區(qū)域的水質(zhì)信息情況，以及預(yù)測未來一段時間內(nèi)該區(qū)域的水質(zhì)信息。同時該部分還具有監(jiān)控預(yù)警功能，監(jiān)控預(yù)警是通過將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)與正常水質(zhì)數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行分析對比，如果發(fā)現(xiàn)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)在指標(biāo)的邊緣或者超過指標(biāo)，就會發(fā)出警報，向負(fù)責(zé)人的手機發(fā)送水質(zhì)信息異常的短信。

1.4 監(jiān)測：手機APP

用戶可以通過下載本系統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測APP，并使用專屬賬號登錄進(jìn)APP進(jìn)行查看當(dāng)前監(jiān)測點的水質(zhì)信息，使得用戶對水質(zhì)信息有一個大致情況的了解。

用戶登錄進(jìn)入頁面后直接顯示監(jiān)視數(shù)據(jù)的主界面。通過數(shù)據(jù)和折線圖相結(jié)合的方式，讓用戶可以快捷且直觀的找到自己想要的數(shù)據(jù)。

用戶可以通過選擇不同的監(jiān)測點來查看當(dāng)?shù)厮|(zhì)情況。

當(dāng)用戶發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)厮|(zhì)信息較差時可以對其進(jìn)行投訴。

2 結(jié)果與討論

2.1 設(shè)計產(chǎn)品的性能特點

我們研發(fā)設(shè)計的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相比有以下優(yōu)點。①監(jiān)測儀體積小，便攜，使用方便，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高。②投資少，建站快，分析儀前置，無需大面積站房。③運行費用低：儀器低功耗，運行穩(wěn)定可靠，無需專業(yè)運營服務(wù)。④數(shù)據(jù)具代表性：直接接觸水體，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)直接來源于水質(zhì)實體，無預(yù)處理等環(huán)節(jié)。⑤數(shù)據(jù)采集方式多樣化，目前系統(tǒng)已實現(xiàn)定點采集，人工采集，移動船采集三種采集方式，每種采集方式均可實現(xiàn)實時出數(shù)據(jù)。⑥快速反應(yīng)：實時監(jiān)測水質(zhì)數(shù)據(jù)信息，當(dāng)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)信息有異常時會進(jìn)行報警提醒，擁有一套完整的預(yù)警系統(tǒng)。⑦異常自動留樣：當(dāng)任何一個監(jiān)測因子數(shù)據(jù)異常時，系統(tǒng)立刻啟動采樣留樣。也可遙控采樣或定時采樣。⑧性價比高：一臺機器可集成監(jiān)測多個水質(zhì)參數(shù)，生產(chǎn)成本相比于同類產(chǎn)品小。⑨維護(hù)量極小：分析儀基本免維護(hù)。⑩查看信息方式多樣化：不僅可以實地查看，還可以登錄網(wǎng)站或手機APP查看監(jiān)測點的水質(zhì)數(shù)據(jù)信息。

本系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)有：pH值、電導(dǎo)率、溫度、溶解氧、濁度、氨氮。

本系統(tǒng)軟件與硬件相結(jié)合，網(wǎng)絡(luò)端與移動端相匹配，通過各傳感器將水質(zhì)六大參數(shù)信息采集后，通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街锌胤?wù)器，由中控服務(wù)器將水質(zhì)信息通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)狡桨宕笃聊弧⒁苿佣撕碗娔X客戶端，用戶可以登錄相應(yīng)的網(wǎng)站和手機APP實時查看水質(zhì)信息，于此同時，平臺擁有數(shù)據(jù)反饋和報警預(yù)警機制，如若發(fā)現(xiàn)水質(zhì)信息數(shù)據(jù)存在異常，即水質(zhì)存在污染情況時，平臺將向用戶發(fā)出警告信息，用戶可通過三種方式來查看當(dāng)前水質(zhì)信息，當(dāng)用戶進(jìn)行實地查看，并采取相應(yīng)措施使得水質(zhì)信息數(shù)據(jù)達(dá)到正常時警報方解除。該系統(tǒng)功能圖如圖5所示。

本系統(tǒng)監(jiān)測顯示水質(zhì)數(shù)據(jù)信息結(jié)果如圖6所示。

3 結(jié)束語

我們設(shè)計的遠(yuǎn)程多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)集軟件和硬件為一體，以STM32單片機和GPRS的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為核心，實現(xiàn)了將水質(zhì)信息采集到數(shù)據(jù)查詢、實時跟蹤、預(yù)警等一系列功能系統(tǒng)化。該系統(tǒng)可以適應(yīng)我國多樣的地勢結(jié)構(gòu)，可對pH值、溶解氧和電導(dǎo)率等重要參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，實現(xiàn)了對水資源中污染的測定，以及對水資源中污染物的變化趨勢有效跟蹤，可以綜合評價水質(zhì)的情況。目前該系統(tǒng)已在東湖試驗成功，在烏鎮(zhèn)和新安進(jìn)行新的一輪試驗。我們預(yù)留了251個空白位，讓用戶可以自行選擇想要檢測的數(shù)據(jù)并上傳至監(jiān)測端以備查看。接下來，我們將對更多水質(zhì)參數(shù)信息進(jìn)行監(jiān)測，使得對水質(zhì)的綜合評價更加科學(xué)客觀，并提高監(jiān)測的準(zhǔn)確率，同時將完善系統(tǒng)的相應(yīng)功能，使其可以被更好的使用。

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