基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

◆張開(kāi)云

(河南理工大學(xué) 河南 454150)

1 引言

在當(dāng)今社會(huì)，環(huán)境治理問(wèn)題已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，污水治理作為環(huán)境治理的一個(gè)重要方向，水質(zhì)監(jiān)測(cè)受到了專家學(xué)者的廣泛研究。但是傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，人力資源浪費(fèi)嚴(yán)重，同時(shí)進(jìn)行抽查監(jiān)測(cè)，不能詳盡地表現(xiàn)出水質(zhì)的變化過(guò)程，反而極易造成資源的浪費(fèi)。隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，自動(dòng)化水平進(jìn)一步提高，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)的進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，成為新一個(gè)研究方向。

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)包括采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和上位機(jī)四個(gè)部分，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過(guò)傳感器采集到水質(zhì)信息，經(jīng)過(guò)單片機(jī)控制模塊將數(shù)據(jù)通過(guò)zigbee發(fā)送至云端，上位機(jī)軟件結(jié)合相應(yīng)的設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)界面進(jìn)行數(shù)據(jù)和相關(guān)結(jié)論的實(shí)時(shí)展示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

2.1 采集系統(tǒng)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)主要包括水體溫度監(jiān)測(cè)、重金屬離子監(jiān)測(cè)、酸堿度監(jiān)測(cè)等，采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。直接排放的很多廢水都有著較高的溫度，不經(jīng)過(guò)處理會(huì)使水體溫度上升，造成熱污染。水體溫度上升會(huì)造成含氧量下降和水質(zhì)惡化影響水生生物的生存和對(duì)水資源的利用。重金屬離子主要包括具有生物毒性顯著的元素，如汞、鎘、鉛、銅、鋅等，采用離子傳感器，將感受到的離子量轉(zhuǎn)換成可以進(jìn)行輸出的電信號(hào)。酸堿度會(huì)影響水體中微生物的活動(dòng)，導(dǎo)致有機(jī)物不易被分解，水體自凈能力降低，水質(zhì)惡化。

2.2 控制系統(tǒng)

采用STC89C52單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，單片機(jī)具有低電壓、低功耗的特點(diǎn)，可以采用移動(dòng)電池長(zhǎng)期供電的方式，擺脫了對(duì)于固定電源的要求，提高了環(huán)境的適應(yīng)性。單片機(jī)的集成度較高，可靠性強(qiáng)，即使是在長(zhǎng)期使用的情況下也能保證其穩(wěn)定性。該系統(tǒng)中采集到的水體溫度、離子濃度和酸堿度等數(shù)據(jù)參數(shù)，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換的方式都被單片機(jī)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后控制傳輸系統(tǒng)發(fā)送至云端。STC89C52單片機(jī)有32個(gè)IO接口，可以滿足采集系統(tǒng)的傳感器接口需求，同時(shí)還具備一定的拓展能力，便于后期的二次開(kāi)發(fā)利用。

圖2 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 傳輸系統(tǒng)

傳輸系統(tǒng)采用的是zigbee技術(shù)，zigbee是一項(xiàng)新型的無(wú)線傳輸技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的無(wú)線通訊技術(shù)，zigbee的部署成本很低，同時(shí)zigbee的功耗很低，可以遠(yuǎn)程在線啟動(dòng)休眠狀態(tài)，進(jìn)一步地降低功耗，在低功耗模式下兩節(jié)五號(hào)電池的電量足夠其工作數(shù)月之久。zigbee可以進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計(jì)，通過(guò)主節(jié)點(diǎn)管理子節(jié)點(diǎn)，最高一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可以管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，通過(guò)zigbee的組網(wǎng)功能可以在多個(gè)地區(qū)放置節(jié)點(diǎn)，統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、對(duì)比和處理，有利于系統(tǒng)得出相應(yīng)的結(jié)論，而zigbee的低功耗休眠模式，確保了節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期有效運(yùn)行狀態(tài)。

2.4 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，同時(shí)設(shè)計(jì)交互式操作，保證可以遠(yuǎn)程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。上位機(jī)界面如下圖3所示，主要包括三個(gè)部分，第一個(gè)方面是信息提示，包括時(shí)間信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等；第二個(gè)方面是數(shù)據(jù)展示和導(dǎo)出，包括采集到的酸堿度、離子濃度、水體溫度等；第三個(gè)部分是結(jié)論信息，通過(guò)相應(yīng)的設(shè)備對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出相應(yīng)的結(jié)論，并通過(guò)上位機(jī)軟件進(jìn)行展示。

圖3 上位機(jī)界面圖

3 結(jié)論

通過(guò)設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用傳感器采集數(shù)據(jù)，單片機(jī)控制采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)zigbee發(fā)送至云端，上位機(jī)軟件對(duì)處理后的數(shù)據(jù)和相關(guān)信息進(jìn)行展示，解決傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)中人力資源浪費(fèi)嚴(yán)重，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，為以后的研究打下一定基礎(chǔ)。