基于物聯網技術的水質監測系統設計與實現

周 斌

（東莞理工學院，廣東東莞 523808）

研究發現傳感器具有網絡覆蓋廣、成本低廉等優點，非常適用較大范圍的水質監測[1]。本文設計并實現了一種基于無線傳感網絡的物聯網水質監測系統，采用基于ZigBee的無線傳感器網絡加串口數據傳輸技術框架，由監測節點、網關、服務器與網頁客戶端組成[2]。系統最終可以實現監測節點實時采集水體的水溫、pH值、電導率值等參數信息，也可以開啟監控功能定時采集參數信息，經過網關將數據傳送至監測中心服務器，監測中心對水質情況進行統計和分析，提供網頁端供用戶在線查看當前水質情況和歷史水質情況。

1 系統功能設計

結合物聯網系統的通用體系架構設計系統結構[3]，可從信息感知系統（感知層）、多層次數據融合傳輸系統（網絡層）、Web綜合服務平臺三個功能單元（平臺層+應用層）展開描述。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

1.1 信息感知系統（感知層）

（1）監測節點通過引腳與傳感器的模數（AD）輸出進行電路連接，獲取各監測點工作電壓，實現對水質的檢測。

（2）監測節點具有采集實際物理量、數據無線傳輸、執行控制命令等功能，集成的芯片通過程序對采集的物理量進行分析轉換，得到水質監測所需的各個關鍵參數，可以根據上層控制命令實現對底層節點的相應操作。

1.2 多層次數據融合傳輸系統（網絡層）

協調器節點作為中繼數據傳輸系統，是數據傳輸的中轉站，用于感知網絡與服務器的互聯，實現數據雙向傳輸。

（1）監測節點獲取傳感器采集的相關數據信息后，通過短距高無線組網技術將數據發送給協調器節點。

（2）協調器節點將從監測節點接收到的數據，通過以太網的網絡模塊進行遠距離傳輸，轉發給監測中心服務器。

（3）監測中心服務器偵聽程序將接收的數據，根據不同的任務進行解析并保存至數據庫相應的數據表。

（4）Web綜合服務平臺根據用戶的指令從數據庫中讀取數據進行處理并顯示。

1.3 Web綜合服務平臺（平臺層+應用層）

（1）根據用戶的需求，從數據庫查詢相關數據，查到的數據在Web前端進行統計與分析處理，最終以直觀形式展現在Web客戶界面。

（2）Web端具有對監測節點下達命令功能，如在線數據采集功能的開啟或關閉。

2 系統功能實現

2.1 水質監測傳感器的選型

為方便進行調試和擴展相關的應用，選用模塊化的硬件設計，水質監測傳感器節點需要進行溫度、pH值、電導率以及固體溶氧量值的采集[4]。傳感器需要長期浸泡在水中進行水質的檢測，必須采用較特殊的機械密封方式將電極的所有接線端密封起來，防止進水造成設備損毀。本系統分析采集水體的水溫、pH值、電導率值的測量原理進行傳感器的選型。選擇的傳感器分別是DS18B20溫度傳感器、E-201-C型PH電極以及固體溶氧量TDS傳感器。

需要對采集的數據進行模數轉換以及整合后進行數據發送，本系統采用STM32F103VET6作為開發板進行信號處理。通過STM32模塊連接溫度傳感器、pH值電極以及固體溶氧量傳感器，進行數據讀取并通過串口將數據傳輸給CC2530模塊[5]。采集模塊的結構原理如圖2所示。

圖2 水質監測傳感器節點模塊結構原理

2.2 協調器節點設計

選用CC2530模塊作為協調器節點模塊，水質監測傳感器節點與STM32模塊串口連接接收數據，通過射頻天線無線將數據發送到CC2530節點上，完成數據的無線傳輸[6]。

2.3 軟件設計

軟件設計是實現本系統的重要組成部分，水質監測系統中有多個節點，需要通過軟件設計實現節點間的數據傳輸。本系統軟件部分主要包括水質監測傳感器節點數據調理電路程序、網絡協調器節點程序、上位機程序和網頁端程序4個部分。軟件部分的重點是網頁端的實現，對Web數據統計與分析，將監控數據從數據庫中提取出來，經過統計和分析，最終以折線圖的形式展現在Web頁面上。

該過程使用HTML和Javascript進行開發，獲取數據到分析數據的執行過程如圖3所示。

圖3 Web端獲取數據到分析數據的執行過程

3 系統測試

在系統測試階段，將pH值傳感器連接到整流濾波放大模塊，經電路將電壓處理放大后通過STM32開發板的PC0引腳進行讀取，溫度傳感器連接到PB10引腳進行讀取，TDS傳感器連接到PC2引腳進行讀取，讀取三個引腳的電壓值后進行模數轉換，整合成一條幀發送到串口。STM32通過串口連接CC2530集成的水質監測傳感器節點，水質監測傳感器節點接到一幀數據后，轉發數據無線至CC2530協調器節點。協調器節點再將從監測節點接收到的數據通過以太網的網絡模塊進行遠距離傳輸，轉發給監測中心服務器。

根據流程連接部件，實物效果如圖4所示。

圖4 系統所需硬件實物連接效果

協調器節點將從水質監測傳感器節點接收的數據，通過以太網的網絡模塊遠距離傳輸轉發給監測中心服務器后，監測中心服務器偵聽程序將接到的數據根據不同的任務進行解析，保存至數據庫相應的數據表。Web綜合服務平臺可以根據用戶的指令從數據庫中讀取數據進行處理并顯示。

具體效果如圖5～圖8所示。

圖5 系統數據展示圖

圖6 pH值展示圖

圖7 電導率展示圖

圖8 固體溶氧量展示圖

4 結語

以CC2530為核心模塊，搭載各類水質監測傳感器，設計了具有模塊化結構的水質監測傳感器節點。同步開發了基于Web的用戶客戶端，可根據用戶的需求，從監測中心服務器數據庫中查詢相關數據。查到的數據在Web前端進行統計與分析處理后可以以圖表形式展現。試驗測試表明該系統具有良好的通用性和可擴展性，實現了預期目標。