基于物聯(lián)網(wǎng)的污水監(jiān)測系統(tǒng)

0 引 言

“工業(yè) 4.0”時代促進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，但與此同時，工業(yè)廢水排放量卻日益增加且愈加難以控制，對水域造成了嚴(yán)重污染。廢水中的有毒物質(zhì)會通過食物鏈危害生物健康，其中的揮發(fā)性物質(zhì)亦會通過空氣循環(huán)和水循環(huán)破壞生態(tài)平衡。

目前，許多地區(qū)主要依靠人工監(jiān)測手段進(jìn)行不定期的污水監(jiān)測，或使用基于有線通信的污水監(jiān)測系統(tǒng)。人工監(jiān)測存在數(shù)據(jù)采集難度大，精確度不高等問題 ；有線通信則存在施工量大、成本高、調(diào)節(jié)不便、監(jiān)測范圍有限等問題，無法滿足我國污水區(qū)域的監(jiān)測需求。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為國家重點(diǎn)發(fā)展的高精技術(shù)之一，已被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測等領(lǐng)域。開發(fā)者可以應(yīng)用智能系統(tǒng)速率高、實(shí)時性強(qiáng)、穩(wěn)定高效等特點(diǎn)，將污水監(jiān)測與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，改善生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)環(huán)境協(xié)調(diào)與可持續(xù)發(fā)展 [1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)計

本文系統(tǒng)通過 pH 值傳感分析儀、電導(dǎo)率傳感器、渾濁度傳感器采集 pH 值、電導(dǎo)率、渾濁度信息，所采集的信息經(jīng)過相應(yīng)模塊電路后，會以模擬信號的形式輸入 ZigBee 節(jié)點(diǎn)的 ADC 通道，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析和無線傳輸。綜合考慮成本、精度等因素后，傳感器選型如下 ：

E-201-C pH 電極配合 pH 采集電路模塊，其檢測范圍為0 ～ 14，功耗＜ 0.2 W，帶有溫度補(bǔ)償功能，能以模擬電壓或串口輸出。pH 標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖 1 所示。

GE-TS 渾濁度傳感器配合相應(yīng)電路模塊，帶有溫度補(bǔ)償功能，以 0 ～ 4 V 模擬電壓形式輸出，電壓與濁度的特性曲線如圖 2 所示，圖中 Y 軸為濁度，1 NTU=1 mg/L。

TDS 電導(dǎo)率探頭配合相應(yīng)電路模塊，靈敏度高，能以TTL 串口或以模擬電壓形式輸出，適用于不同場合的水質(zhì)。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

系統(tǒng)框架及傳輸路徑如圖 3 所示。ZigBee 對比 WiFi、藍(lán)牙具有低功耗、低成本、多節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢，因此選用 ZigBee 作為系統(tǒng)的無線傳輸層 [2-4]。ZigBee 模塊選擇 TI CC2530 芯片。ZigBee 是基于 IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的無線通信組網(wǎng)技術(shù)， 經(jīng)過 ZigBee 聯(lián)盟對 IEEE802.15.4 的改進(jìn)， 形成了 ZigBee 協(xié)議（Z-Stack）。ZigBee 的傳輸速率為 20 ～ 250 kbit/s，ZigBee 節(jié)點(diǎn)間的距離可擴(kuò)展到幾百米，最多擁有 255 個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

各節(jié)點(diǎn)采集到相應(yīng)的指標(biāo)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，利用 ZigBee 協(xié)議棧組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn) ZigBee 多節(jié)點(diǎn)之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。本文系統(tǒng)采集三個指標(biāo)，因此組網(wǎng)需要設(shè)計三個終端節(jié)點(diǎn)和一個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。三個終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理分析后，把信息通過組網(wǎng)無線傳輸至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收并匯總信息，再通過 USART1 傳輸給嵌入式終端，嵌入式終端利用 USART2 將數(shù)據(jù)發(fā)送給 PC 端應(yīng)用程序。

1.3 數(shù)據(jù)處理分析

數(shù)據(jù)處理分析將 CC2530 和 STM32F103 作為控制處理芯片 [5]，CC2530 分析自節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，STM32 接收、分析、匯總、傳輸所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

由于各傳感器采集到的并非可用電信號，因此需要經(jīng)過一定的驅(qū)動和轉(zhuǎn)換電路處理，將其轉(zhuǎn)換為可用模擬信號后才能輸入到 ZigBee 節(jié)點(diǎn)的 ADC 通道中。ADC 轉(zhuǎn)換器讀取信號時，需要經(jīng)過數(shù)據(jù)采樣去噪和濾波算法，以減小偶然性及誤差。

各節(jié)點(diǎn)的 ADC 通道讀取到電信號后，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，再參考分辨率和參考電壓關(guān)系，把電信號轉(zhuǎn)換為具體模擬量。只需推出傳感器電壓和指標(biāo)對應(yīng)關(guān)系式，即可把模擬量轉(zhuǎn)換為具體指標(biāo)值。而關(guān)系式可以借助傳感器說明書參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)， 如 pH 傳感器滿足線性關(guān)系，輸出電壓 0.4 ～ 2 V 對應(yīng) pH 值0 ～ 14，由此推導(dǎo)出 pH 值 0 對應(yīng)電壓 0.4 V，pH 值 14 對應(yīng)2 V。令 pH為 y，電壓為 x，可得關(guān)系式 ：

y=8.75x-3.5

關(guān)系式也可以依據(jù)其他參數(shù)、特性曲線進(jìn)行推導(dǎo)。由于環(huán)境及其他因素干擾，仍需測試大量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，以提高準(zhǔn)確度。

各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)范圍制定參考《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-02）《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978-1996），并參考實(shí)際測試情況進(jìn)行制定。系統(tǒng)將測量值與標(biāo)準(zhǔn)值范圍進(jìn)行對比，判斷各指標(biāo)是否異常并提示。

1.4 軟件設(shè)計

1.4.1 ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

ZigBee 實(shí)現(xiàn)無線通信須經(jīng)過各層的初始化、進(jìn)入操作系統(tǒng)、運(yùn)行操作系統(tǒng)、組網(wǎng)與加入網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送與接收數(shù)據(jù)等過程 [6-7]，組網(wǎng)流程如圖 4 所示。

發(fā)送與接收數(shù)據(jù)的格式可根據(jù)具體要求定義，以確保數(shù)據(jù)的正確傳輸。如編寫 SampleApp_SendPeriodicMessage（void）為發(fā)送函數(shù)，SampleApp_MessageMSGCB（afIncoming MSGPacket_t*pkt）為接收函數(shù)，并在函數(shù)中定義數(shù)據(jù)傳輸格式。

1.4.2 監(jiān)控界面設(shè)計

系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)和 STM32 終端以 LCD 屏進(jìn)行顯示。漢字顯示需要借助 PCtoLCD2002，把漢字轉(zhuǎn)換為索引和點(diǎn)陣形式的代碼才能被識別并正確顯示 [8]。此外，系統(tǒng)使用 VS2015 開發(fā)工具設(shè)計了可以在 PC 機(jī)運(yùn)行的程序，該應(yīng)用通過串口與STM32 終端通信，只需選擇串口號和波特率即可。應(yīng)用鏈接 MySQL 數(shù)據(jù)庫，保存歷史數(shù)據(jù)，方便查詢、管理和分析。應(yīng)用可以查看所有節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)數(shù)據(jù)，并能夠準(zhǔn)確分析數(shù)據(jù)是否在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，從而決定是否發(fā)出預(yù)警。

2 結(jié) 語

本文實(shí)現(xiàn)了速率高、實(shí)時性強(qiáng)、穩(wěn)定高效的物聯(lián)智能監(jiān)測系統(tǒng)，可同時采集和顯示數(shù)據(jù)并預(yù)警，解決了依靠人工監(jiān)測或有線通信的污水監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集難度大、數(shù)據(jù)精確度不高、實(shí)時性不強(qiáng)、監(jiān)測效率低、安裝施工量大、成本高、調(diào)節(jié)不便、監(jiān)測范圍小等問題，大大簡化了污水監(jiān)測過程。