基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)實時在線監(jiān)測系統(tǒng)

引 言

目前，中國的水資源具有兩大突出問題，即蓄水量大與人均水資源少。隨著社會的進步和工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)廢水無法得到有效處理，城鄉(xiāng)生活污水的排放導(dǎo)致地表水和地下水的水質(zhì)惡化。由于國內(nèi)大部分人的生活用水和飲用水直接來自地下，一旦地表水質(zhì)受到污染，就會直接威脅人類和生物的健康 [1]。據(jù)調(diào)查，中國地下水水質(zhì)較好的水體僅占全部水體的 40%，約 60%的水體水質(zhì)不容樂觀。為了深化人們的用水意識，加強對水源的保護，不僅中國正在減少水源污染，加強水污染防治，世界上許多國家都在加入水質(zhì)改善的行列 [2]。因此，國家環(huán)保部門提出了一系列排放水污染的化工企業(yè)污水排放指導(dǎo)原則，其中就包括“污水標(biāo)準(zhǔn)排放， 嚴(yán)格控制總量”[3]。

隨著科技的進步，一些結(jié)合計算機技術(shù)和自動化工藝設(shè)計的可自動監(jiān)測水質(zhì)狀況的機器逐漸面世。然而，這種設(shè)備價格高昂，且基站難以定位，一旦建成就很難移動，無法及時監(jiān)測水質(zhì)污染源的排放。綜合上述不足，本文設(shè)計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合 STM32 單片機、傳感器、無線通信和 C# 軟件開發(fā)的優(yōu)點進行自動化整合 [4]。系統(tǒng)可實現(xiàn)對基站水質(zhì)參數(shù)變化的實時在線監(jiān)測，并提出了更高水平的工業(yè)污染物監(jiān)管，體現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境作為國家基本國策的重要性。因此，該系統(tǒng)的實用性和經(jīng)濟性較好。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計及工作原理

系統(tǒng)分為三個部分，即以 STM32 為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、基于 GPRS 的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、中心數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)平臺。

下位機的運用以 CPU 為中心，在考慮渾濁度、pH 數(shù)值以及水流量的基礎(chǔ)上進行工作。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)借助傳感器對兩個所需直流電壓進行實時檢測與記錄，并將其轉(zhuǎn)換成計算機能夠處理的電信號。此外，使用 LCD 液晶屏，用動態(tài)連接的方式進行數(shù)據(jù)的實時顯示。PC 端數(shù)據(jù)采集可以使用串口調(diào)試助手進行調(diào)試，由主機對下位機采集的數(shù)據(jù)進行正確顯示 [5] ；另一方面，STM32 MCU 將數(shù)據(jù)輸出到 USART 串行端口。GPRS 無線模塊接收數(shù)據(jù)并通過內(nèi)部通信功能將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心管理平臺。對于數(shù)據(jù)的傳輸、處理和儲存問題，即在 STM32 單片機的基礎(chǔ)上，根據(jù) TCP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議， 運用 GPRS 模塊把實時采集的數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)終端平臺 [6]。工作人員可以使用基于 C# 軟件工作的操作平臺進行人機操作。該操作平臺的數(shù)據(jù)庫使用 SQL 開發(fā)，軟件使用C# 語言，將傳感器采集的數(shù)據(jù)進行實時處理和儲存，便于工作人員檢查和監(jiān)測。該監(jiān)測系統(tǒng)的使用，減少了環(huán)保局工作人員前往一線勘察的次數(shù)，提高了環(huán)保局的工作效率。系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 下位機基站系統(tǒng)設(shè)計

下位機基站系統(tǒng)以 STM32 為核心。單片機實時采集傳感器信號，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理后由 LCD 顯示屏顯示采集的數(shù)據(jù)，同時還可以通過串口將數(shù)據(jù)上傳至計算機。為了實現(xiàn)各部分功能，下位機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)要求和技術(shù)規(guī)范， 將整體分為兩個主要部分，即數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和 STM32 最小系統(tǒng)。STM32 最小系統(tǒng)運用 ARM Cortex-M3 骨架的低功耗處理器，即運用功能齊全的主控芯片 STM32F103C8T6[7]，該芯片上集成有多路 ADC，可以在同一時間實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換，極大程度地提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。與此同時， TIM 能夠?qū)崟r記錄相關(guān)水流量數(shù)據(jù)，并借助 USART 將 ADC 處理的數(shù)據(jù)通過串行口送入計算機，計算機可以將接收到的數(shù)據(jù)進行實時顯示。最小系統(tǒng)與各傳感器結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖 2 最小系統(tǒng)與各傳感器結(jié)構(gòu)框圖

2.2 無線通信系統(tǒng)設(shè)計

GPRS 為集成化產(chǎn)品，主要包含四個模塊，即控制端口、射頻天線端口、外設(shè)及 SIM 卡槽。設(shè)計思路 ：軟件開發(fā)使用戶的功能模塊化，根據(jù)功能的不同，將整體劃分為多個模塊， 對每個模塊分別設(shè)計，大幅提高軟件開發(fā)效率，降低系統(tǒng)的開發(fā)周期和開發(fā)難度。該系統(tǒng)使用的通信方式通信范圍廣， 通信速度快，并且有著極高的抗干擾能力和保密程度?；诒姸嗟膬?yōu)點，GPRS 成為目前較為流行的通信方式。根據(jù)TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，遠程連接服務(wù)器后可將數(shù)據(jù)通過 Internet 進行實時傳輸至中心數(shù)據(jù)管理中心 [8]。隨著 5G 時代的到來， 該技術(shù)也能夠極大程度地提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性及安全性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 pH和渾濁度數(shù)據(jù)采集

STM32 內(nèi)部擁有許多 ADC 和定時器，在 ADC 工作時， 能夠根據(jù)實際情況的不同，對掃描方式進行選擇性設(shè)置，例如單次掃描或者多次掃描。此外，在進行數(shù)據(jù)傳輸時，ADC 外設(shè)還可以將處理的數(shù)據(jù)按照以左對齊或者右對齊的方式存儲到相關(guān)存儲單元中。本次設(shè)計指定使用 ADC1 的 11 和 12 通道分別采集水資源的渾濁度和 pH 數(shù)值，并將傳感器采集的數(shù)據(jù)送至 ADC 轉(zhuǎn)換器，按照相關(guān)存儲規(guī)則將采集的數(shù)據(jù)送至 ADC_DR 數(shù)據(jù)寄存器中。在操作過程中可以使用多通道數(shù)據(jù)采集方式，以連續(xù)轉(zhuǎn)換方式對接收的數(shù)據(jù)進行實時轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過程中開啟 ADC 時鐘，完成相關(guān)參數(shù)設(shè)置。由于采集的兩個數(shù)據(jù)輸出均為模擬信號，因此僅使用 ADC1 中的兩通道就可以實現(xiàn)全部功能。

3.2 水流量數(shù)據(jù)采集

在實際情況中，水的流動會使水資源周邊的磁性產(chǎn)生變化，為了監(jiān)控這種變化，可以使用霍爾傳感器將此種狀況以脈沖和頻率的方式展現(xiàn)，輸出的脈沖信號經(jīng)霍爾傳感器內(nèi)部轉(zhuǎn)換電路后用輸出線輸出，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可計算出轉(zhuǎn)速 [9]。對照相關(guān)科學(xué)曲線，可進一步算出渦輪的轉(zhuǎn)速、水流量以及電壓。按照科學(xué)的公式計算，流出 1 L 的水，大約能夠生成450 個脈沖，由此可計算出水的流速。由于不同的水速會輸出不同頻率的脈沖方波，因此 STM32 單片機可以運用定時器 TIM2 對脈沖時刻計數(shù)， 并且借助 TIM2 中的 TIM_CCR 實現(xiàn)對脈沖方波信號的檢測，內(nèi)部的 TIM_CNT 計數(shù)器可以記錄脈沖方波信號發(fā)生反轉(zhuǎn)的次數(shù)，從而計算出整體的脈沖數(shù)。

3.3 中心數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)以應(yīng)用軟件編寫為核心，利用數(shù)據(jù)庫的優(yōu)點，提高了軟件開發(fā)的效率，更方便用戶使用。另外，借助 SQL 技術(shù)開發(fā)的數(shù)據(jù)庫，運用 C# 軟件可以提高數(shù)據(jù)的存儲周期， 并借助技術(shù)的優(yōu)越性，設(shè)計出簡單易懂的緊急交互界面，降低了系統(tǒng)整體設(shè)計的難度，提高了軟件開發(fā)的工作效率，減少了整體應(yīng)用開發(fā)時間。在使用過程中，工作人員可根據(jù)實際情況的需要，登錄軟件對相關(guān)數(shù)據(jù)進行閾值設(shè)置，如果該數(shù)據(jù)大于系統(tǒng)設(shè)定的閾值，則系統(tǒng)會發(fā)出警報，快速警告監(jiān)管的工作人員。結(jié)合 .NET 平臺下的 WinForm 軟件與 SQL Server 數(shù)據(jù)庫，用 VS 環(huán)境設(shè)計了一個完整的數(shù)據(jù)管理中心平臺 [10]。系統(tǒng)可以時刻接收遠程無線上傳的數(shù)據(jù)并進行精確顯示，同時應(yīng)用 Chart 窗體控件開發(fā)的曲線圖也可以更加形象地呈現(xiàn)出該天某監(jiān)測地的水質(zhì)情況。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 上位機數(shù)據(jù)顯示測試

遠程服務(wù)器端運行 C# 程序軟件，根據(jù)實際使用情況進行程序的修改和調(diào)試，提高軟件運行的安全性及穩(wěn)定性。由圖 3 可知，通過系統(tǒng)檢測的數(shù)據(jù)，即 pH 值、渾濁度和水流速（電導(dǎo)率與溶氧量作為后期擴展應(yīng)用）在一定范圍內(nèi)波動， pH 值在 7 ～ 8 范圍內(nèi)波動，渾濁度保持在 4 NTU 左右，而水流量在 2 L/s 左右浮動。

4.2 數(shù)據(jù)查詢測試

遠程連接服務(wù)器啟動系統(tǒng)保持長時間運行，實時接收數(shù)據(jù)使得系統(tǒng)存儲了大量數(shù)據(jù)，這些存儲的數(shù)據(jù)大多保存在 C 盤中，工作人員可以通過查詢歷史數(shù)據(jù)查看之前一段時間內(nèi)檢測的完整數(shù)據(jù)。該界面詳細(xì)記錄了數(shù)據(jù)采集的具體時間， 方便后期進行大數(shù)據(jù)分析，顯示效果如圖 4 所示。

5 結(jié) 語

本文提出了一套新型的基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)實時在線監(jiān)測系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)可以做到提前預(yù)防，防止污染進一步擴散，提升水質(zhì)監(jiān)測管理的科學(xué)性和高效性，為相關(guān)部門提供應(yīng)對策略和管理措施，具有極強的實踐適用性。使用目前較為流行的 4G 通信不僅可以提高通信效率，同時還能夠保障通信安全，對于一些復(fù)雜的檢測環(huán)境而言，可以降低通信網(wǎng)絡(luò)對資源的需求，在無電無網(wǎng)的情況下，系統(tǒng)也能夠安全穩(wěn)定運行。此外，系統(tǒng)還能夠提高數(shù)據(jù)流量速度、數(shù)據(jù)傳輸效率和安全性。