基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)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(huì)的進(jìn)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(huì)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(shí)，加強(qiáng)對(duì)水源的保護(hù)，不僅中國正在減少水源污染，加強(qiáng)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(jìn)步，一些結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化工藝設(shè)計(jì)的可自動(dòng)監(jiān)測(cè)水質(zhì)狀況的機(jī)器逐漸面世。然而，這種設(shè)備價(jià)格高昂，且基站難以定位，一旦建成就很難移動(dòng)，無法及時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)污染源的排放。綜合上述不足，本文設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合 STM32 單片機(jī)、傳感器、無線通信和 C# 軟件開發(fā)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)化整合 [4]。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)基站水質(zhì)參數(shù)變化的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，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(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性較好。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)及工作原理

系統(tǒng)分為三個(gè)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(tái)。

下位機(jī)的運(yùn)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(jìn)行工作。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)借助傳感器對(duì)兩個(gè)所需直流電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與記錄，并將其轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠處理的電信號(hào)。此外，使用 LCD 液晶屏，用動(dòng)態(tài)連接的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。PC 端數(shù)據(jù)采集可以使用串口調(diào)試助手進(jìn)行調(diào)試，由主機(jī)對(duì)下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(tái)。對(duì)于數(shù)據(jù)的傳輸、處理和儲(chǔ)存問題，即在 STM32 單片機(jī)的基礎(chǔ)上，根據(jù) TCP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議， 運(yùn)用 GPRS 模塊把實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)終端平臺(tái) [6]。工作人員可以使用基于 C# 軟件工作的操作平臺(tái)進(jìn)行人機(jī)操作。該操作平臺(tái)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(jìn)行實(shí)時(shí)處理和儲(chǔ)存，便于工作人員檢查和監(jiān)測(cè)。該監(jiān)測(cè)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(jì)

2.1 下位機(jī)基站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下位機(jī)基站系統(tǒng)以 STM32 為核心。單片機(jī)實(shí)時(shí)采集傳感器信號(hào)，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(shí)還可以通過串口將數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)各部分功能，下位機(jī)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(gè)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(yùn)用 ARM Cortex-M3 骨架的低功耗處理器，即運(yùn)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(shí)間實(shí)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(shí)， TIM 能夠?qū)崟r(shí)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(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)可以將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jì)

GPRS 為集成化產(chǎn)品，主要包含四個(gè)模塊，即控制端口、射頻天線端口、外設(shè)及 SIM 卡槽。設(shè)計(jì)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(gè)模塊， 對(duì)每個(gè)模塊分別設(shè)計(jì)，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。基于眾多的優(yōu)點(diǎn)，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(yuǎn)程連接服務(wù)器后可將數(shù)據(jù)通過 Internet 進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸至中心數(shù)據(jù)管理中心 [8]。隨著 5G 時(shí)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(jì)

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(shí)器，在 ADC 工作時(shí)， 能夠根據(jù)實(shí)際情況的不同，對(duì)掃描方式進(jìn)行選擇性設(shè)置，例如單次掃描或者多次掃描。此外，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，ADC 外設(shè)還可以將處理的數(shù)據(jù)按照以左對(duì)齊或者右對(duì)齊的方式存儲(chǔ)到相關(guān)存儲(chǔ)單元中。本次設(shè)計(jì)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(chǔ)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(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過程中開啟 ADC 時(shí)鐘，完成相關(guān)參數(shù)設(shè)置。由于采集的兩個(gè)數(shù)據(jù)輸出均為模擬信號(hào)，因此僅使用 ADC1 中的兩通道就可以實(shí)現(xiàn)全部功能。

3.2 水流量數(shù)據(jù)采集

在實(shí)際情況中，水的流動(dòng)會(huì)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(hào)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(jì)算出轉(zhuǎn)速 [9]。對(duì)照相關(guān)科學(xué)曲線，可進(jìn)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(jì)算，流出 1 L 的水，大約能夠生成450 個(gè)脈沖，由此可計(jì)算出水的流速。由于不同的水速會(huì)輸出不同頻率的脈沖方波，因此 STM32 單片機(jī)可以運(yùn)用定時(shí)器 TIM2 對(duì)脈沖時(shí)刻計(jì)數(shù)， 并且借助 TIM2 中的 TIM_CCR 實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖方波信號(hào)的檢測(cè)，內(nèi)部的 TIM_CNT 計(jì)數(shù)器可以記錄脈沖方波信號(hào)發(fā)生反轉(zhuǎn)的次數(shù)，從而計(jì)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(jì)

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(diǎn)，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(yùn)用 C# 軟件可以提高數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)周期， 并借助技術(shù)的優(yōu)越性，設(shè)計(jì)出簡單易懂的緊急交互界面，降低了系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)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(shí)間。在使用過程中，工作人員可根據(jù)實(shí)際情況的需要，登錄軟件對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)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(huì)發(fā)出警報(bào)，快速警告監(jiān)管的工作人員。結(jié)合 .NET 平臺(tái)下的 WinForm 軟件與 SQL Server 數(shù)據(jù)庫，用 VS 環(huán)境設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的數(shù)據(jù)管理中心平臺(tái) [10]。系統(tǒng)可以時(shí)刻接收遠(yuǎn)程無線上傳的數(shù)據(jù)并進(jìn)行精確顯示，同時(shí)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(cè)地的水質(zhì)情況。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示測(cè)試

遠(yuǎn)程服務(wù)器端運(yùn)行 C# 程序軟件，根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行程序的修改和調(diào)試，提高軟件運(yùn)行的安全性及穩(wěn)定性。由圖 3 可知，通過系統(tǒng)檢測(cè)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(kuò)展應(yīng)用）在一定范圍內(nèi)波動(dòng)， pH 值在 7 ～ 8 范圍內(nèi)波動(dòng)，渾濁度保持在 4 NTU 左右，而水流量在 2 L/s 左右浮動(dòng)。

4.2 數(shù)據(jù)查詢測(cè)試

遠(yuǎn)程連接服務(wù)器啟動(dòng)系統(tǒng)保持長時(shí)間運(yùn)行，實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)使得系統(tǒng)存儲(chǔ)了大量數(shù)據(jù)，這些存儲(chǔ)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(shí)間內(nèi)檢測(cè)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(shí)間， 方便后期進(jìn)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(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)可以做到提前預(yù)防，防止污染進(jìn)一步擴(kuò)散，提升水質(zhì)監(jiān)測(cè)管理的科學(xué)性和高效性，為相關(guān)部門提供應(yīng)對(duì)策略和管理措施，具有極強(qiáng)的實(shí)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(shí)還能夠保障通信安全，對(duì)于一些復(fù)雜的檢測(cè)環(huán)境而言，可以降低通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(yùn)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。