多傳感器無線智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

王文華，岳維光，王宇飛，谷偉豪，趙太飛

（1.西安理工大學自動化與信息工程學院，陜西西安710048；2.桓臺縣實驗中學山東淄博256400）

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多傳感器無線智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

王文華1，岳維光2，王宇飛1，谷偉豪1，趙太飛1

（1.西安理工大學自動化與信息工程學院，陜西西安710048；2.桓臺縣實驗中學山東淄博256400）

摘要：該多傳感器無線智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)以STC12C5A60S2型號單片機作為主控芯片實現(xiàn)對PH值、溫度、濁度等水質(zhì)參數(shù)的遠程實時監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)通過GSM模塊進行無線傳輸。該系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)快速、準確、實時的采集和傳遞，有效地減少人力、財力的支出。該系統(tǒng)運用PH傳感器、濁度傳感器、溫度傳感器快速、準確的測量水體PH、濁度、溫度3個重要參數(shù)，并通過AD轉(zhuǎn)換對數(shù)據(jù)進行采集，LCD1602進行顯示，與以前的人工監(jiān)測方式不同，對于偏遠地區(qū)有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：多傳感器；STC12C5A60S2；遠程實時監(jiān)測；無線傳輸

隨著國家綜合國力的提升，矗立在各個地區(qū)的工廠逐漸增多，工業(yè)廢水，生活廢水，正在一步步危害我們的生活。水體污染嚴重，水資源匱乏，必須引起我們的注意。環(huán)保觀念的深入人心和水質(zhì)污染的日趨擴大，全面、實時和準確的監(jiān)測水體質(zhì)量已是大勢所趨。對于水質(zhì)的如何監(jiān)測和處理是我們正面臨的重大問題?，F(xiàn)如今，水質(zhì)參數(shù)對時效性有著很高的要求，尤其是水質(zhì)預警預報要求快速、準確、實時的采集和傳遞。

因此，我們采取的水質(zhì)監(jiān)測與傳統(tǒng)的人工檢測的不同，提出了一種多傳感器無線智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)［1 -3］，以STC12C5A60S2型號單片機作為主控芯片實現(xiàn)對PH值、溫度、濁度等水質(zhì)參數(shù)的遠程實時監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)進行傳輸與保存，依據(jù)設(shè)定參數(shù)便能對水質(zhì)進行分析判定。應(yīng)用此多傳感器無線智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)可有效地減少人力、財力的支出。運用傳感器［4］（溫度，濁度，PH）來使測量結(jié)果更加精準，采用無線傳輸解放了人力，能夠?qū)崟r的對水質(zhì)進行監(jiān)測，對于偏遠地區(qū)有很好的應(yīng)用前景。

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)從外部看是一個黑盒子外加一個1602顯示屏，黑盒子內(nèi)的主控芯片為STC12C5A60S2單片機，系統(tǒng)由溫度傳感器模塊、PH傳感器模塊、濁度傳感器模塊、SIM300模塊、顯示模塊、存儲模塊、電源模塊等7個模塊組成，水質(zhì)監(jiān)測的硬件框圖如圖1所示。

從框圖中我們可以看出，系統(tǒng)的硬件部分主要由12個部分組成，其包括主控芯片STC12C5A60S2，7個模塊（包括PH傳感器模塊、濁度傳感器模塊、溫度傳感器模塊、顯示模塊、存儲模塊、電源模塊、SIM300模塊），AD轉(zhuǎn)換，反饋裝置（包括升溫、降溫裝置）以及手持終端。

這12個部分互相協(xié)調(diào)，就可以實現(xiàn)對水質(zhì)PH、濁度以及溫度的檢測，并作出反饋。

圖1　系統(tǒng)的硬件框圖

2　系統(tǒng)功能及原理

2.1水質(zhì)的PH值檢測

PH值是衡量水質(zhì)酸堿度的標準之一，是生活用水、工業(yè)用水、養(yǎng)殖水體的重要標準，PH值6～9之間為國家允許的標準。我們采用的PH值檢測儀是龍戈電子PH傳感器，模塊上集成了PH傳感器和水溫傳感器，便于我們計算PH值時考慮系統(tǒng)溫度補償。該產(chǎn)品的檢測溫度范圍為0～80℃，工作電流為5～10 mA，PH值檢測范圍為0～14。選用的電極是雷磁E-201-C PH復合電極，使用之前需要對PH值進行校準，此電極可以測量低導電率的水樣，如自來水，河水、雨水等。

通過PH傳感器模塊和PH電極對水質(zhì)酸堿度的測量與采集，經(jīng)單片機的AD轉(zhuǎn)換和顯示就可以得到水體的酸堿度。

2.2水質(zhì)的濁度檢測

無論是何種水體都離不開對水體渾濁的判定，濁度的國家標準范圍是0.14～0.93NTU，我們采用的濁度傳感器是GE濁度傳感器TS型，模塊上含有防水探頭，能安全的測量水體的濁度。該產(chǎn)品的最大工作電流是30 mA，信號輸出電流信號，操作溫度為-30～80℃。

渾濁度的傳感器的測量實質(zhì)是通過測量水中懸浮顆粒的多少來判定水體的濁度，其原理是利用一束光線通過水樣時，由于水體中懸浮顆粒對光線的散射以及反射，使得到達接收端的光線和發(fā)射端的光線強度有所減弱，其減弱的大小與渾濁度一一對應(yīng)［5］。同PH傳感器，對于水體濁度的采集和顯示需要經(jīng)單片機的AD轉(zhuǎn)換。

2.3水質(zhì)的溫度檢測

溫度是最常用的物理指標之一。由于水的許多物理特性、水中進行的化學過程和生物過程都與溫度有關(guān)，所以它是必須加以測定的。天然水的溫度因水源的不同而異；地表水的溫度與季節(jié)氣候條件有關(guān)，其變化范圍大約在0.1～30℃；地下水的溫度則比較穩(wěn)定，一般變化于8～12℃左右；而海水的溫度變化范圍為-2～30℃。

我們采用的是DS18B20數(shù)字溫度傳感器探頭，該溫度傳感器，有較高的靈敏性，極小的溫度延遲。主要參數(shù)有：測量溫度范圍為-55～125℃，溫度以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，工作電壓為3～5 V。提高了系統(tǒng)的抗干擾性。在中控芯片STC12C5A60S2的控制下，可以采集溫度并顯示。

2.4無線傳輸模塊

無線傳輸［6-12］采用SIM300模塊通過短信實現(xiàn)，無線數(shù)傳模塊具有復雜度低、成本低、功耗低等特點，在實現(xiàn)實時控制方面具有很大的優(yōu)勢。在任何有移動網(wǎng)絡(luò)的地方，都可以實現(xiàn)遠距離的實時監(jiān)測水質(zhì)的PH、濁度和溫度這3個參數(shù)，并作出反饋。中央控制芯片利用STC12C5A60S2，終端到上位機的無線傳輸部分利用無線數(shù)傳模塊，傳輸文字與圖片等信息或者是利用基于SIM300模塊的移動通信將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機、平板等移動終端［13］。

2.5報警裝置

水體的溫度，PH，濁度高于（或低于）國家標準范圍時需要系統(tǒng)進行報警［14］，報警采用3種不同顏色的發(fā)光二極管（紅，綠，黃）以及蜂鳴器來通知用戶。如果不在國家標準范圍，對應(yīng)參數(shù)的發(fā)光二極管發(fā)光（溫度-紅，PH-綠，濁度-黃），同時蜂鳴器報警，讓用戶不僅可以及時的收到報警信息，而且也能通過人工或是系統(tǒng)的自身反饋對相應(yīng)的參數(shù)作出調(diào)節(jié)使其達到國家標準范圍。

3　系統(tǒng)軟件編程

3.1上位機軟件

上位機多傳感器無線智能水質(zhì)監(jiān)測人機界面是基于C#高級語言軟件編寫［15］的，具有顯示、控制以及存儲數(shù)據(jù)的功能。該界面可以對采集到的PH值、溫度、濁度進行顯示，并顯示各個水質(zhì)參數(shù)數(shù)值的浮動范圍以及最近數(shù)據(jù)變化趨勢。

3.2下位機編程

下位機是基于C語言的STC12C5A60S2單片機開發(fā)，單片機通過I/O口與各傳感器的連接進行AD轉(zhuǎn)換來采集數(shù)據(jù)。串口1與無線數(shù)傳模塊連接實現(xiàn)與上位機之間的通信。當水質(zhì)采集模塊開始正常工作后，單片機將采集到的100次數(shù)據(jù)求平均值后通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送到用戶終端，實現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)的實時監(jiān)測和傳送。具體流程如圖2所示。

如圖2所示，是水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的流程圖，主要有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸、報警模塊等算法流程。數(shù)據(jù)采集的算法流程又包含了電壓值——PH、電壓值——濁度的AD轉(zhuǎn)換算法流程和DS18B20的返回值——溫度的算法流程；報警模塊的將采集值與設(shè)定值比較以決定是否報警的算法流程。

4　結(jié)果顯示

利用此水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)對實驗水質(zhì)進行實時檢測，可以通過LCD1602顯示出當時的水質(zhì)參數(shù)，如圖3所示。

將實驗水質(zhì)的參數(shù)調(diào)節(jié)到MCU設(shè)置的正常范外，則報警模塊的3個燈會根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)與設(shè)定好的數(shù)據(jù)的偏離程度而有不同程度的亮滅。

通過對3種實驗水質(zhì)的監(jiān)測結(jié)果的記錄和分析，可以得出表1。表1所示為3種不同實驗水質(zhì)的監(jiān)測結(jié)果。

圖2　水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)算法流程圖

圖3　LCD1602顯示數(shù)據(jù)

表1　3種不同水質(zhì)的監(jiān)測結(jié)果

將表1所得的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)比較，得出溫度測量的誤差較小，與實際溫度十分接近；而PH值因為與溫度有關(guān)，3種水質(zhì)的PH誤差也不盡相同，但總體與實際的PH值還是相符合的，可以成功地監(jiān)測水質(zhì)酸堿度。

為了使結(jié)果更加明確，更有對比性，我們分別作了不同溫度下的自來水（表2）、醋（表3）、洗衣粉水（表4）的水質(zhì)參數(shù)（PH值、濁度）變化。

表1　不同溫度下自來水的監(jiān)測結(jié)果

這3種水體水質(zhì)的PH值隨溫度變化較為緩慢；濁度隨溫度的變化，只有自來水的濁度變化較為緩慢，醋和洗衣粉水的濁度變化明顯。

表1　不同溫度下醋的監(jiān)測結(jié)果

表1　不同溫度下洗衣粉水的監(jiān)測結(jié)果

5　結(jié)束語

多傳感器無線智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)將會給水質(zhì)監(jiān)測帶來全面革新，使得多水域、全方位覆蓋監(jiān)測成為可能，同時使我國的水質(zhì)監(jiān)測問題得到緩解?，F(xiàn)如今，水質(zhì)信息對時效性有著很高的要求，尤其是水質(zhì)預警預報要求快速、準確、實時的采集和傳遞。而以前的人工監(jiān)測方式顯然無法滿足這一高要求、高標準，因此研究一種多傳感器水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。本文研究的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)在水環(huán)境監(jiān)測及水污染治理方面的作用將不可忽視，在漁類養(yǎng)殖業(yè)也會創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟價值。

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Wlreless and lntelllgent water quallty monltorlng system deslgn and aPPllcatlon wlth multl-sensor

WANG Wen-hua1，YUE Wej-guang2，WANG Yu-fej1，GU Wej-hao1，ZHAO Taj-fej1
（1.Faculty of Automation and Information Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，China；2.Huantai Experimental Middle School，Zibo 256400，China）

Abstract:The mu1tj-sensor wjre1ess jnte11jgent water qua1jty monjtorjng system to STC12C5A60S2 mode1 as the master chjp mjcrocontro11er for pH，temperature，turbjdjty and other water qua1jty parameters of remote monjtorjng. The data were transmjtted through GSM. The system can reduce the expendjture of human and fjnancja1 resources. The system uses PH sensors，turbjdjty sensors，temperature sensors fast，PH water bodjes，turbjdjty，temperature，three jmportant parameters to accurate1y measure，and the data co11ected by the AD converter，LCD1602 djsp1ay，wjth the prevjous manua1 monjtorjng jn djfferent ways. For remote areas have good prospects.

Key words:mu1tj-sensor；STC12C5A60S2；remote monjtorjng；wjre1ess transmjssjon

中圖分類號：TN99

文獻標識碼：A

文章編號：1674-6236（2016）07-0135-03

收稿日期：2015-11-18稿件編號：201511173

基金項目：國家自然科學基金委員會-中國民航局民航聯(lián)合研究基金資助（U1433110）；西安市科學計劃項目（CXY1435（4））；全國大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金支持（251051558）

作者簡介：王文華（1996—），女，陜西寶雞人。研究方向：通信。