基于物聯網的城市河道酸堿度遠程檢測系統的設計

許克杰，何金龍

(中國計量大學 機電工程學院，杭州 310018 )

基于物聯網的城市河道酸堿度遠程檢測系統的設計

許克杰，何金龍

(中國計量大學 機電工程學院，杭州 310018 )

隨著城市經濟的發展，城市河道水環境受到了嚴重的污染和破壞，其中水質的酸堿度是水質污染的一個重要指標;由于城市河道水質污染的不確定性，一套能夠在野外無人看管的環境下，多節點多范圍對河道水質酸堿度實時檢測系統成為一種需求;系統中每個采集節點連有pH傳感器，采集的pH值數據通過Zigbee模塊傳給基站，基站將每個節點的數據與時間和地點信息綁定存儲到云端數據庫;管理人員可以通過網頁隨時隨地了解當前各區域的水質酸堿度情況，如一旦水質出現污染，管理人員可以通過后臺了解水質污染的擴散情況和污染源頭，可以及時采取措施降低損失；該系統的運用與傳統的人工現場取樣帶回實驗室分析的方法相比，不但極大地提高了預警能力而且還大幅降低人力成本。

物聯網；酸堿度傳感器；城市河道；污染

0 引言

在我國各型城市都遍布著各種各樣的河道，有的是為交通運輸服務的運河，有的是改善城市景觀，維持生態平衡，承擔著防洪排澇的河流。但是在城市化進程中，大量的城市生活污水和工業廢液的排入，超出了河道本身的自凈能力，打破河道的生態平衡，導致河道水質污染嚴重，出現黑臭等情況。

酸堿度是水質等級評價中一個重要的指標，以pH來表征。在河道中，但凡涉及到河水污染都會使pH值發生變化，所以在對水質污染監測系統中，對水環境的pH值測量尤為重要[1]。目前管理部門對河道酸堿度的檢測大多都采用人工現場取樣，帶回實驗室用檢測儀器分析的方法，也有檢測人員利用便攜式pH傳感器在河道現場測量。若需要多點多區域采樣，以上測量方法則要花費大量的人力和時間，而且檢測結果具有滯后性，因此基于物聯網技術開發一套能夠遠程實時檢測河道酸堿度，且覆蓋多點多區域的系統有很大需求[2-4]。管理部門不需要到現場，就能實時了解當前各個區域的河道水質的pH值，一旦pH超過正常值，管理部門可以立刻采取措施，降低損失。另外，還可以通過歷史數據尋找污染源頭，了解擴散程度。綜上所述，整個系統不但可以減少人力成本，還極大提高了河道污染的預警能力。

1 總體結構及原理

基于物聯網的城市河道酸堿度遠程檢測系統的整體框架如圖1所示，是由多個節點、一個基站和網頁端組成。每個節點每隔20 s采集一次pH值，根據自定義協議構建數據包，通過Zigbee發給基站，基站負責接收每個節點傳輸過來的信息，整理分類后并與當前時間和節點位置信息一同保存到云服務器數據庫中。網頁后臺每隔20 s會從數據庫中取每個節點當前最新的pH值并在前端顯示。

圖1 總體框架

2 系統設計

2.1 節點設計

整個節點采用一塊2 000 mAh鋰電池進行供電，選用Arduino Pro mini作為控制器，并與pH傳感器相連接，AD采集傳感器數據后通過Zigbee無線模塊發送給基站。整個節點結構如圖2所示。

圖2 節點組成結構

控制器每20 s采集一次pH值，每個節點每次所發送的數據包采用自定義的協議格式，其中包括包頭、自身節點編號、pH值數據、crc校驗及包尾等。

2.1.1 pH采集

目前工業上檢測pH值運用最廣泛的是電極式傳感器，由指示電極與參比電極構成。當溶液中的氫離子濃度發生變化時，兩個電極之間的電勢差也隨之變化[5]。本系統中的pH傳感器采用玻璃電極作為指示電極，銀-氧化銀電極作為參比電極。在pH值0～14范圍內，輸出為模擬量，由于pH復合電極自身內阻很高(108Ω～1010Ω)，所以電極間輸出的電壓非常小，需要對信號進行放大處理，以滿足微控制器對其的AD采樣需求。并在放大電路后加上濾波電路過濾掉一些高頻的雜波，使信號更加穩定。信號放大濾波電路[6]如圖3所示。

圖3 pH電極信號處理電路

接著對傳感器進行標定，用HCl和NaOH溶液配置pH值為1～13的緩沖溶液，采集傳感器在不同的pH值溶液中輸出的電壓值，并且每個pH值取多次求平均，并對該組數據進行線性擬合[7]。圖4的曲線為最終擬合標定出來的曲線，由關系圖可知，pHi(i=1，2，…，n)與Ei(i=1，2，…，n) 基本滿足線性關系E=-0.269 2·pH+3.807 7。

圖4 pH值與電壓線性擬合曲線

2.1.2 無線傳輸

Zigbee無線技術非常適合應用在野外或者煤井等惡劣條件下的監測系統中[8-9]。本系統每個節點采集到的數據通過zigbee無線透傳模塊發送給基站，該模塊已經封裝好不同模式的協議棧，分為主機(Coordinator)、路由設備(Router)、終端設備(EndDevice)。一個 Zigbee 網絡的建立是由主機發起的，當主機建立起網絡之后，路由設備與終端設備即可以自由加入網絡。系統基站的Zigbee使用主機模式，負責建立網絡，所有節點的Zigbee模塊則使用路由模式。由于Zibgee是一種短距離傳輸方式，如果節點離基站距離過遠，導致信號衰竭，路由設備則可以跳轉網絡間的數據，只要遠距離的節點與基站之間還有傳輸范圍內的其他節點，就可以通過他們成功的將數據傳給基站。

2.2 基站設計

基站的主機采用的是預裝了Linux操作系統的Raspberry Pi，Zigbee模塊選用的是主機(Coordinator)模式，收集所有節點采集的數據，通過串口轉USB傳給主機，主機解析數據包，如果數據包校驗不對則直接拋掉，將校驗正確的數據包解析后加上時間信息存到數據庫。

2.3 網頁功能設計

網頁端能夠實時顯示當前每個節點所在區域的pH值，方便管理人員實時監控。網頁端還有一個自動報警功能，當節點采集的數據超過設定的某個范圍，會第一時間發送郵件和短信給相關人員，以便他們迅速采取措施，減少損失。在此期間他們可以通過數據了解污染的范圍和污染源頭，為他們提供可靠的信息保障。最后，網頁還可以利用以往的歷史數據繪制報表和曲線，供相關部門研究其周期性變化。

3 系統軟件設計

3.1 節點軟件設計

節點部分的軟件設計基于C語言，采用模塊化設計思想，以主程序為核心設置了很多功能模塊子程序。

節點程序設計的主要思想是利用Arduino Pro mini微控制器對pH傳感器濾波放大后輸出的模擬信號進行AD采樣，該控制器有六路模擬輸入A0到A5,每一路具有10位的分辨率。傳感器連入微控制器其中一個模擬輸入口，利用庫函數中的AD采樣函數，連續采集10組數據，去掉最大和最小值求得平均值，然后根據參考電壓求得實際電壓，之后利用上文標定函數計算出pH值。微處理器會將計算出的pH值賦值到自定義協議數據結構體對應變量上，并根據具體數據構建校驗字節段和整個數據包，接著微處理器從數據包的包頭地址每8位依次發送數據包，最后進入的休眠模式以降低功耗。整個節點程序結構就是在相應初始化后，循環進行AD采集、處理數據、構建數據包、發送數據、休眠20 s，程序流程圖如圖5所示。

圖5 節點程序流程圖

3.2 基站軟件設計

基站的Zigbee透傳模塊從采集節點接收到數據后從串口引腳輸出，通過PL2303串口轉USB模塊將其連接到Raspberry Pi主機的USB口，主機的軟件設計基于Python語言，以獨立進程的形式在安裝Linux操作系統的主機上運行。程序的主要思想是循環監視主機上的USB端口，一旦Zigbee透傳模塊收到數據并通過PL2303將數據傳送到主機的USB口，程序便監視到USB口有數據，跳出循環，判斷是否為包頭數據，如果是則繼續接收，直到接收到包尾數據，否則繼續監視USB端口。主機接收到完整的數據包之后，程序開始通過校驗字節段解析數據包內所含數據是否正確，如果正確，則取出數據包中的pH值數據和節點編號并添加時間戳和地點信息，存入云端數據庫相應表中，否則，拋掉不正確的數據包，繼續監視USB端口，基站程序流程如圖6所示。

圖6 基站程序流程圖

4 實驗結果與分析

實驗針對杭州某河道部署該遠程檢測系統，沿著河道分別放置A、B、C、D四個檢測節點。于上午9時和下午3時，分別在4個節點邊河水取樣，選用米科傳感(Asmik)公司的型號為MIK-PH100便攜式pH傳感器測量得到數據后與系統數據庫中相同時間段對應節點數據做比較，分別如表1和表2所示。

表1 上午9時數據對比

表2 下午3時數據對比

實驗結果表明，采用本文設計實現的城市河道酸堿度遠程檢測系統在保證精度良好的前提下，能夠適應野外無人看管環境，并且實現遠程實時監測河道多點多區域的水質酸堿度參數。

5 結束語

為預防河道污染并實現實時監測河道水質酸堿度，利用物聯網技術與傳感器技術設計實現了一套河道水質酸堿度遠程檢測系統，實時掌握每個檢測點水質酸堿度情況。該系統與傳統檢測手段相比，還具備人力成本低，預警能力強的優點，并在發生水質污染的情況下，能為尋找污染源和了解污染范圍提供可靠信息。

[1] 朱麗青, 徐正浩. 杭州主要城區河道的污染特征與生態危害分析[D].杭州：浙江大學,2012.

[2] 張禮杰, 殷建軍, 項祖豐, 等. 多傳感器集成水質監測系統的設計[J]. 工業儀表與自動化裝置，2011(1):50-52.

[3] 馬振新, 馬國俊. 基于物聯網技術的甘南藏區水質檢測系統的設計[J]. 物聯網技術，2013(5):70-72.

[4] 黃藍會. 基于物聯網的智能河流檢測系統的研究[J]. 電子設計工程，2016,24(10):80-82.

[5] 陳 瑤，薛月菊，陳聯誠,等. pH傳感器溫度補償模型研究[J]. 傳感技術學報, 2012,25(8)：1035-1036.

[6] 吳劍明，張小康，黃身欽，等. 兩級放大反饋自動增益控制電路設計[J]. 儀表技術與傳感器,2016,(8):97-99.

[7] 都 強，杭柏林. 最小二乘法在多傳感器測量標定中的應用[J]. 傳感器學報,2005,18(2):244-246．

[8] 張 亞，陳君蘭. 應用Zigbee技術的井下機車運輸監控系統[J]. 煤礦機械,2010,31(6):146-148.

[9] 張 猛，房俊龍，韓 雨. 基于Zigbee和Internet的溫室群環境遠程監控系統設計[J]. 農業工程學報, 2013,29:171-174.

Design of Remote Monitoring System of pH of Urban River Based on IOT

Xu Kejie，He Jinlong

(College of Mechanical and Electrical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

With the development of urban economy, the water environment of the city river is seriously polluted and destroyed, and the pH of the water quality is an important indicator of the water pollution. Because of the uncertainty of the water pollution in the city river, a set of real-time detection system for the multi node and multi range of the river urban pH is becoming a requirement under the condition of the field unattended. Each detection node connected with a pH sensor, collects data and transmits to the system base station through the Zigbee wireless module, and the base station stores the each node data with its position information and time information to the cloud database. Managers can use the web site to kown the current situation of the water quality of the every region, if the river is polluted, managers can also be aware of the diffusion of water pollution and pollution sources through the data informations, take measures to reduce the loss in time. Compared with the traditional method of artificial field sampling and laboratory analysis, the application of the system not only greatly improve the early warning ability but also reduce the cost of manpower.

IOT; pH sensor; urban river; pollution

2016-11-15；

2016-11-29。

浙江省自然科學基金(Y14F010075)。

許克杰(1992-)，男，浙江臺州人，碩士研究生，主要從事pH傳感器方向的研究。

1671-4598(2017)04-0031-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.010

TP212

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