基于STM32的水質數據采集系統

長江水利委員會長江科學院 武漢長江科創科技發展有限公司 張 慧 賈寶良 羅 熠

1.引言

目前，我國的水質監測體系的自動化程度和信息化程度不足，隨著計算機網絡、通信及自動化技術的飛速發展，設計并建立全方位水質數據實時采集系統有著重大意義[1]。STM32處理器和無線傳感器網絡具有快速靈活部署、成本低、功耗低、節點體積小、抗干擾性強，適用于實時連續監測等優點，克服了傳統方法主觀性強、監測范圍小和難以應對突發性水污染事件等缺點，能夠提供更快的實時響應，縮短信息傳播周期，實現數據的共享[2]

本文基于STM32處理器，將無線傳感器布置于被監測水域，實現實時數據采集、數據存儲控制，使用網關進行協議轉換后通過互聯網把采集數據傳輸到用戶中心，實現水質數據的實時采集、實時處理和發布，為水質評價和管理決策提供了科學依據。

2.系統原理

2.1 STM32處理器

本設計中選用基于ARM Cortex-M3 內核的STM32處理器。STM32微處理器具有Cortex-M3多項新型的增強架構，性能優異、功耗超低，集成度高，擁有復位電路、低電壓檢測、調壓器、精確的RC 振蕩器等，并提供豐富的外設和USB 接口，便于進行USB 開發， STM32 固件庫提供易用的函數可以使用戶方便地訪問STM32的各個標準外設[3]。

2.2 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡WSN（Wireless Sensor Network）包括傳感器節點、IP網關、互聯網、路由器、用戶管理端，大量的傳感器節點被部署在監測區域內，它們通過自組織和多跳的方式構成的分布式網絡，傳感器節點采集到的數據信息經過網關發送至路由器，路由器通過互聯網或衛星等方式將所有數據信息發送給用戶管理端[4]。

3.系統設計

3.1 硬件設計

本系統選用WQ系列的水質傳感器，美國GLOBALWATER公司生產的專門應用于水環境測量的WQ系列水質傳感器具有很高的精度和測量準確性，安全可靠，而且價格比其他公司生產的水質傳感器要低，滿足水質監測的需要。本系統所選用的傳感器的部分型號和參數如表1所示。

STM32處理器擁有32位的Cortex-M3內核，最高工作頻率達到72 MHz．內部集成了512Kbytes Flash存儲器和64Kbytes SRAM，并且擁有豐富的外設。強大的處理能力能夠滿足無線網絡傳感器協議與TCWIP協議之間的轉換。ENC28J60是兼容IEEE802．3標準的以太網控制器，內部集成MAC和10 BASE-T PHY，8KB發送/接收數據包雙端口SRAM，最高可達10Mb/s的SPI端口。ENC28J60通過SPI接口與處理器進行數據交換。無線網絡傳感器模塊是裝有無線網絡傳感器通信協議的CC2530的最小系統。無線網絡傳感器模塊通過UART接口與處理器進行數據交換。本設計網關硬件框圖如圖1所示，主要由STM32處理器、DTU和無線網絡傳感器無線模塊組成。

表1 部分傳感器參數表Table 1 Part of the sensor parameter table

圖1 網關硬件框圖Figure1 Hardware block diagram of gateway

在系統開發設計包括數據采集、數據存儲以及數據傳輸三個功能模塊。數據采集考慮的性能指標是采集精度和采集速度，因此選擇A/D芯片時主要考慮采樣位數（分辨率）、采樣率和采樣通道，同時考慮成本。數據存儲設計中存儲容量和速度是關鍵。高速、實時、連續采集和存儲的情況下，一方面要求系統不間斷地進行信號采集，同時還要進行數據的實時存儲，否則會造成數據丟失，本設計采用雙緩沖區交替存儲模式。數據傳輸采用通用串行總線USB、232 485串口通訊相結合，及時觀察和調試程序運行的狀態，同時還提供一些外圍功能模塊，如JTAG 調試接口、LED 指示燈，電源模塊、復位模塊等。

傳感器輸出的信號為模擬電流信號，這些信號需要經過信號調理電路的濾波、放大后轉換為電壓信號，A/D轉換器轉換為數字信號。信號處理與射頻模塊采用CC2530芯片，它是應用于IEEE802.15.4無線網絡傳感器和RF4C的片上系統解決方案。該芯片集成了高性能的RF收發器，符合工業標準的增強型8051控制器，在系統可編程的flash和多達8KB的RAM。

3.2 軟件設計

網絡協議采用Z—stack協議棧，完成無線網絡傳感器網絡維護和節點與節點之間的數據通信。數據采集觸發條件限定為：定時器時間間隔到達；接收到數據采集命令，可以在滿足數據采集要求的前提下減少數據采集的次數，最大限度節約能量，數據采集流程圖如圖2所示。

圖2 數據采集流程圖Figure 2 Flowchart of data acquisition

無線網絡傳感器與以太網通過UC/OS—II提供的消息隊列進行通信，完成無線網絡傳感器協議到TCP/IP協議之間的數據交換，與無線網絡傳感器通信相關的Task（）和與以太網通信相關的任務Ethernet Task（），兩個任務通過串口進行數據交互。

4.結束語

高性能低價位的處理器不斷推出也為水質監測系統終端數據采集的發展提供了動力和保障，本文對現階段我國水質監測存在人工采集，采樣間隔時間長，難以連續監控水質等缺點，提出了基于STM32的水質數據采集系統，具有功耗低、高可靠性、抗高過載、抗干擾能力強等特點。該系統將無線傳感器網絡節點布置于所監測水域，利用傳感器協議實時采集和傳輸數據，使用網關進行協議轉換后，通過互聯網把采集數據傳輸到用戶監控中心，本系統全面提升了監測自動化水平，能夠實現水質監測數據的實時采集、實時處理和發布，對水質進行評價和預測，為管理決策提供了科學依據。

[1]杜曉明．多參數水質在線監測系統設計與實現[D]．大連理工大學,2015．

[2]王斐,趙牛杰．基于STM32與FPGA的信號采集電路設計[J]．江蘇大學學報(自然科學版),2018(01)．

[3]李志廣．基于STM32單片機的四旋翼無人機姿態的數據采集研究[D]．安徽理工大學,2017．

[4]Cao X．H．,J．M．Chen,Y．Zhang．Development of an integrated wireless sensor network micro-environmental monitoring system．ISA Transactions．2008．