基于無線網絡的水情監測系統

陳虹安， 阮太元， 周 昊， 蔡雄友

（江門職業技術學院， 廣東 江門 529000）

引言

水資源是人類必不可少的重要資源，它是人類生命的起源，同時也與人類的生存和發展息息相關。但是在現實生活中，工業用水和生活污水的排放都對水源造成了嚴重影響。此外，江河湖海的水位升高往往伴隨著決堤的危險，嚴重地威脅到人類的生命安全。隨著人類社會的發展進步，水資源能否得到有效的監控與利用已經成為了制約社會經濟發展的瓶頸之一。因此，建立防災和水資源優化管理的水情系統是現代水利和水利工程管理的需要。

基于此背景，本文研發了一款能采集監測區域內水質、水位等水情信息的實時水情監控系統。該系統經過傳感器采集數據，單片機處理數據，能夠實現液體的酸堿度（pH值）檢測、液位高度檢測、電池電壓狀態檢測等功能，并將檢測到的參數顯示在12864液晶顯示屏上。此外，還能將監測區域內的水情信息傳送至信息處理中心，便于相關部門及時進行水文預測及監控，從而減少水害損失，提高水資源利用率。經實際驗證表明，本系統的檢測精度較高，達到了實際水情監控的標準[1-2]。

1 系統方案

本文設計的水情監控系統集水位監控與水質監測于一體，為相關部門進行防災和水資源優化提供重要的參考信息。本系統由空氣凈化器、手持終端（手機或PDA）兩大核心部分構成。本系統中，核心MCU采用的是MSP430單片機；PH值檢測采用市面上常見的酸堿度傳感器；該傳感器檢測的輸出信號是一個模擬電壓信號，經過AD轉換后得到相應的信號；液面高度檢測采用超聲波測距的原理，通過收發信號時間差計算得到液面高度值；電池電壓檢測采用單片機自帶的AD模塊，直接檢測電源電壓。

2 系統硬件設計

本系統以MSP430單片機為控制核心，該芯片功耗低、運行速度快、數據處理能力強且片內資源豐富，完全滿足水情實時監控的需求。在電源供電方面，采用4節1.5 V干電池串聯起來的方式為各模塊供電。此外，采用酸堿度傳感器測量水的PH值，采用超聲波傳感器測量水位，采用AD模塊進行電壓數據的實時監測，采用12864液晶顯示屏作為水情信息顯示模塊。

本系統中，PH傳感器需要供電穩定在5 V，單片機供電3.3 V，所以電源模塊需要輸出5 V和3.3 V兩路穩定電壓，超聲波模塊是寬電壓，不作供電要求。而供電電池為4節1.5 V干電池（共6 V），故需要對電源電壓進行轉換，分別得到5 V和3.3 V的電壓供給PH傳感器和單片機使用。

3 系統軟件設計

本次設計的控制系統的軟件程序部分包括：系統初始化程序、按鍵控制程序、鍵盤菜單選擇程序、電壓檢測程序、pH值檢測程序、液面高度檢測程序以及藍牙傳輸程序。本次軟件設計的基本方法是利用傳統的結構化分析的方式完成，這種方式至今廣泛應用。下面將對本系統的主要程序進行分析。

本系統在通電后，首先進入開始頁面，接著進行初始化，包換串口初始化、中斷初始化、各個傳感器初始化、按鍵初始化、定時器初始化、液晶顯示初始化等，經過初始化過程進入系統延時3 s等待系統穩定工作，進入系統模式的菜單選擇頁面，然后驅動傳感器工作，開始采集各傳感器傳輸回來的數據，再將數據進行算法處理顯示到LCD128×64液晶。

4 系統測試

在溫度為25℃時，往容器中多次倒入純凈水，待液面穩定后，測量高度數據，測試結果如表1所示；容器中保留適量純凈水，往水中多次倒入白醋，在1 min內，記錄穩定的pH值，測試結果如表2所示；更改電源的供電電壓，在3.3～6 V之間修改，記錄檢測的電壓值，所測得的數據如表3所示。

表1 液位高度測試結果

表2 pH值測試結果

表3 電池電壓測試結果

通過上述測試表格可知，在表2中PH值的檢測結果準確率很高，和標定的試劑值相比較，誤差率很低。從表1中液位檢測結果分析可知，由于超聲波檢測本身的局限性，造成了液位檢測值存在一定的誤差，但其實際誤差小于1 cm，可以滿足使用要求。表3中是電池電壓檢測情況，由于采用單片機本身12位的AD轉換模塊，理論精度達到0.000 2，所以檢測結果和實際值誤差較小，誤差率很低[1-2]。

5 結語

本文設計的水情監測系統不僅具有檢測PH值功能，還具有檢測水位功能，能有效檢測到水情的變化，并可將其發送至上位機，作為有關部門作出相應判斷的重要參考。此外，該系統還具備檢測電池電壓、提醒更換電池的功能。經實驗驗證，該系統的檢測精度達到了實際推廣使用的水平。

參考文獻

[1] 鄭策策.基于Zigbee-GPRS的無線網絡水情監測系統[D].太原:太原理工大學，2014.

[2] 王國偉.基于單片機的水情監測系統設計[D].南京：南京理工大學，2012.