基于Cotex M4的無線水質監測系統設計

黃漢卿，徐 建，劉 佳，蘇和平，彭世賢

（湖北民族學院 信息工程學院，湖北 恩施 445000）

近年來，我國工業化和城鎮化的發展導致水污染的范圍不斷擴散，程度也不斷加深。許多城市出現水質的富營養化、鐵錳超標等問題，因此對水質監測的工作提出了更高的要求。pH，電導率，溫度，濁度和溶解氧是影響水質的關鍵因素，而傳統的水質檢測主要是依靠經驗或者化學試劑來進行檢測，這些方法既浪費了大量的人力、物力和財力，又不能對被檢測區域進行實時的監測。隨著物聯網和傳感器的快速發展，無線網絡技術也被應用在水質監測方面。系統通過傳感器將水質參數轉換成易于處理和傳輸的電信號，通過GPRS完成數據的傳輸，滿足水質監測的實時性和準確性的要求，實現遠程監控。

1 系統總體設計

無線水質監測系統以Cotex M4為主控制器，結合無線傳感器網絡技術和GPRS無線傳輸技術對被檢測水域的pH，溫度，濁度，溶氧，電導率這些參數進行采集和實時管理，系統主要由數據采集部分、數據調理部分、無線數據傳輸部分和監測終端4部分組成。系統的總體框如圖1所示。

圖1 系統總體框

水質監測系統的核心部分是數據的采集和傳輸，利用GPRS模塊建立起自組織網絡，并通過網關完成不同網絡之間的數據傳輸，傳感器模塊和Cotex M4控制器是組成網絡節點的關鍵部分，對水質參數的數據進行采集和匯總。最后以數據包的形式通過GPRS網絡發送給匯聚節點，最后移動通信將數據傳輸到數據庫，方便監管部門進行統一管理。同時數據庫中的數據能對工廠排污是否超標提供可靠的依據，當被監測水域出現污染時系統馬上啟動聲光報警裝置。

2 系統硬件設計

2.1 傳感器節點設計

傳感器節點是數據采集的核心組成部分，系統需要對被監測水域的pH，溶氧，溫度，電導率，濁度等多種參數進行數據采集，因此需要各種不同類型的傳感器。系統放置多個傳感器節點，對不同位置的水質參數進行數據采集[1]。將采集得到的物理信息轉換成電信號，然后通過AD轉換電路將原模擬信號轉換成數字信號，然后通過放大、濾波電路調理之后傳輸到節點的存儲器中，每隔一段時間將不同節點數字信息傳輸到匯聚節點進行匯總處理。傳感器節點的結構框圖如圖2所示。

圖2 傳感器節點結構

2.2 溶氧參數采集模塊設計

本系統采用薄膜電極法來測量水中氧氣的溶解量，采用DO-952型溶解氧電極。其陰極由4 mm的黃金片組成，陽極參比電極為銀片，兩極之間充以電解液。當兩極之間加0.7 V左右的極化電壓后，通過化學反應會產生氧分壓電流，無氧時，兩極之間沒有電流，有氧時，溶解氧會以電流的方式被送入調理電路[2]。

溶解氧檢測電路設計如圖3所示。激勵源采用+12 V供電，D1為2.5 V穩壓，將輸出的電流信號進行兩級放大，由于電極的內阻比較大，因此前置放大器需要采用具有較高輸入阻抗的CA3410直流運算放大器防置信號的衰減，并進行電流的一級放大，第二級采用TL082進行電流電壓轉換，并調理到單片機能夠處理的電壓范圍[3]。

圖3 溶氧檢測電路設計

2.3 電導率參數采集模塊設計

電導率的檢測目前市場上并沒有推出集成的傳感器模塊[4]，因此本系統采用的是電極測量法來測量電導率，利用MAX038產生正弦波激勵信號，然后將產生的正弦波信號加到相互絕緣的兩個電極上，通過測量兩極的電壓和通過兩極的電流的有效值，利用電流的有效值除以電壓的有效值就等于電導率。該方法實現起來比較簡單，測量數據較為準確。電導率檢測電路如圖4所示。

圖4 電導率檢測電路

3 系統軟件設計

3.1 系統組網軟件設計

當監測系統開始工作的時候，首先要完成系統組網過程。該過程由協調器完成，包含網絡初始化、網絡主節點的配置和傳感器節點入網3個步驟，協調器完成組網之后啟動網絡，并開始管理其他的網絡節點，通過信標幀進行任務的分配[5]。系統組網流程如圖5所示。

3.2 GPRS軟件設計

系統采用GPRS網絡與監控中心進行數據通信，當傳感器節點將數據發送給協調器之后，GPRS利用移動4G網絡把獲得的數據傳送到監控中心，相對于其他的通信方式而言，GPRS通信具有傳輸距離遠、實時性好、可控性強等特點[6]。數據的發送和接收數據流程如圖6所示。

4 結語

本系統結合了嵌入式技術、無線傳感器網絡技術以及無線通信技術，實現了水質參數的遠距離監測，解決了傳統水質監測系統存在的問題和不足。系統采用無線傳感器網絡技術進行數據的采集，具有價格便宜、可擴展性強等優點。同時采用Cotex M4處理數據，GPRS進行數據傳輸，能幫助監管部門更加實時、高效地對被監測水域進行管理。

圖5 系統組網軟件流程

圖6 GPRS數據傳輸流程

[1]申慶祥，張宇華.生命周期最大化的無線水質監測網絡路由優化研究[J].軟件工程，2017（9）：45-48.

[2]陳濤，楊帆，尹石鳴，等.多參數光伏式無線水質監測系統[J].水電與新能源，2016（11）：76-78.

[3]張國杰，陳凱，顏志剛，等.基于無線傳感器網絡的水質監測系統研究[J].機電工程，2016（3）：366-372.

[4]呼娜.基于無線傳感器網絡的水質監測系統研究[D].西安：西安建筑科技大學，2012.

[5]李惠英，徐柳娟，楊啟堯.基于GIS的便攜式無線水質監測系統[J].浙江水利水電學院學報，2015（4）：28-33.

[6]趙薇.基于FPGA和無線傳感器網絡的水質監測系統研究[D].南昌：南昌大學，2014.