一種遠程多參數水質監測系統的設計

劉澤龍 孫志忠 傅奕萱 吳劍

摘? 要： 以STM32單片機和GPRS的無線網絡通信技術為核心，設計一個功能全面、軟硬件相結合的遠程多參數水質監測系統。該系統將水質信息采集、數據查詢、實時跟蹤、預警等功能系統化，可適應我國多樣的地勢結構，可對水質的PH值、溶解氧和電導率等重要參數進行實時監測，實現了對水資源污染的準確測定，以及對水資源中污染物的變化趨勢的有效跟蹤，進而可以綜合評價水質情況。

關鍵詞： 多參數; 水質監測系統; 數據采集; 數據查詢

中圖分類號：TP393.18? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）01-24-05

Abstract： This paper takes the wireless network communication technology of STM32 single chip microcomputer and GPRS as the core， designs a remote multi-parameter water quality monitoring system combining software and hardware， which systematizes such functions as water quality information collection， data query， real-time tracking and warning. The system adapts to various topographic structures in China， can monitor the important parameters such as PH value， dissolved oxygen and electrical conductivity of water in real time， and achieves the accurate measurement of water resource pollution， as well as the effective tracking of the variation trend of pollutants in water resources， so as to comprehensively evaluate water quality.

Key words： multi-parameter; water quality monitoring system; the data collection; data query

0 引言

水質問題一直是全球關注的環境重點問題。水質監測系統發展于二十世紀七十年代，美、英、日、法、德等國先后建立了此類系統。而我國在水質自動監測、移動快速分析，以及預警預報體系建設方面尚處于探索階段，目前生產出的產品大多存在價格昂貴、效率不佳、功能不夠完善等一些弊端，因此，設計出一個功能完善的水質監測系統十分重要。

為此國內諸多學者開始研究。例如靳晟等對猛進水庫的水質監測管理信息系統的研究[1];陳益等對三峽庫區水質監測管理信息系統進行了設計[2]。趙自越等針對某個人工湖進行了水質預警研究[3]。席飛對基于ARM和GPRS網絡的水質檢測系統設計的研究[4]。王婧使用STM的32位高端ARM處理器來設計水質監測系統[5]。王令群等人實現對系統用戶管理以及參數的實時檢測[6]。董浩等人設計了一套微型水質監測系統[7]。路榮坤等人設計了一款遠程水質智能監測系統[8]。張艷萍等人設計了一種基于無線傳感器網絡的水質監測系統[9]。梁斯勇等人使用水質傳感器采集數據監測水質數據[10]。賴清基于GPRS的遠程水質監測與分析系統的研究[11]。李金鳳等對基于無線傳感器網絡及GPRS的水質監測系統設計[12]。劉新輝等對基于GPRS的水質參數無線監測系統設計[13] 。佟維妍等對基于GPRS數據遠程傳輸的水質參數監測系統[14]。他們設計的水質監測系統大多基于RAM。但是相比于RAM，STM系列單片機更為簡單和方便。因此，我們采用STM32的單片機和GPRS的無線網絡通信技術作為研究系統的核心，結合我國目前推行的政策以及我國多樣的地勢結構，設計了一個對水質PH值、溶解氧和電導率等參數進行實時監測的系統，旨在對水資源污染進行測定，并對水資源中污染物的變化趨勢進行有效跟蹤，評價水質的綜合情況，為我國水資源保護提供重要數據。

1 系統設計方法

遠程多參數水質監測系統是一個基于GPRS的地域分布較廣的無線網絡傳輸、監測系統，總體上分為兩部分：現場的水質參數檢測裝置和GPRS無線通信模塊和水質監測控制中心平臺。該系統框架如圖1所示。

水質參數檢測裝置能實時檢測監測點的pH值、溫度值、溶解氧等，對檢測到的水質參數進行數據采集和處理，將處理后的水質參數進行打包通過單片機串口傳送至GPRS模塊的緩存中，接著數據包被GPRS模塊封裝成TCP/IP數據包，最后通過GPRS IP骨干網接入Internet網將數據傳送至中央監控中心。

監控中心的終端服務器對接收到的數據包進行解析、還原，并由 PC機進行顯示，同時使用Delphi平臺界面還可以通過GPRS網絡和Internet組成的鏈路，把控制信號傳輸給GPRS，再由單片機接收并執行相應的命令。

1.1 硬件方面

1.1.1 現場數據采集模塊原理框圖

現場數據采集模塊STM32F103實現的數據采集系統具有一定的通用性，它通過片內的A/D轉換通道與外部的采集傳感器進行連接。由于外部與傳感器進行連接，獲得是標準的電壓信號，這樣采集系統具有很大的通用性，只要接不同的傳感器可以采集不同的模擬數據源，同時為了考慮到傳感器的數字信號傳輸，預留了數字信號通道，這樣做到系統與數據源的無關性。原理框圖如圖2所示。

1.1.2 STM32F103單片機系統

STM32F103單片機本身具有非常豐富的片內資源，因此，最小系統無需配置過多的外圍接口器件就可以滿足本系統要求，從而使電路十分簡單，其最小系統電路如圖3所示。

1.1.3 信號處理電路

以采集pH為例，將pH電極放在被測溶液中，根據被測溶液的酸堿度不同，pH復合電極產生不同的直流電位，為了避免后面的測量電路影響前端的測量電壓，將pH電極的輸出與高阻抗放大器CA3240相連，從而保證測量電壓的準確性。由傳感器檢測到的pH信號首先通過前置放大電路對其進行放大，由于pH信號變化比較緩慢，所以可以把pH信號看成直流信號，為了防止高頻信號的影響，在電路中加入了一些濾波電容濾除高頻干擾。

另外，由于pH傳感器是將pH信號轉化成電壓信號，并且當pH在0～7的范圍時電壓為正值，pH在7～14的范圍時電壓為負值，而STM32F103單片機內部集成的A/D為單極性的，為了利用單片機的片內資源，就必須把輸入A/D的電壓值通過差分電路轉換為0～2.5V的值，使pH值在0～14范圍內全能被A/D采集。

1.1.4 按鍵輸入及電源模塊

按鍵是單片機重要的輸入設備，是人工對單片機的功能設置主要手段。本系統中用了四個按鍵。分別實現不同的功能，它們之間相互配合就可以完成所需要的設置。K1鍵：確定功能;K2鍵：功能加;K3鍵：功能減;K4鍵：取消功能。

另外，整個系統中STM32F103單片機需要3.3V電壓，數據采集模塊各運算放大器和LCD需要5V電壓。考慮到硬件系統對電源要求具有穩壓功能、紋波小和低功耗等特點，因此該系統的電源部分采用AMS1117-3.3把+5V電壓轉化為+3.3V輸出，該芯片不僅能很好滿足該硬件系統的要求，還具有很小的封裝，能有效節約PCB的面積。

1.1.5 顯示模塊設計

液晶顯示器具有微功耗、顯示內容豐富、使用方便、超薄輕巧的諸多優點。本系統采用的是LCD12864M，LCD12864M漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內置8192個中文漢字（16X16點陣）、128個字符（8X16點陣）及64X256點陣顯示RAM（GDRAM）。在系統中，將STM32F103單片機的PA7接到液晶LCD12864M的4腳RS為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器，低電平時選擇指令寄存器。PA6接到5腳RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀“忙”信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數據。PA5接6腳E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。15腳的PSB并/串行接口選擇：H-并行;L-串行，這里我們選用數據串行輸入，所以不需要再連接其他單片機數據線，大大節省了單片機資源。同時液晶的背景燈光有外部按鍵控制，從而達到降低功耗。

1.1.6 通信模塊設計

GPRS模塊選用“有人物聯網”的低功耗GPRS模塊USR-GM3，該模塊無需協議，串口端發送的數據和網絡端接收的數據完全一樣，且使用簡單，跟DTU一樣，簡單設置就可以實現數據傳輸，另外，GPRS模塊GM3穩定性能夠得到保證。該模塊支持硬件流控（RTS/CTS），串口數據靈活分幀（按照數據時間、長度打包），超寬波特率范圍：2400 bit/s～921600 bit/s，綜合考慮，本系統波特率采用9600 bit/s。本設計采用串口與GPRS相連，GM3的35腳TXD1與單片機的PA9相連，36腳RXD1與單片機的PA10相連。連接如圖4所示。

但是考慮到該模塊最好是3.8V電壓供電，并且工作電流為750mA，相比起系統的其他模塊，GPRS是功耗最大的部分，所以單獨設計了電源模塊，采用MIC29302BU芯片將5V電壓轉化為3.8V輸出。該芯片不僅能很好滿足該硬件系統的要求，還具有很小的封裝，能有效節約PCB的面積。

1.2 軟件方面

1.2.1 主程序設計

主程序首先完成初始化工作，打開開機界面等待GPRS模塊初始化完成，然后打開定時器中斷，進入While（1）死循環;再由定時中斷完成判斷檢測按鍵，從而實現不同的功能設置，設置好之后連接GPRS網絡。啟動A/D，進行循環的數據采集及處理、數據發送和數據顯示。

1.2.2 GPRS通信模塊程序設計

在系統的GPRS驅動程序的具體實現過程中，STM32F103單片機是通過全雙工通信方式發送AT指令對其控制的。通過AT指令可以實現模塊參數的設置，實現數據的發送與接收。與此同時，AT為解決因GPRS移動網絡信號小小間斷帶來的無法連接的問題，設計了AT重聯服務器的策略。

1.2.3 監測中心平臺設計

監測中心主要完成以下功能：建立完成對網絡中傳輸的數據監聽、接收，并在Delphi界面上顯示，同時Delphi中控制信息通過Socket傳輸給Internet公網，然后由GPRS模塊接收并發送給單片機系統。網絡數據的監聽和接收及顯示部分，主要是將GPRS模塊傳輸的數據經由GPRS網絡通過Internet網絡進行接收并讀取。在此利用Delphi通過WinSock接口和MFC WinSock類實現。監測中心啟動監測以后，系統首先建立Socket并將其設置為“監聽”模式，等待GPRS端的連接請求。當兩端建立通信以后，監測中心平臺就可以接收來自于采集端所發送的pH值、溫度等信息。同時平臺還可以通過Socket發送信息給參數監測模塊，從而進行有效的反饋控制。

1.3 監測：網頁Web端

用戶可以通過使用本系統提供的專屬賬號登錄水質監測網頁，在網頁中查看當前監測點的水質信息，使得用戶可以相對清楚的了解水質監測信息。

網頁分為數據采集、挖掘分析、監測指標、示范點這四個部分。

數據采集中可以選擇不同監測點、不同時間監測到的水質信息進行查看，可以選擇看單純的數據視圖或看折線圖，同時可以選擇是所有數據都疊在一起看還是每一項指標分開來看。

挖掘分析是通過將監測到的數據通過算法進行分析整理，從而推測出該區域的水質信息情況，以及預測未來一段時間內該區域的水質信息。同時該部分還具有監控預警功能，監控預警是通過將監測到的數據與正常水質數據指標進行分析對比，如果發現監測到的數據在指標的邊緣或者超過指標，就會發出警報，向負責人的手機發送水質信息異常的短信。

1.4 監測：手機APP

用戶可以通過下載本系統的水質監測APP，并使用專屬賬號登錄進APP進行查看當前監測點的水質信息，使得用戶對水質信息有一個大致情況的了解。

用戶登錄進入頁面后直接顯示監視數據的主界面。通過數據和折線圖相結合的方式，讓用戶可以快捷且直觀的找到自己想要的數據。

用戶可以通過選擇不同的監測點來查看當地水質情況。

當用戶發現當地水質信息較差時可以對其進行投訴。

2 結果與討論

2.1 設計產品的性能特點

我們研發設計的水質監測系統與其他系統相比有以下優點。①監測儀體積小，便攜，使用方便，數據準確度高。②投資少，建站快，分析儀前置，無需大面積站房。③運行費用低：儀器低功耗，運行穩定可靠，無需專業運營服務。④數據具代表性：直接接觸水體，監測到的數據直接來源于水質實體，無預處理等環節。⑤數據采集方式多樣化，目前系統已實現定點采集，人工采集，移動船采集三種采集方式，每種采集方式均可實現實時出數據。⑥快速反應：實時監測水質數據信息，當發現水質信息有異常時會進行報警提醒，擁有一套完整的預警系統。⑦異常自動留樣：當任何一個監測因子數據異常時，系統立刻啟動采樣留樣。也可遙控采樣或定時采樣。⑧性價比高：一臺機器可集成監測多個水質參數，生產成本相比于同類產品小。⑨維護量極?。悍治鰞x基本免維護。⑩查看信息方式多樣化：不僅可以實地查看，還可以登錄網站或手機APP查看監測點的水質數據信息。

本系統監測參數有：pH值、電導率、溫度、溶解氧、濁度、氨氮。

本系統軟件與硬件相結合，網絡端與移動端相匹配，通過各傳感器將水質六大參數信息采集后，通過無線通訊網絡傳輸到中控服務器，由中控服務器將水質信息通過無線通訊網絡傳輸到平板大屏幕、移動端和電腦客戶端，用戶可以登錄相應的網站和手機APP實時查看水質信息，于此同時，平臺擁有數據反饋和報警預警機制，如若發現水質信息數據存在異常，即水質存在污染情況時，平臺將向用戶發出警告信息，用戶可通過三種方式來查看當前水質信息，當用戶進行實地查看，并采取相應措施使得水質信息數據達到正常時警報方解除。該系統功能圖如圖5所示。

本系統監測顯示水質數據信息結果如圖6所示。

3 結束語

我們設計的遠程多參數水質監測系統集軟件和硬件為一體，以STM32單片機和GPRS的無線網絡通信技術為核心，實現了將水質信息采集到數據查詢、實時跟蹤、預警等一系列功能系統化。該系統可以適應我國多樣的地勢結構，可對pH值、溶解氧和電導率等重要參數進行實時監測，實現了對水資源中污染的測定，以及對水資源中污染物的變化趨勢有效跟蹤，可以綜合評價水質的情況。目前該系統已在東湖試驗成功，在烏鎮和新安進行新的一輪試驗。我們預留了251個空白位，讓用戶可以自行選擇想要檢測的數據并上傳至監測端以備查看。接下來，我們將對更多水質參數信息進行監測，使得對水質的綜合評價更加科學客觀，并提高監測的準確率，同時將完善系統的相應功能，使其可以被更好的使用。

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