基于STM32的水質智能遠程監控系統

田 紅，李秉權，張亞彤

(1.蘭州城市供水(集團)有限公司，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學機電技術研究所，甘肅 蘭州 730070)

水質監測是實現水資源保護與水污染控制的重要途徑。現有水質監測裝置多由市電供電，為單一固定點監測，相比較湖泊流域附近，鮮有可應用于野外環境下，可準確定位水質異常的監測系統[1]。國外在水質監測研究多基于無線傳感器網絡的監控解決方案，如愛爾蘭的SmartCoast監測系統是將傳統的單一測量改造成多傳感器網絡的自動化檢測設備[2]，已應用于部分湖泊流域中，得到了很好的應用效果。但我國因地域分布廣，地形復雜等特點，水質監測需求大，且國內外相關水質監測領域標準規約不盡相同，所以全部引入國外技術是不現實的。而目前國內僅對重點流域湖泊進行了水質監控，且系統體積龐大，不適用于偏遠地區等現實情況[3- 4]。本文介紹了一種太陽能水質智能遠程監測控制系統，以我國的水質規約規范為開發標準，采用STM32嵌入式單片機為控制核心，結合驅動芯片控制繼電器，利用GPRS模塊為數據交互媒介，采用太陽能供電設備為系統提供正常工作電壓隨著物聯網以及嵌入式系統兩大前沿技術的發展。該系統能夠應用于環境惡劣的野外，特別是在沒有常規電力供給的地方工作，能實現對水源水質的定時分析，并能準確、及時的切斷供給閥門或水閘等設備，防止污染水質的進一步擴散，從而最大程度降低人身及財產損失。

1 總體方案

本文設計并實現的監控系統包括水質監測、閥門控制和無線通訊功能。其中以STM32嵌入式單片機作控制核心，搭配外圍元器件實現對水質的智能監控。太陽能供電設備由太陽能光伏陣列電池板、充放電控制器、蓄電池及DC-DC控制升壓電路組成。水質監測通常以溶解氧、濁度及pH值等參數值做為衡量水質情況的標準[5]，因此水質監測單元主要通過濁度傳感器、pH值傳感器、溶解氧DO傳感器等的信息采集與上傳。閥門控制單元采用繼電器控制，配合驅動芯片及MOS管實現控制閥門動作。為保證本系統能適應野外惡劣的環境，將硬件設備如控制核心、無線通訊模塊及供電設備等以合理的安裝距離組裝進具有防銹蝕及防潮能力的控制柜中，以提高系統的抗干擾能力[6]。

水質監測傳感器將采集數據轉化為電信號，通過設計的增益放大器及信號調理模塊，并引入加權平均濾波法將信號采集中的噪聲干擾降低，提高測量精度。最后通過水質分析儀比對標準預設水質參數信息，并以無線通訊網絡上傳至上位機。

為了提高本系統的可拓展性和實用推廣價值，在STM32單片機上額外預留多個輸入輸出端口，方便后續調試工作或擴展其他功能單元。系統總體設計結構圖如圖1所示。

圖1 總體設計結構圖

2 硬件設計

該系統采用模塊化的設計思想，其主要由控制核心、傳感器、無線通訊模塊、閥門控制單元和太陽能供電設備主板組成。本系統硬件結構圖如圖2所示。

圖2 硬件結構圖

控制核心選用STM32系列的STM32F103RCT6芯片，該芯片功耗低，性能優越，適用于本系統的功能要求[7]。GPRS模塊以規定的通訊協議格式將采集信息打包上傳至上位機，采用SIM800C型號GPRS模塊與STM32單片機連接。同時報警模塊為裝置監測出水質異常狀況時進行報警，并以無線通訊的方式及時上傳給上位機。

溶解氧傳感器通過增益放大器及濾波電路將微弱的電流信號精確轉換為模擬量信號，通過SPI總線與STM32連接。pH值傳感器我們選用的是上海雷磁公司生產的E- 201-C pH復合電極，其測量反應快，適用于多種溶液，通過高輸入阻抗放大器將較低的電壓信號抬升到0～3V的電壓范圍，經A/D轉換接口送入STM32單片機中。同時溶解氧與pH值數據還需通過溫度補償來獲取更為精確地參數數據。濁度傳感器采用GE_TS型，其內部結構主要由發光二極管和光敏三極管組成，通過低通濾波和信號調理電路將其信號采集進單片機中。水溫傳感器需通過信號調理單元將模擬量信號轉換為數字量，直接輸入至單片機中。最后經過處理計算后的不同水質數據參數在LED屏上可以實時顯示出來，方便操作人員查看。

3 軟件設計

水質監測監控系統軟件功能主要包括實時監測、報警管理、測站管理、統計查詢以及系統管理共五個模塊組成。軟件系統功能模塊圖如圖3所示。

圖3 系統功能模塊圖

3.1 系統主要功能介紹

3.1.1 實時監測

實時監測模塊主要是實時監測當前測站實時信息，測站信息有測站的類型、RTU在線狀態、更新時間、溶解氧、pH值、濁度等。這些信息主要是RTU上傳至服務器終端的監測數據。實時監測界面如圖4所示。

圖4 監控系統實時監測界面

3.1.2 報警管理

報警管理模塊的主要功能是當測站顯示報警信息后，管理員通知相應的測站負責人及時預防處理相應的問題，報警管理的信息包括：報警類型、報警值、負責人以及負責人聯系電話，報警狀態顯示負責人是否進行處理。系統報警管理界面如圖5所示。

圖5 監控系統報警管理界面

3.1.3 測站管理

測站管理的主要功能是實現測站信息的添加、修改、刪除與查看。包括對水質監測點區域的添加、刪除，和控制每個測站設備，當選擇相應的測站后，對其進行系統參數、pH參數、溶解氧參數、運行參數、通訊參數等的設置，實現遠程監控設備功能。

3.1.4 統計查詢

統計查詢界面主要是對水質參數以及歷史數據的查詢和統計。統計的頻率是每天統計一次，得到的數據以柱狀圖、折線統計圖以及圖標的形式顯示，可以直觀地反映數據走勢。系統查詢界面如圖6所示。

圖6 監控系統統計查詢界面

3.1.5 系統管理

系統管理界面包括系統菜單管理，系統賬號管理，角色權限管理，區域管理，機構管理。系統菜單管理包括對菜單列信息的添加、修改和刪除的操作，系統賬號管理是對管理員信息的管理。角色權限管理是指對角色列信息的添加、修改和刪除的操作。區域管理是指對區域列信息的添加的操作。機構管理是對機構信息的管理。

4 系統功能測試

本系統已應用于某小型河流流域現場，構建測試環境如圖7所示，以分段形式將河流流域劃分為3部分進行監控。匯集數據采集、存儲、分段控制的方式實現不同段河流與上位機通過自行組建的傳輸路徑進行通信。現場試驗表明，本系統對水質參數信息監測采集準確，數據傳輸穩定可靠，閥門控制響應時間在1s內，持續運行發現河流未見顯著異常狀態發生，河流生態維持良好穩定局面，實現了監控效果。

圖7 系統測試環境圖

5 結語

本文設計的水質監控系統充分利用了STM32嵌入式單片機的穩定可靠及擴展性強的優勢，配合無線通訊與繼電器控制方式實現精確的水質參數信息采集及可靠控制，不同于以往的水質監測技術，本系統在續航能力引入太陽能供電方式，以及遠程遙控閥門動作實現在偏遠河流流域應用的可能性，通過在小型河流流域的現場調試運行證明該系統滿足實際應用需求，具有很好的推廣價值。