基于物聯網的污水監測系統

丁越昌 文釧東 錢康

摘 要：基于物聯網的污水監測系統利用傳感器、ZigBee多節點組網、STM32嵌入式系統、PC端等通過數據采集、無線通信、數據處理、多終端顯示等手段對污水情況進行監控。與有線通信的污水監測系統或人工不定期監測相比，該系統實現了多指標同時采集、顯示和閾值預警，具有低消耗、實時性強、穩定高效等優點，在簡化污水監測過程的同時，大大提高了監控效率。

關鍵詞：物聯網;ZigBee;污水監測;嵌入式系統

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）02-00-02

0 引 言

“工業4.0”時代促進了工業生產的迅速發展，但與此同時，工業廢水排放量卻日益增加且愈加難以控制，對水域造成了嚴重污染。廢水中的有毒物質會通過食物鏈危害生物健康，其中的揮發性物質亦會通過空氣循環和水循環破壞生態平衡。

目前，許多地區主要依靠人工監測手段進行不定期的污水監測，或使用基于有線通信的污水監測系統。人工監測存在數據采集難度大，精確度不高等問題;有線通信則存在施工量大、成本高、調節不便、監測范圍有限等問題，無法滿足我國污水區域的監測需求。

物聯網技術作為國家重點發展的高精技術之一，已被廣泛應用于監測等領域。開發者可以應用智能系統速率高、實時性強、穩定高效等特點，將污水監測與物聯網相結合，改善生態環境，實現環境協調與可持續發展[1]。

1 系統設計

1.1 數據采集設計

本文系統通過pH值傳感分析儀、電導率傳感器、渾濁度傳感器采集pH值、電導率、渾濁度信息，所采集的信息經過相應模塊電路后，會以模擬信號的形式輸入ZigBee節點的ADC通道，進行數據處理分析和無線傳輸。綜合考慮成本、精度等因素后，傳感器選型如下：

E-201-C pH電極配合pH采集電路模塊，其檢測范圍為0～14，功耗<0.2 W，帶有溫度補償功能，能以模擬電壓或串口輸出。pH標準曲線如圖1所示。

GE-TS渾濁度傳感器配合相應電路模塊，帶有溫度補償功能，以0～4 V模擬電壓形式輸出，電壓與濁度的特性曲線如圖2所示，圖中Y軸為濁度，1 NTU=1 mg/L。

TDS電導率探頭配合相應電路模塊，靈敏度高，能以TTL串口或以模擬電壓形式輸出，適用于不同場合的水質。

1.2 數據傳輸設計

系統框架及傳輸路徑如圖3所示。ZigBee對比WiFi、藍牙具有低功耗、低成本、多節點的優勢，因此選用ZigBee作為系統的無線傳輸層[2-4]。ZigBee模塊選擇TI CC2530芯片。ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的無線通信組網技術，經過ZigBee聯盟對IEEE802.15.4的改進，形成了ZigBee協議棧（Z-Stack）。ZigBee的傳輸速率為20～250 kbit/s，ZigBee節點間的距離可擴展到幾百米，最多擁有255個網絡節點。

各節點采集到相應的指標，經數據處理后，利用ZigBee協議棧組網技術實現ZigBee多節點之間的無線數據傳輸。本文系統采集三個指標，因此組網需要設計三個終端節點和一個協調器節點。三個終端節點負責采集數據，經過數據處理分析后，把信息通過組網無線傳輸至協調器，協調器負責接收并匯總信息，再通過USART1傳輸給嵌入式終端，嵌入式終端利用USART2將數據發送給PC端應用程序。

1.3 數據處理分析

數據處理分析將CC2530和STM32F103作為控制處理芯片[5]，CC2530分析自節點數據，STM32接收、分析、匯總、傳輸所有節點數據。

由于各傳感器采集到的并非可用電信號，因此需要經過一定的驅動和轉換電路處理，將其轉換為可用模擬信號后才能輸入到ZigBee節點的ADC通道中。ADC轉換器讀取信號時，需要經過數據采樣去噪和濾波算法，以減小偶然性及誤差。

各節點的ADC通道讀取到電信號后，經過轉換，再參考分辨率和參考電壓關系，把電信號轉換為具體模擬量。只需推出傳感器電壓和指標對應關系式，即可把模擬量轉換為具體指標值。而關系式可以借助傳感器說明書參數進行推導，如pH傳感器滿足線性關系，輸出電壓0.4～2 V對應pH值0～14，由此推導出pH值0對應電壓0.4 V，pH值14對應2 V。令pH為y，電壓為x，可得關系式：

y=8.75x-3.5

關系式也可以依據其他參數、特性曲線進行推導。由于環境及其他因素干擾，仍需測試大量數據進行數據擬合，以提高準確度。

各指標標準范圍制定參考《地面水環境質量標準》（GB3838-02）《污水綜合排放標準》（GB8978-1996），并參考實際測試情況進行制定。系統將測量值與標準值范圍進行對比，判斷各指標是否異常并提示。

1.4 軟件設計

1.4.1 ZigBee無線傳感網絡設計

ZigBee實現無線通信須經過各層的初始化、進入操作系統、運行操作系統、組網與加入網絡、發送與接收數據等過程[6-7]，組網流程如圖4所示。

發送與接收數據的格式可根據具體要求定義，以確保數據的正確傳輸。如編寫SampleApp_SendPeriodicMessage（void）為發送函數，SampleApp_MessageMSGCB（afIncoming MSGPacket_t*pkt）為接收函數，并在函數中定義數據傳輸格式。

1.4.2 監控界面設計

系統各節點和STM32終端以LCD屏進行顯示。漢字顯示需要借助PCtoLCD2002，把漢字轉換為索引和點陣形式的代碼才能被識別并正確顯示[8]。此外，系統使用VS2015開發工具設計了可以在PC機運行的程序，該應用通過串口與STM32終端通信，只需選擇串口號和波特率即可。應用鏈接MySQL數據庫，保存歷史數據，方便查詢、管理和分析。應用可以查看所有節點的指標數據，并能夠準確分析數據是否在標準范圍內，從而決定是否發出預警。

2 結 語

本文實現了速率高、實時性強、穩定高效的物聯智能監測系統，可同時采集和顯示數據并預警，解決了依靠人工監測或有線通信的污水監測系統的數據采集難度大、數據精確度不高、實時性不強、監測效率低、安裝施工量大、成本高、調節不便、監測范圍小等問題，大大簡化了污水監測

過程。

參 考 文 獻

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