基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張娜 楊永輝

摘要：為了提高水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中pH值的采樣精度，并解決定時定點采集數(shù)據(jù)耗費(fèi)人力物力問題，設(shè)計并實現(xiàn)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。首先，為了提高pH值的測量精度，硬件電路上使用AD8603進(jìn)行前級調(diào)理，AD7792進(jìn)行高精采樣，軟件設(shè)計上采用中值濾波和滑動濾波算法。其次，搭建水質(zhì)監(jiān)測服務(wù)平臺，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過ZigBee傳輸?shù)街鳈C(jī)，在經(jīng)由GPRS發(fā)送到服務(wù)器，用戶使用手機(jī)APP或Weh可以遠(yuǎn)程監(jiān)控每臺設(shè)備的數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，所提方法提高了監(jiān)測設(shè)備的pH值測量精度，監(jiān)控平臺運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)監(jiān)測;pH值精度;物聯(lián)網(wǎng);服務(wù)器平臺;數(shù)據(jù)傳輸;遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號：TN931+.3-34;TP277

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X（ 2019） 24-003 8-04

0 引言

水是人類生存息息相關(guān)的重要資源，無論是飲用水還是養(yǎng)殖用水，水質(zhì)的好壞直接影響人類的生產(chǎn)和生活[1]。尤其近年來重大水質(zhì)污染事件頻發(fā)[2]，水質(zhì)狀況不容樂觀，因此，實時準(zhǔn)確掌握水質(zhì)參數(shù)狀況顯得十分重要[3]。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法存在諸多問題，如采集精度低[4]，數(shù)據(jù)查看方式不靈活，需要固定人員定時巡檢，人工記錄數(shù)據(jù)，工作量大且存在人為因素誤差等。

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對多監(jiān)測點水質(zhì)信息實時在線監(jiān)測。可以通過本地LCD彩屏、手機(jī)APP、Web網(wǎng)頁客戶端三種方式在線查看水質(zhì)監(jiān)測點數(shù)據(jù)、設(shè)置報警閾值。

1 系統(tǒng)架構(gòu)概述

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集終端、服務(wù)器和客戶端三部分組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)主要利用傳感器測量水系統(tǒng)中水的pH值、溫度、液位高度、水流速這些指標(biāo)，數(shù)據(jù)采集終端將主、從機(jī)傳感器采集到的數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)包，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器[5]，存儲到數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中。用戶可以通過手機(jī)APP或者Web客戶端訪問服務(wù)器，接收或查看監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，設(shè)置監(jiān)測點的報警閾值。服務(wù)器每隔30 min向手機(jī)APP推送數(shù)據(jù)信息，水質(zhì)參數(shù)異常時服務(wù)器則立刻向手機(jī)推送報警信息，手機(jī)端以通知欄消息形式進(jìn)行報警。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)監(jiān)測終端由主機(jī)和從機(jī)組成，主從機(jī)差別為是否有GPRS聯(lián)網(wǎng)功能。主機(jī)硬件電路由電源管理電路、GPRS模塊電路、ZigBee/CAN組網(wǎng)電路、傳感器采集電路、人機(jī)交互電路等組成。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.1 電源管理電路

由于監(jiān)測點經(jīng)常布置在偏遠(yuǎn)地區(qū)，只采用市電供電，當(dāng)停電時系統(tǒng)會停止工作，不能保證監(jiān)測的實時性。為解決這一問題，以TP5410電池管理芯片為核心設(shè)計了電源管理電路。當(dāng)外部停電時自動切換到內(nèi)部3.7 V鋰電池繼續(xù)供電。使用TL431設(shè)計了掉電監(jiān)測電路，監(jiān)控DC 12 V電源輸入，電源停止輸入后進(jìn)行斷電報警，如圖3所示。

2.2 主從機(jī)組網(wǎng)電路設(shè)計

主從機(jī)之間可以通過CAN總線或ZigBee方式組網(wǎng)。使用有線組網(wǎng)時，總線損壞或者串人高電壓，有可能影響總線上的其他設(shè)備[6]。為了避免此類情況發(fā)生，設(shè)計了CAN總線電磁隔離電路，將總線驅(qū)動與MCU斷開電氣連接，降低因總線損壞對其他設(shè)備的影響，如圖4所示。

2.3 GPRS模塊電路設(shè)計

由于水質(zhì)監(jiān)測點需求量大，考慮到網(wǎng)絡(luò)流量和模塊成本，這里選擇安信可公司的A6 GPRS模塊，該模塊支持物聯(lián)網(wǎng)卡，價格低廉。由于A6模塊開機(jī)時連接網(wǎng)絡(luò)峰值電流很高，所以直接通過串聯(lián)二極管降壓。

2.4 pH值調(diào)理電路

由于pH電極自身內(nèi)阻較大，容易產(chǎn)生失調(diào)誤差，因此采用AD8603進(jìn)行前級調(diào)理，如圖5所示。AD8603具有較低輸入偏置電流，典型值為200 fA，電極內(nèi)阻為250 MΩ時，根據(jù)能斯特方程，誤差為0.05 mV（0.000 85 PH）。因此，該調(diào)理電路能夠有效地提高系統(tǒng)的測量精度。能斯特方程為：式中：E為氫電極電壓，活性未知;a=+30 mV為零點容差;T為環(huán)境溫度（單位：℃）;n=1價（25℃）;F=96 485為法拉第常數(shù);R=8.314為阿伏加德羅氏數(shù);pH為未知溶液的氫離子濃度;PHiso=7為參比氫離子濃度。

由于pH電極輸出為雙極性，而A/D轉(zhuǎn)換芯片為單極性供電，因此，應(yīng)將傳感器的輸出電壓偏置到地以上。采用AD7792特有的210 μA恒流源流過5 kΩ 0.1%精密電阻，來產(chǎn)生偏置電壓，該偏置電壓還同時作為AD7792的基準(zhǔn)電壓。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序由數(shù)據(jù)監(jiān)測終端、云服務(wù)器端、手機(jī)APP/Web客戶端三部分組成。硬件終端主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器。用戶通過客戶端將報警閾值寫入到服務(wù)器中。服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到監(jiān)測終端，達(dá)到在線設(shè)置報警閾值的目的。

3.1 監(jiān)測終端軟件程序設(shè)計

由于監(jiān)測終端從機(jī)軟件設(shè)計與主機(jī)類似，這里以主機(jī)軟件設(shè)計為例。首先初始化系統(tǒng)參數(shù)，確定從機(jī)組網(wǎng)模式，然后開始連接云端服務(wù)器，由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和信號強(qiáng)度問題，可能造成連接服務(wù)器失敗，此時系統(tǒng)會重新連接，當(dāng)超出最大連接次數(shù)時系統(tǒng)自動復(fù)位。

系統(tǒng)啟動后每1 min周期性采集主機(jī)和從機(jī)的傳感器數(shù)據(jù)[7]。讀到的傳感器數(shù)據(jù)與設(shè)置的報警閾值進(jìn)行比較，如果超出閾值馬上將報警信息發(fā)送到服務(wù)器，并聲光報警，提醒巡檢人員。在沒有報警信息時，30 min推送一次采集到的數(shù)據(jù)。為了確保主機(jī)與服務(wù)器能實時連接，定時向服務(wù)器發(fā)送心跳包，防止鏈接斷開。通過人機(jī)交互界面可以對終端設(shè)備的溫度、pH值進(jìn)行標(biāo)定和補(bǔ)償，也可以對離線狀態(tài)下的設(shè)備進(jìn)行對報警門限、時間等的設(shè)置。

主機(jī)程序流程圖如圖6所示。

3.2 手機(jī)APP軟件設(shè)計

手機(jī)APP以Android操作系統(tǒng)作為開發(fā)環(huán)境，采用Java編程語言[8]，使用消息隊列遙測傳輸（Message Queu-ing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議[9]。程序設(shè)計主要包括用戶管理、設(shè)備管理兩大功能模塊。手機(jī)APP工作流程如下：注冊新用戶，注冊成功后填寫用戶名和密碼登錄;添加監(jiān)測設(shè)備，輸入主機(jī)屏幕首頁顯示的24位設(shè)備ID，即可添加對應(yīng)設(shè)備到該用戶，長按設(shè)備名進(jìn)人參數(shù)閾值設(shè)置頁面，設(shè)置完成點擊確定將閾值信息更新至服務(wù)器。

手機(jī)APP界面如圖7所示。

3.3 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設(shè)計

服務(wù)器提供用戶與終端之間數(shù)據(jù)綁定、轉(zhuǎn)發(fā)、存儲和查詢等服務(wù)，其核心是數(shù)據(jù)庫。在MySQL數(shù)據(jù)庫中建立user- name，user_devices和sensor_data三個表。us-er- name管理系統(tǒng)用戶信息，包括新用戶注冊、登錄、重命名等;user_devices管理用戶與監(jiān)測終端的對應(yīng)關(guān)系，包括用戶對應(yīng)監(jiān)測設(shè)備的增、刪、改等操作[10];sen-sor_data管理監(jiān)測終端數(shù)據(jù)信息，包括設(shè)備號、上傳時間、具體參數(shù)值等信息。服務(wù)器平臺工作運(yùn)行環(huán)境如圖8所示。

4 試驗及結(jié)果分析

系統(tǒng)在某大型池塘中進(jìn)行了測試，取連續(xù)7 h pH值數(shù)據(jù)和一個月內(nèi)每日上午10：00數(shù)據(jù)，分別驗證系統(tǒng)的精確度與穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)匯總后如圖9所示。經(jīng)計算，pH值的平均相對偏差低于0.7%。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)監(jiān)測精度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠。監(jiān)測終端實物圖見圖10。5結(jié)語

本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，解決了pH值測量精度低、數(shù)據(jù)接收方式不靈活等問題。用戶可以通過日常使用的手機(jī)實時掌握監(jiān)測區(qū)域水質(zhì)情況。目前，服務(wù)器平臺已經(jīng)在阿里云部署，相關(guān)監(jiān)測點主從機(jī)已經(jīng)量產(chǎn)。

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作者簡介：張娜（1991-），女，遼寧朝陽人，碩士研究生，助教，主要研究方向為智能控制。

楊永輝（1971-），男，遼寧鞍山人，碩士生導(dǎo)師，教授，研究方向為智能控制。