基于Arduino的家用在線智能水質監測儀設計

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【摘 要】為能實時方便了解家庭飲用水源質量，設計了一個基于Arduino的小型家用水質監測儀。該監測儀利用物聯網技術可智能化采集水體的濁度、TDS、硬度、電導率、PH值等關鍵水質參數數據，并實現云端存儲傳輸。通過此設計，用戶能夠即時在手機或PC端通過應用程序在線查看實時與歷史水質情況，從而實現家庭用戶對飲用水質的在線智能監測。此外，本設計對于城市水質監測、相關部門的調研都有著重要輔助作用。

【關鍵詞】Arduino;水質監測;物聯網技術

中圖分類號： TP216 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）22-0014-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.005

0 引言

家用凈水器中凈化水質的濾芯具備一定使用周期，長期使用的濾芯會產生雜質或污垢而造成二次污染，在一定程度上會危害人體健康，故必須及時對濾芯進行維護或更換。對此，凈水器廠商大都會依據固定的經驗給用戶提供更換濾芯的參考時間，而非直接使用除垢與消毒。實際上，濾芯的使用壽命與水質情況、使用時間、用水量及產品維護等均密切相關，更換的時間不能一概而論。因此，當前國內急需一種能夠提供可靠水質數據采集、檢測的水質檢測產品，能為用戶提供更好的用水安全保障，同時便于輔助政府布局相關措施。

1 總體設計方案

本項目設計的一種家用在線智能水質監測儀以Arduino開源硬件開發板為基礎，可選擇手動或定時的方式通過物聯網技術實時獲取水的濁度、TDS、硬度、電導率、PH值[1]等重要參數，同時采用水流沖刷供電以確保設備的續航，以此實現關鍵水質參數的實時智能檢測;通過無線傳輸將實時采集的水質數據上傳至云端服務器保存，再將其整理分類上傳至相應的基礎數據庫，以便用戶能在手機或PC端訪問應用程序在線查看實時和歷史水質情況。以此工作原理設計的監測儀系統結構如圖1所示。

1.1 水流發電電源

本項目設計的家用在線智能監測儀系統整體以鋰電池供電為主，同時選用水流發電方式為鋰電池充電。監測系統備有充電和放電兩組鋰電池，一組放電，另一組充電，另外設計了滿電提示與自動斷電的充電電路。以大多數家庭水用管道的口徑和水流速度為參考，對于水流發電電路，通常采用微型管道式直流水力發電機，而發電機輸出的電壓值主要取決于水壓大小，范圍較寬泛，不帶穩壓電路直流輸出峰值電壓可高達80V;對于鋰電池充電電路，以不損壞電池內部結構和確保良好的電池平衡充電為設計原則，則需設計具備恒定電壓值和涓流的充電電路，或者給鋰電池附加電源管理芯片，確保充電過程不損傷鋰電池，達到充電電路能夠對鋰電池起保護作用以延長使用壽命[2]的目的。通常，為能有效地保護鋰電池，需要在水流發電機輸出端設計一個穩壓電路，將其電壓穩定到12V再傳遞到后級電路。該穩壓電路的輸入直流電壓高于所需充電電池電壓3V即可，其包含有滿電提示、調壓和調流電路。Q3、R4、LED構成充電指示電路，隨著被充電鋰電池電壓逐漸上升，充電電流越來越小，當電池充滿后大功率電阻R1上的電壓逐漸下降，從而使三極管Q3截止，LED將熄滅以提示用戶更換電池。該電路可以空載，兩端開路即可。以TL431為中心組成精密調壓的電路，選用BD138、滑動變阻器R5和R7構成調流恒流電路。為進一步完善電源電路功能，可在電路后增加設計一個電池充電控制模塊，達到滿電自動斷電或者欠壓保護等目的。

1.2 在線水質采樣

選用蠕動泵作為水樣傳輸裝置完成在線水體采樣。蠕動泵的工作原理是在步進電機的帶動下，壓輥子相繼碾過彈性軟管，形成交替的擠壓和釋放動作，擠壓作用在軟管中產生真空，由壓差將液體吸入軟管，完成水樣泵送樣過程。

1.3 主控檢測電路

考慮系統的通用性和功能的易拓展性，該監測儀的硬件部分由優化改進設計的Arduino UNO主板、檢測模板電路及顯示電路3個部分構成。系統使用ATMEGA328P微控制器采集濁度檢測電路、TDS各模塊檢測電路測量用戶所需的水質指標，再通過OLED數字液晶屏顯示，最后將數據打包上傳至云端服務器。

主控檢測電路分為濁度檢測模塊、TDS檢測模塊、PH值檢測模塊電路。其中，濁度檢測模塊包含中心波長為680nm的LED光源、Nexperia半導體公司的PSSI2021SAY單芯片恒流源、TAOS公司的集成式光電芯片TSL2581。以現行國家標準《水質-濁度的測定》（GB 13200-91）規定的濁度測定方法為參考[3]，采用標準曲線法完成濁度測定;TDS檢測模塊通過檢測水的TDS值并輸出模擬信號給Arduino處理器處理，經過A/D轉換后得出對應值;再通過TDS值與硬度的換算關系式可估算出水的硬度，兩者間轉換計算公式反映了各個不同的TDS值與水硬度的對應關系;PH值檢測模塊包含檢測PH值和溫度的功能，分別采用電極法、熱敏電阻法檢測出的PH值和溫度值，通過串口通訊的方式傳送給Arduino處理器，經過處理轉換后即可得出相應數值。

顯示電路用于顯示測量出的水質相關參數值，采用128×32分辨率，SSD1306作為內部驅動控制器，0.91寸大小的OLED點陣圖形顯示屏完全滿足系統顯示測量值的要求。

1.4 水質數據分析

在各檢測模塊電路測量水質參數時，最為關鍵的一步即是TDS特征值的分析，其與水的硬度和電導率都存在直接的關聯。若水質TDS特征值測量誤差過大，將會導致無法確定水質的硬度和電導率兩項指標。TDS指的是水中總溶解性物質的濃度，主要是反映水中鈣離子、鎂離子、鈉離子、鉀離子等濃度，這些離子也與水的硬度、電導率有著對應的關系，然而它們之間的關系并非呈現有線性關系，必須滿足在一定的限度內的條件才可采用線性公式表示。因此，對控制芯片處理此浮動值的算法提出了極大要求，既要保證測量準確又要將浮動區間的漂移量回拉。TDS值越小，水中的上述離子的濃度也就越低，導電能力越差，電導率就越小。而TDS值一般用于衡量純凈水的指標，若無法保證水質未受污染的情況，則難以測量到該指標。TDS值越小，并非表示水質越好;TDS值越大，同理并非表示其水質越差，這需視被測水的微生物指標（細菌數）必須符合要求為前提條件。

2 在線監測APP應用

水質數據傳輸和上位機人機交互部分由Android移動端、基于MQTT協議云服務器、無線傳輸模塊（ESP8266模塊、藍牙模塊）組成。利用物聯網技術，將采樣讀取到的各類水質數據打包發送到云端服務器存儲后，使用手持設備進行監控及查看。主控Arduino通過相應的檢測電路將讀取到的水質參數發送給云端服務器處理，客戶端（手機）只需將“水質檢測儀”APP聯網后即可獲取云端服務器上存儲的各類參數值，從而完成主控到服務器與服務器到客戶端三者間的通信。考慮在離線的情況下也能夠查看家中水質參數信息，設計了通過藍牙和主控連接獲取水質參數信息的Android移動端APP應用程序，為用戶在線提供查看實時及歷史水質數據信息的方案，實現通過線上線下的方式收集檢測到的數據。該應用程序根據數據繪制不同水質參數檢測曲線，直觀的反映出橫向和縱向的水質變化，如圖2所示。隨著產品的使用范圍擴大，可在后臺建立互聯網數據庫，結合大數據共享與數據再處理分析，獲取監測小區、或社區甚至某個城市區域內的水質情況，為如自來水廠、水文監測站等相關部門和公司提供可靠有效水質監測數據。

3 結語

同市面設計的大部分水質監測器不同，本項目設計的基于Arduino的家用智能在線水質監測儀既能穩定準確監測水質的各項指標，還能夠將多個參數同步上傳至云服務器，匯總作為歷史參考數據，后續還可利用互聯網的人工智能進行進一步的大數據處理與分析管理。此外，該系統具有良好的拓展性，如需特定場合的使用，更換對應的檢測電路模塊[4]即可拓展應用到氣候監測、企業生產線、物聯網家具、水溫地理監測等領域中。

【參考文獻】

[1]趙軍，林瀚剛，西熱娜依·白克力.基于ZigBee的水質監測系統研制及復雜環境下在線測試[J].中國測試，2018，44（05）：67-70.

[2]胡新福，張源峰，林金亮.一種鋰電池組主動均衡充電保護電路的設計[J].電子制作，2018（23）：8-10.

[3]國家環境保護局.GB 13200-91水質-濁度的測定[S]. 北京：中國標準出版社，1991.

[4]趙英，莫德清，韓劍.一種水質遙測監控系統硬件的研究[J].桂林電子科技大學學報，2013，33（02）：118-121.