特殊水體下水環境參數自動采集裝置設計與應用

向虹坤 王孔嘉 張曉慧

（安徽理工大學地球與環境學院，安徽 淮南232001）

0 引言

水環境監測技術是保護環境的一項關鍵性技術，在我國環境監測技術已經經過了幾十年的實踐與發展，取得了很大的進步。傳統的水質檢測需要人工實地取樣，再拿回實驗室檢測，在一些偏遠地區取樣需要耗費大量的人力和物力，尤其是某些特殊水體或者環境惡劣的條件下傳統水質檢測方法往往無法實現。近些年，隨著社會不斷發展各種環境問題接踵而至，國家也加大了對水環境監測[1]和保護方面的監管和投入，大批學者在水質監測系統[2]、水質監測無人船[3]和水質監測無人機[4]等方面進行了深入的研究，提出了不少水環境的監測方法[5]。目前大型水域水質監測系統主要由眾多微型傳感器節點組網即WSN，加無線通信模塊和數據處理模塊組成，可以將實時水體數據通過云端傳輸到終端，從而達到水質監測的目的。目前，主流的數據傳輸方式都是采用2G/3G/4G網絡，這些傳輸方式在一般水域大大方便了水環境的監測，但是在某些特殊水體尤其是沒有網絡的偏遠地區就沒有用武之地。因此，需要設計一些能對處于特殊環境的水體快速測試其水的裝置，以便有效獲取水環境參數，為水生態及其質量評估提供支撐。

本文實現了一種水環境參數自行走式測試裝置，可以在無網絡的情況下一次采集多個水體數據，并且加裝了太陽能電池板增加系統的續航時間，其使用便捷且效果良好。

1 系統設計

1.1 系統組成

在《地表水環境質量標準》中，共列出24項水質監測參數指標[6]，由于傳感器技術的限制，目前大部分水質監測參數的獲取仍需人工取樣，少部分可用電化學傳感器監測的水參數在很大程度上也受傳感器精度的限制。本文選用電化學傳感器測量精度相對較高的四種參數作為裝置監測參數，即溫度、濁度、pH和電導率，裝置分為數據采集端和手持端兩大部分。

數據采集端以浮動式船體為載體[7]，船體內安置有主控模塊、電源模塊、運動控制模塊、GPS模塊、無線通信模塊，以及電導率TDS傳感器、溫度傳感器、pH傳感器、濁度傳感器。船體上方安裝有小型太陽能電池板，與電源模塊相連接，增加裝置在野外的續航時間。數據采集端接收手持端的指令，根據指令執行相應的動作。若為運動控制指令則根據指令控制船體前進、左轉、右轉和暫停；若為數據采集指令則采集水體數據發送給手持端。

手持端主要包括電源模塊、顯示屏、無線通信模塊和主控模塊。手持端設置有不同的按鍵用以代表不同的指令，包括運動控制指令和數據采集指令，指令通過無線通信模塊發送給數據采集端；手持端也可以接收數據采集端發送的水體數據，對數據處理后進行顯示，同時可以通過串口將數據發送到PC。

1.2 硬件設計

1.2.1數據采集端硬件設計

數據采集端選用STC12C5A60S2為主控制器，STC12C5A60S2完全兼容51系列單片機，內置8路高速10位A/D轉換可為傳感器采集信息的模數轉換提供方便，相比51系列其速度平均增加8～12倍[8]，增加了SPI接口可以和NRF24L01實現快速傳輸，且看門狗可以防止船體因程序崩潰而失控；GPS模塊選用NEO-7N，可提供精確的時間和經緯度信息，和單片機的RX引腳連接，將接收到的衛星信息發送給單片機，單片機提取其中的經緯度信息通過無線模塊發送給手持端；溫度傳感器選用DS18B20，將讀取到的溫度信息以數字信號的形式發送給單片機；TDS傳感器和濁度傳感器選用維可思公司開發的傳感器模塊，和單片機的ADC引腳連接，讀取到的信息以模擬信號的形式發送給單片機，單片機將模擬信號轉換為數字信號再通過無線模塊發送給手持端。

所有傳感器都采用防水型探頭，探頭從船身兩側放入水中。由于裝置需要在水面工作，必須要保證運動控制指令穩定傳輸，綜合考慮數據傳輸的穩定性、傳輸距離和價格等因素，采用NRF24L01+PA+LNA無線透傳模塊作為數據采集端和手持端的無線通信模塊，可靠傳輸距離達到500m。NRF24L01是Nordic公司的無線收發器芯片，工作于2.4～2.5GHz的ISM頻段上，和STC12C5A60S2以SPI接口相連接，具有低功耗、傳輸速度快和穩定等優點。數據采集端硬件結構如圖1所示。

圖1 數據采集端硬件結構圖

裝置選用L298N模塊作數據采集端的電機驅動來控制船體的運動，L298N內含有兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器和光電耦合器，采用標準邏輯電平信號控制，具有兩個使能控制端，可以在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作[9]。Vss為信號電源輸入端，接5 V使L298N通電；Vs為電機電源輸入端，輸入12 V電壓直接驅動電機，模塊內的78M05也可以將12 V電壓轉為5 V使L298N通電。ENA和ENB為使能端，IN1、IN2、IN3和IN4與單片機I/O口連接，OUT1和OUT2連接一個電機，OUT3和OUT4連接另一個電機，其電機驅動電路如圖2所示。L298N工作時發熱較大，為了盡量減少發熱，本裝置共選用兩個L298N模塊，每個L298N模塊驅動一個電機。

圖2 電機驅動電路

數據接收端選用帶過充保護的12 V電源，和太陽能電池板相連接。電源模塊的電路圖如圖3所示，12 V電壓經7805轉為5 V為主控制器和傳感器供電，5 V電壓再經ASM1117轉為3.3 V為NRF24L01供電。

圖3 電源電路

1.2.2手持端硬件設計

手持端也選用STC12C5A60S2為主控制器，將數據采集端傳回的數據處理后在顯示屏上顯示，選用11.0592MHZ晶振，電源模塊的設計和數據采集端一樣，顯示器選用LCD12864。手持端按鍵后通過NRF24L01向數據采集端發送指令，為整個系統控制端，數據采集端為執行端。

1.3 軟件設計

1.3.1數據采集端軟件設計

采用C語言完成程序的編寫，開發環境為Keil。NRF24L01可以實現一對一和多對一的通信，但是在同一時刻只能一端發送一端接收，數據采集端無法在接收手持端控制信息的同時發送數據，因此NRF24L01在雙向收發時極易出現收發混亂而造成程序卡死的情況。針對此問題本裝置將數據采集端當作執行端，即在任意時刻都將NRF24L01設置為接收模式，根據接收的指令執行相應的動作，只有在接收到采集數據的指令后才轉換為發送模式發送數據，發送完成后再轉換為接收模式。在程序編寫時，配置NRF24L01發送端和接收端的頻率、通道、地址一致，其程序流程圖如圖4所示。

1.3.2手持端軟件設計

手持端和數據采集端一樣，將NRF24L01設置為接收模式，只有檢測到按鍵時才轉換為發送模式，發送指令完成后再將其轉換為接收模式，接收到數據后將數據進行處理并在顯示屏顯示，其流程圖如圖5所示。

2 裝置測試實驗與應用

通過對NRF24L01雙向收發信息的功能進行調試[10]，保證數據采集端和手持端穩定的雙向收發數據，再根據傳感器的數據手冊對濁度傳感器和TDS傳感器進行溫度校準，最后到水域進行數據采集端和手持端的實際測試，如圖6所示。

利用設計的自行走測試裝置，選定20×19 m范圍的研究區進行實驗。數據采集方法為：按照1 m間隔，對水域方格網點進行數據采集，采集數據包括電導率、pH酸堿度、溫度及濁度等。為了模擬不同的水環境，實驗時分別在該水域長寬為7m和10 m處、長寬為15 m和5 m處、長寬為15 m和15 m處加入35%的食鹽水溶液3 kg、1.5 kg和1.5 kg，目的是觀測其電導率的差異。加入水溶液后立即遙控該裝置按照上述方式采集整個水域的水環境參數。在本次實驗中，不同區域的電導率變化明顯，以該水域的長寬分別為x軸和y軸構建坐標系，將采集得到的電導率作為z參數，通過數據分析軟件繪制出該水域的電導率等值線圖，如圖7所示，通過等值線圖可以清晰地看出水域內各處的電導率特征分布，以上對電導率的數據處理方法對其余水環境參數同樣適用。

圖4 數據采集端程序流程圖

3 結論與建議

本文實現了一種水環境參數檢測裝置并完成了相關水環境參數采集實驗，該裝置可以在無網絡的情況下通過遠程遙控完成數據采集。完成對溫度、濁度、電導率和GPS參數的采集，經過實驗檢測該裝置可以穩定應用，尤其適合在一些偏遠地區或者環境惡劣的情況下采集水體參數，具有成本低廉、穩定可靠和操作簡便等優點。

利用本裝置可輕松得到水域內各點的水環境參數，從而得到各個水環境參數的特征分布，由特征分布可以更好地分析水域內各點的變化情況，根據不同的變化情況對水域采取不同的處理措施，從而實現對水域的全方位監控。

本裝置也存在一些不足，比如采集的水環境參數有待增加，功能需更為完善，要進一步增加可采集的水體參數及其測量精度。

圖5 接收端程序流程圖

圖6 裝置實物圖

圖7 電導率等值線圖