基于LabVIEW和ZigBee的水質多參數在線監測系統設計

張經緯，白秋產，石 躍，徐士國，張家寧，劉 威

（淮陰工學院，江蘇 淮安 223003）

0 引言

隨著我國經濟和社會的快速發展，城市化進程不斷推進，農業灌溉、城市生活和工業生產建設等方面的水需求量與日俱增。雖然我國淡水資源總量為2.8 萬億立方米，占全球水資源的6%，居世界第四，但人均只有2 300 立方米，是世界上13 個人均水資源較少的國家之一。建設“環境友好型、資源節約型”社會已成為我國的基本國策，國家對環保事業投資力度逐年加大。水務行業相關政策近年來頻繁發布，水污染治理迎來政策與趨勢利好。2015年施行的新《環保法》對我國環境治理提出了更嚴格的要求，后續又出臺了《關于全面加強生態環境保護，堅決打好污染防治攻堅戰的意見》（2018年發布）、《關于創新和完善促進綠色發展價格機制的意見》（2018年發布）、《關于進一步加快推進中西部地區城鎮污水垃圾處理有關工作的通知》（2019年發布）等指導性文件，完善了水污染防治的監督管理體系[1,2]。

我國水資源流域面積在1 000 平方公里以上的大河流共1 500 多條，流域總面積為600 多萬平方公里，水資源分布廣闊。我國傳統水質檢測大多依賴人工，需要工作人員把在水質采樣點采集的樣品帶回實驗室進行檢測分析，存在水質檢測時間過長、中間有水質二次污染和成本大等問題。現在有些監測點購買了一些便攜式監測設備，但這些設備大都是進口的，價格高昂，設備維護不方便且維護成本高，也不能自動化、實時地監測水質狀況[3-7]。

LabVIEW 是一種程序開發環境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發，類似于C 和BASIC 開發環境，但是LabVIEW 與其他計算機語言的顯著區別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而LabVIEW 使用的是圖形化編輯語言G 編寫程序，產生的程序是框圖的形式。采用LabVIEW 開發的水質參數監測系統，用戶能夠像查看儀器儀表一樣，以圖形、圖表、示波器等方式看到監測區域水質的各種參數情況。因此，本設計中現場數據采集和數據傳輸采用ZigBee 無線傳感網技術，上位機監測中心采用LabVIEW 開發。該水質監測系統可實現水質參數數據的采集、傳輸、分析、實時顯示、存儲和歷史回顯，能夠實時在線監測水質狀況，一旦發現水質異常情況，會在上位機監測中心和用戶手機進行預警提醒，以便工作人員及時處置，預防水污染大面積擴散，確保水資源使用安全。

1 系統整體設計

1.1 系統組成

系統包含水質檢測傳感器、ZigBee 無線傳感網絡節點、ZigBee 協調器、監測中心（基于LabVIEW 的上位機監測系統）、GSM 模塊、手機用戶。系統組成如圖1所示。

圖1 系統整體框圖

1.2 水質監測傳感器選型

（1）溫度傳感器

考慮到水質測量時的測量精度、傳感器靈敏度、性價比以及使用環境等因素，溫度傳感器選擇由美國Dallas 半導體公司生產的數字化溫度傳感器，型號為DS18B20，其優點是密封防水、低時延、靈敏度高、性價比適中、使用壽命長等。表1 為本文選擇的防水型數字化溫度傳感器與普通DS18B20傳感器的參數對比情況，可以看出本文選擇的溫度傳感器在保證了相應靈敏度和測量精度的同時，提供了相應的防水處理功能并延長了使用壽命。DS18B20 防水型電路設計部分與普通版的不同在于多了上拉電阻控制電壓輸入，其各引腳分別為VCC 電源接入、DAT 數據通信端口、GND 接地端，按照通信格式對其進行相應的寫和讀操作，以此讀取相應的溫度數據。

表1 DS18B20 參數對比

傳感器密封式的測量，提高了測量的精度，大幅度降低了由外界因素引起的誤差，適合于在環境比較差的地方進行溫度的實時測量，滿足了本系統的測量要求。防水型溫度傳感器如圖2所示。

圖2 DS18B20 防水型傳感器

（2）pH 傳感器

考慮到水質測量時測量精度、傳感器靈敏度、性價比以及使用環境等因素，pH 傳感器選為可充式pH 復合電極（pHE-201-C）來測量水體的pH 值，其具有響應時間短、沉降時間低、元件消耗功率低、可使用范圍廣、測量和使用方便的特點。pH 傳感器選型對比情況見表2 所列，可以看出溶液補充方式不同時測量精度會發生改變，當傳感器內溶液流失后，可充式傳感器可對相應溶液進行補充，保持測量精度不變；而不可充式只有固定測量精度，使用壽命沒有可充式長。因此，本文選擇可充式pH 傳感器。pH 傳感器如圖3所示。

圖3 探頭溶液可充式pH 傳感器

表2 pH 傳感器選型對比

1.3 無線傳感器節點的硬件電路

傳感器網絡中的節點一般由感知模塊、數據處理模塊、通信模塊和電源四個部分組成，如圖4所示。本設計的水質監控系統的感知模塊采用水溫、pH 值、氨氮值傳感器等；數據處理模塊主要是在終端節點處對信息進行采集和處理；通信模塊的無線射頻電路，選擇CC2530 射頻芯片[7]；電源采用固定電源對節點供電，保證其正常工作。

圖4 傳感器網絡節點結構

1.4 LabVIEW 上位機平臺軟件設計

監測人員要獲取ZigBee 無線傳感網絡采集的監測水域水質信息，需要有一個穩定的、可視化的中心監測系統。本水質監測系統平臺是利用G 語言（圖形化語言）—LabVIEW 設計編寫的，功能如圖5所示。

圖5 LabVIEW 水質監測系統結構功能

（1）用戶系統：具有權限設置功能，提高監測平臺的安全性，具有權限的用戶可以進入監測系統并且對用戶進行管理。

（2）數據采集：將ZigBee 無線傳感網通過串口傳輸到上位機的溫度、pH 值和氨氮信息進行提取轉換。

（3）數據處理：對提取轉換出來的數據進行處理并實時顯示、存儲。

（4）預警系統：根據ZigBee 無線傳感網監測水域水質監測要求，設置相應的報警閾值，當超出閾值時發出報警[8,9]。

1.5 手機遠程訪問設計

隨著GSM 通信網絡的不斷完善，短消息因具有覆蓋區域廣、快捷、高效、準確、費用低、受環境影響小等特點，逐漸被應用于工業控制、環境監測等領域，尤其在分布式遠程數據采集和監控領域，可以隨時隨地通過GSM 模塊以短消息的方式接收現場的終端設備狀態，便于集中管理和遠程管理。系統無須建立專用網絡，直接利用中國移動通信網即可實現實時數據傳輸。因此，本設計的遠程監控訪問可以通過GSM 通信模塊將PC 機和手機連接起來，便于利用手機遠距離地實時查看水質情況。手機遠程訪問模塊主要由PC機上的監控中心、GSM 模塊和手機三部分構成，如圖6所示。

圖6 手機遠程訪問原理

2 系統測試

2.1 無線傳感網水質檢測測試

無線傳感網水質檢測測試方式如圖7所示。在溫度25 ℃下配置pH 4.00、pH 6.86、pH 9.18 校正液測量，測量最大誤差不超過0.15pH[10-12]。

圖7 無線傳感網水質檢測測試

2.2 LabVIEW 上位機監測程序測試

LabVIEW 上位機監測程序測試如圖8所示。其中水溫、pH 值數據以實時變化圖表、數值指示顯示、數據表格三種形式展現，并能進行存儲與歷史回顯。

圖8 上位機測試

2.3 GSM 短信發送和手機接收測試

首先發送“AT+CSQ”查詢信號強度指令，發送“AT+CPIN?”查詢模塊是否檢測到手機，發送“AT+COPS?”指令查詢模塊是否注冊到網絡；然后在返回“ok”的情況下，發送“‘AT+CMGS=’手機號碼”，該手機號碼用戶會接收到主機通過GSM 模塊發送的水質參數，如圖9所示。

圖9 GSM 短信發送和手機接收測試

3 結語

基于ZigBee 和LabVIEW 技術的水質多參數在線監測系統研究與設計，使用無線傳感網進行數據傳輸，LabVIEW上位機程序進行數據監測，GSM 模塊進行短信預警等，有效地解決了傳統意義上水質檢測的距離遠、物力和人力成本高、耗費時間多以及水質情況監測不及時等缺點。項目中研究使用ZigBee 作為傳輸終端，信號穩定，傳輸距離遠，功耗低，具有較好的經濟效益；LabVIEW 上位機程序使用可視化的圖像界面，可以十分客觀地向用戶展示當前水質的相關情況；GSM 模塊為用戶提供短信預警功能，將其整體融合進系統組成復雜而有序的無線傳感網。整個系統運行穩定，使得在監測水質效率方面有較大提高。