基于國產(chǎn)單片機處理器的多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究與應(yīng)用

摘要：隨著環(huán)境污染的加劇和水質(zhì)問題的日益凸顯，水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警成為保障人類健康和生態(tài)平衡的重要手段.針對水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警問題，提出了一種基于國產(chǎn)單片機處理器的系統(tǒng)，開發(fā)了使用國產(chǎn)單片機作為核心控制芯片的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將太陽能電池板-鋰離子電池應(yīng)用于系統(tǒng)供電，之后設(shè)計了系統(tǒng)的在線數(shù)據(jù)傳輸流程和控制技術(shù).實驗結(jié)果表明，設(shè)計的電池電壓保持在22.8～25.2 V；在系統(tǒng)測試中，研究方法分別在2種采集方式共6個水體深度層中完成了數(shù)據(jù)監(jiān)測.結(jié)果說明，研究方法能夠有效完成水質(zhì)的在線監(jiān)測預(yù)警.

關(guān)鍵詞：水質(zhì)監(jiān)測；單片機；太陽能；數(shù)據(jù)監(jiān)測；在線傳輸

中圖分類號：TN25 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research and Application of Multi-Parameter Water

Quality Online Monitoring and Early Warning System Based

on Domestic Microcontroller Processor

WANG Bin¹， SHEN Feng²

（1. School of Electronic Engineering， Anhui Vocational College of Electronic Information Technology， Bengbu 233000， Anhui， China；

2.School of Information and Network Engineering， Anhui Science and Technology University， Bengbu 233000， Anhui， China）

Abstract：With the intensification of environmental pollution and the increasing prominence of water quality issues， water quality monitoring and early warning have become an important means to ensure human health and ecological balance. A system based on a domestic microcontroller processor is proposed to address the issue of online monitoring and warning of water quality. During the process， a data acquisition system using a domestic microcontroller as the core control chip is developed， and the solar panel lithium-ion battery is applied to power the system. Subsequently， the online data transmission process and control technology of the system are designed. The experimental results show that the battery voltage designed by the research method is maintained between 22.8～25.2 V." In the system testing， the research method completed data monitoring in a total of 6 water depth layers using 2 different collection methods. The results indicate that the research method can effectively achieve online monitoring and warning of water quality.

Key words：water quality monitoring; single chip microcomputer; solar energy; data monitoring; online transmission

0 引言

水質(zhì)是生態(tài)環(huán)境和人類健康的重要組成部分，對于保護(hù)水資源、維護(hù)環(huán)境生態(tài)平衡至關(guān)重要^［1-2］.隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，水質(zhì)污染問題愈發(fā)凸顯，因此，建立高效準(zhǔn)確的水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)對于環(huán)境保護(hù)和公共健康具有重要意義^［3-4］.傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法存在設(shè)備成本高、實時性不強、監(jiān)測范圍有限等問題.水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)需要長時間運行，但傳統(tǒng)電源不穩(wěn)定，因此如何實現(xiàn)系統(tǒng)的可持續(xù)穩(wěn)定運行是當(dāng)前需要解決的問題^［5］.采集到的數(shù)據(jù)需要及時傳輸和處理，以實現(xiàn)實時監(jiān)測和預(yù)警，但在數(shù)據(jù)傳輸和處理方面存在一定難題.雙單片機結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對多個水質(zhì)參數(shù)的同時監(jiān)測，并提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集效率和準(zhǔn)確性^［6］.太陽能電池板與鋰離子電池的結(jié)合能夠解決能源供應(yīng)問題，保證系統(tǒng)長時間穩(wěn)定運行.C#語言監(jiān)測系統(tǒng)軟件能夠?qū)崟r監(jiān)測水質(zhì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，并在出現(xiàn)異常情況時及時發(fā)出預(yù)警，提高水質(zhì)監(jiān)測的效率和準(zhǔn)確性.基于以上因素，本文提出了基于國產(chǎn)單片機處理器的多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，期望通過硬件和技術(shù)的改良，為水資源保護(hù)提供可行的技術(shù)支持.

1 基于國產(chǎn)單片機的多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集預(yù)警系統(tǒng)是一種集成化的監(jiān)測平臺，能夠同時對多個水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行測量^［7-8］.其核心任務(wù)是采集水體中各項參數(shù)的數(shù)據(jù)，為后續(xù)分析和判斷提供可靠依據(jù)^［9］.硬件設(shè)計在系統(tǒng)中占據(jù)重要地位，直接影響系統(tǒng)的性能.單片機具有豐富的傳感器接口和通信方式，且開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具已較為成熟，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計中具有較好的適用性和功能拓展性^［10-11］.國產(chǎn)單片機的通信協(xié)議更為適合中國國內(nèi)開發(fā)環(huán)境，且廠商能夠提供更全面的配套服務(wù)，應(yīng)用時相比進(jìn)口單片機具有一定優(yōu)勢.使用雙單片機和雙收發(fā)器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)采集.研究設(shè)計數(shù)據(jù)采集模塊使用單片機作為核心控制芯片，選用型號STC12C5A60S2的單片機進(jìn)行硬件設(shè)計.通過引腳P3.1，單片機主機由主收發(fā)器到RS232串口，再到RS232/RS485轉(zhuǎn)換器向傳感器發(fā)送指令.主機引腳P4.6對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并融合，由引腳P1.3通過收發(fā)器將融合后數(shù)據(jù)發(fā)送到從機引腳P4.6.再由從機引腳P0.6將信息發(fā)送至讀寫芯片中.設(shè)計的數(shù)據(jù)采集儲存系統(tǒng)硬件運行流程如圖1所示.

由圖1可見，系統(tǒng)啟動后立即初始化參數(shù)，判斷是否到達(dá)供電時間，若到達(dá)則向傳感器供電并開始數(shù)據(jù)采集.采集完成后，系統(tǒng)斷電并檢查數(shù)據(jù)格式，若數(shù)據(jù)有誤則記錄錯誤并發(fā)送至從機，若數(shù)據(jù)正確則提取有效信息并發(fā)送至從機.從機接收數(shù)據(jù)后，將其解析并存入TF卡，以便現(xiàn)場或遠(yuǎn)程讀取.整個流程循環(huán)執(zhí)行以實現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)采集.系統(tǒng)內(nèi)置靜電保護(hù)電路，通過收發(fā)器和串口與水下傳感器通訊，確保數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定.傳感器負(fù)責(zé)測量水體的pH值、溶解氧和深度，而信號中繼器、無線網(wǎng)絡(luò)模塊和降壓模塊則提供必要的信號和電力保障.

1.2 系統(tǒng)供電設(shè)備研究及運行方法設(shè)計

水質(zhì)監(jiān)測的主要目的是對水污染進(jìn)行治理，改善水資源質(zhì)量，太陽能屬于一種清潔能源，使用太陽能電池板進(jìn)行供能可以減少對環(huán)境的污染，并一定程度降低長期使用成本^［12］.水質(zhì)監(jiān)測工作大部分處于室外無穩(wěn)定電源的環(huán)境，為解決持續(xù)供電問題及減少環(huán)境污染，研究設(shè)計使用太陽能電池板-鋰離子電池的供電系統(tǒng)，對基于國產(chǎn)單片機處理器的多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行整體供電.供電系統(tǒng)需要以日耗電量為基礎(chǔ)參照進(jìn)行設(shè)計，負(fù)載日耗電量計算公式為

Q_L=P_L×T_LU_L，（1）

其中，Q_L表示負(fù)載日耗電量；P_L表示負(fù)載功耗；T_L表示負(fù)載工作時長；U_L表示負(fù)載工作電壓.為了保障供電系統(tǒng)的可靠性，需要對鋰離子電池的工作狀態(tài)進(jìn)行評估，鋰離子電池容量計算公式為

B_c=A×Q_L×N_LC_c，（2）

其中，B_c表示鋰離子電池容量；A表示安全系數(shù)；N_L表示工作期最長陰雨天數(shù)；C_c表示放電深度.太陽能電池板為供電系統(tǒng)提供電能來源，進(jìn)行設(shè)計時需要對太陽能電池板的供電能力進(jìn)行評估.太陽能電池板的單日發(fā)電量計算公式為

Q_p=B_c×C_cN_c+Q_L×U，（3）

其中，Q_p表示電池板的單日發(fā)電量；N_c表示電池充滿所需天數(shù)；U表示鋰離子電池的標(biāo)稱電壓.太陽能電池板輸出功率計算公式為

P=Q_pT_d×η，（4）

其中，P表示太陽能電池板輸出功率；T_d表示使用環(huán)境的平均日照時間；η表示充電時電池板的發(fā)電效率.系統(tǒng)在運行時，使用回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析數(shù)據(jù)并對電壓進(jìn)行預(yù)測，保障系統(tǒng)穩(wěn)定性.使用太陽能供電的系統(tǒng)框架如圖2所示.

由圖2可見，太陽能電池板直接與太陽能控制器連接，將電能傳輸至太陽能控制器中.太陽能控制器決定電能傳輸方向，需要充電時將電能傳輸?shù)戒囯x子電池中，需要向系統(tǒng)供電時將電能傳輸至系統(tǒng)中.電能傳輸至系統(tǒng)中，先向繼電器組和降壓模塊傳輸.采集存儲模塊和無線網(wǎng)絡(luò)模塊需要使用穩(wěn)定直流電壓，電能需要先被降壓模塊進(jìn)行處理.自沖洗泵、水下傳感器組和信號中繼器只在需要工作時進(jìn)行供電，通過繼電器組的開關(guān)實現(xiàn)供電控制.多參數(shù)水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)在運行時由上位機和下位機共同執(zhí)行，系統(tǒng)的下位機主要由蓄電池、開關(guān)組、太陽能控制器、太陽能電池板、水下傳感器組、主控制器、轉(zhuǎn)換器和無線網(wǎng)絡(luò)模塊組成.在下位機啟動后，水下傳感器組在數(shù)據(jù)采集時間達(dá)到時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再通過轉(zhuǎn)化器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂破髦校瑫r等待上位機開啟網(wǎng)絡(luò)配置，開啟后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3所示.

由圖3可見，在數(shù)據(jù)傳輸開始后，上位機對網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行建立，進(jìn)入偵聽狀態(tài).當(dāng)下位機連接成功后，上位機發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸指令，對下位機所存儲的信息進(jìn)行獲取.當(dāng)下位機完成數(shù)據(jù)信息的傳輸后，將上位機和下位機之間的網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行關(guān)閉.

對數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)組進(jìn)行解析，將解析結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫和對應(yīng)的數(shù)據(jù)表中.進(jìn)行系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制時由無線網(wǎng)絡(luò)模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送指令，再由下位機中的主控制器進(jìn)行處理.進(jìn)行控制時，字符型控制指令從上位機發(fā)出，經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行傳輸后，由下位機主控制器中的指令接收器完成接收.指令輸入指令解析器中進(jìn)行解析，轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，發(fā)送到指令執(zhí)行器中.指令執(zhí)行器控制主控制器的引腳電平，并對不同功能模塊進(jìn)行調(diào)用.完成指令執(zhí)行后，狀態(tài)融合器生成狀態(tài)反饋字符并由狀態(tài)發(fā)送器反饋至上位機中，實現(xiàn)系統(tǒng)的實時狀態(tài)監(jiān)測和控制.為方便進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)和狀態(tài)觀測，在Visual Studio開發(fā)環(huán)境下使用SQL Server數(shù)據(jù)庫C#語言進(jìn)行監(jiān)測系統(tǒng)軟件開發(fā)，通過軟件實現(xiàn)水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警.

2 多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用分析

為了對所設(shè)計的多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在運行時的有效性進(jìn)行測試，選取安徽省某水庫對系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用分析.進(jìn)行分析時設(shè)置船式采集和岸上固定式采集兩種方式，船式采集使用漂浮球和錨對傳感器組進(jìn)行位置控制，岸上固定式采集使用立桿進(jìn)行固定.兩種采集方式的電池工作情況相近，故對岸上固定式采集所使用的鋰離子電池電壓和環(huán)境狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，分析情況如圖4所示.

由圖4可見，在為期約61天的數(shù)據(jù)中，空氣濕度存在不規(guī)則波動，且波動幅度較大；在約第49天時達(dá)到最低值，空氣濕度為約15%；在約第13天時達(dá)到最高值，空氣濕度為約98%.出現(xiàn)過單日最高約50%的空氣濕度波動.光照度受所處晝夜時間段和天氣情況影響，在每日午間達(dá)到最高值，夜間降至約0 lx.在61天中，光照度最低為約18 500 lx，最高為約77 500 lx；在大多數(shù)時期，光照度都在40 000 lx到60 000 lx區(qū)間內(nèi).鋰離子的電池電壓呈周期性變化，每個周期都在前期電壓快速上升，之后一段時間緩慢下降.每個周期的最低電壓值約為22.8 V，最高值約為25.2 V.在不同周期中電壓的上升速度和下降速度都有細(xì)微差別，結(jié)合環(huán)境情況分析，說明電池的充放電效率會遭受環(huán)境因素影響.但每個周期中的電池電壓都未出現(xiàn)異常偏差，說明本文設(shè)計的使用太陽能電池板-鋰離子電池的供電系統(tǒng)能夠正常工作，且具有良好的環(huán)境適應(yīng)性.

本研究對船式采集的系統(tǒng)進(jìn)行測試，繪制了pH、溶解氧、深度曲線，如圖5所示.

由圖5可見，在分為3個不同深度層的數(shù)據(jù)組中，系統(tǒng)對水體約5個月時間的pH曲線和溶解氧曲線完成了數(shù)據(jù)收集和整理.在深度為1 m左右的水體中，5個月期間水體pH最小值為約8.23，pH最大約為9.50.1 m深度水體溶解氧在前3個月期間基本保持穩(wěn)定，第4個月和第5個月出現(xiàn)大幅度下降和上升，全程最低達(dá)到約3.8 mg/mL，最高達(dá)到約16.7 mg/mL.在深度為7 m左右的水體中，5個月期間水體pH最小值約為8.16，pH最大約為9.04.7 m深度水體溶解氧在前2個月期間基本保持穩(wěn)定，第3～5個月期間出現(xiàn)較大幅度下降和上升，全程最低達(dá)到約4.6 mg/mL，最高達(dá)到約14.9 mg/mL.在深度為12 m左右的水體中，5個月期間水體pH最小值約為7.72，pH最大約為8.83.12 m深度水體溶解氧在第1個月期間出現(xiàn)小幅度下降后上升，在第3～5個月期間出現(xiàn)大幅度下降，全程最低達(dá)到約3.4 mg/mL，最高達(dá)到約14.6 mg/mL.所得數(shù)據(jù)符合水體實際變化情況，深度波動屬于船式采集正常現(xiàn)象，說明研究方法應(yīng)用在船式采集中能夠有效運行.對岸上固定式采集的系統(tǒng)進(jìn)行測試，結(jié)果如圖6所示.

由圖6可見，在分為3個不同深度層的數(shù)據(jù)組中，系統(tǒng)對水體約50天時間的pH曲線和溶解氧曲線完成了數(shù)據(jù)收集和整理.在深度為1 m左右的水體中，50天期間水體的pH在8.1附近波動，水體溶解氧在6.2 mg/mL到9.3 mg/mL區(qū)間波動.在深度為21 m左右的水體中，50天期間水體的pH值在8.6附近波動，水體溶解氧在11.4 mg/mL到13.7 mg/mL區(qū)間波動.在水體最深處的探測點探測到水體最深處的深度在50天內(nèi)不斷發(fā)生變化，最低下降到26 m，最高上升到43 m.水體最深處的pH值在7.9附近波動，水體溶解氧在前5天內(nèi)從6.8 mg/mL下降到2 mg/mL后，在1.2 mg/mL到2.2 mg/mL區(qū)間波動.從數(shù)據(jù)收集情況可知系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，且收集到具有明顯分層的數(shù)據(jù)，說明研究方法能夠有效進(jìn)行多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警.

3 結(jié)語

多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警是水資源保護(hù)的重要手段之一.本文提出了一種基于國產(chǎn)單片機的多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，對監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的硬件組成和運行流程進(jìn)行了設(shè)計，引入太陽能設(shè)備對系統(tǒng)的供電手段進(jìn)行了改良，之后構(gòu)建了系統(tǒng)的整體工作流程并進(jìn)行了系統(tǒng)的應(yīng)用分析.實驗結(jié)果表明，本文方法在電池情況分析中，電池電壓具有周期性變化，電壓最大最小值差值為2.4 V；在船式采集測試中，對3個水體深度層的pH和溶解氧數(shù)據(jù)完成了收集監(jiān)測預(yù)警；在岸上固定式采集測試中，對2個固定深度和1個變化深度的水體水質(zhì)數(shù)據(jù)完成了監(jiān)測預(yù)警.結(jié)果說明，本文方法能夠有效應(yīng)用在水體水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警工作中.由于研究僅在無極端天氣狀態(tài)下進(jìn)行應(yīng)用分析，后續(xù)將擴大分析范圍，以豐富實驗結(jié)論.

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［責(zé)任編輯：李 嵐］