漁港水域水質在線監測系統設計與實現

收稿日期：2023-07-24

基金項目：福州市科技計劃項目（2021-SG272，2021-S-236）；福州市科技重大項目（2022-ZD-021）；福建省自然科學基金面上項目（2020J01860，2021J011028，2023J011573）；福建省海洋經濟發展專項（FJHJF-L-2022-17）；福建省科技創新重點項目（2022G02027）；福建省重大專項專題項目（2022NZ033023）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.03.039

摘" 要：針對漁港水域水質實時監測預警問題，擬設計一款適用于漁港水域的由浮筒端和岸基端組成的水質在線監測系統。浮筒端選取STM32主控，將傳感器集成在擴展板中，分別對pH酸堿度、導電率、溶解氧、水溫、水位計和ORP等數據采集。通過RS485將傳感器檢測數據傳輸至主控，由主控對數據進行處理，最后由RS485通信模塊將信號傳輸至岸基端。岸基端基于QT制作的顯示界面實現顯示傳回的數據及預警信息，系統工作穩定、可靠，可直觀實時顯示測量參數數值。該系統具有較強的人機交互功能，可以提升監管部門獲得污染信息的速度，助力水質監管。

關鍵詞：水質監測；傳感器集成；STM32主控；RS485；QT

中圖分類號：TP212.9" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）03-0186-05

Design and Implementation of the Online Monitoring System for Water Quality in Fishing Port

WANG Zhiyuan1，2，3， HE Wenbo1，2，3，4， ZHANG Feng1，2，3， LIU Xinglong1，2，3

（1.Fujian Provincial Engineering Research Center of Safety Control for Ship Intelligent Navigation， Fuzhou" 350108， China; 2.Fujian Provincial University Engineering Research Center of Marine Intelligent Ship Equipment， Fuzhou" 350108， China; 3.College of Physics and Electronic Information Engineering， Minjiang University， Fuzhou" 350108， China;

4.College of Photonic and Electronic Engineering， Fujian Normal University， Fuzhou" 350117， China）

Abstract： Aiming at the problem of real-time monitoring and early warning of water quality in fishing port， a water quality online monitoring system composed of buoy end and shore-based end is proposed to be designed for fishing port. The buoy end selects the STM32 master control， and the sensors are integrated in the expansion board to collect the data of pH， conductivity， dissolved oxygen， water temperature， water level meter and ORP respectively. The sensor detection data is transmitted to the master control through RS485， the master control processes the data， and finally the RS485 communication module transmits the signal to the shore-based end. The display interface based on QT at the shore-based end realizes the display of the returned data and early warning information. The system works stably and reliably， and can intuitively display the values of the measured parameters in real time. The system has a strong human-computer interaction function， which can improve the speed of the supervisory department to obtain the pollution information and help the water quality supervision.

Keywords： water quality monitoring; sensor integration; STM32 master control; RS485; QT

0" 引" 言

水是人類生存必不可少的重要資源，水質的好壞時時刻刻影響人類的生活和生產[1]。隨著全球人口的增長和工業化進程的加速，漁港水域的環境污染問題也日益突出，對海洋生態系統和漁業資源造成了嚴重威脅[2]。而水質監測可以為評價江河和海洋水質狀況提供依據[3]。為了實現漁港水域的污染監測與管理，早期的方法主要依賴于離線采樣和實驗室分析[4]，但這種方式存在著時間延遲、數據不準確和操作煩瑣等問題[5，6]。因此，迫切需要開發一種高效、精準的在線監測系統，以實時監測和評估漁港水域的污染情況。

本論文是基于漁港水域的特點，設計一種更強大、可靠和穩定的水質監測系統。該系統的主要目的是能夠更快、更精確、更全面地監測漁港水域的水質參數，以實現監測部門和環境保護部門對漁港水域水質情況的實時監測，并更快地對污染情況進行判斷，從而加強防治工作。通過這一系統，我們可以加強對水域水質的監測，并及時預警和防治污染，從而改善漁港水域的環境狀況，推動生態文明建設和沿海城市的綠色發展。該系統的研究與開發對于提高漁港水域環境保護水平，確保水域生態系統的健康與可持續發展具有重要意義。

1" 系統框架設計

本系統是為了滿足水環境監測和漁港水域環境監測的基本特點以及環境污染事故防治特點而設計的一種漁港水域水質在線監測系統。整體上，該系統可以分為水面浮筒端和岸基端兩個部分如圖1所示。

水面浮筒端采用了STM32F407V芯片作為核心處理器，并利用PH傳感器、溶解氧傳感器等多種傳感器實現對水質常規參數的采集和處理。采集工作完成后，數據通過RS485串口通信傳輸給主控，并RS232串口通信發送至岸基端系統。最后，通過平臺為檢測部門提供數據查看和預警服務。

岸基端主要以工控機為核心，配備了一系列設備，包括太陽能板、太陽能控制器、鋰電池、4G空開、路由器等。岸基終端的結構由配電箱和太陽能板組成，并考慮到太陽能板尺寸較大，需要額外搭建外置結構以支撐太陽能板。

2" 系統硬件設計

2.1" 電源電路

由于污染監測系統的主要任務是對漁港水域的水質進行監測和預警，考慮到監測節點的放置環境和可能遭遇的惡劣天氣條件，人工定時更換電池工作變得不便。因此，我們選擇使用太陽能電源來解決這個問題，此外，太陽能電源還能提供穩定的輸出和較高的能量轉化效率，確保監測節點系統的正常運行。

在本設計中，我們通過安裝太陽能板對可充電電池進行充電，輸出24 V的直流電壓。然后，借助于MP2451、AMS1117、L5973D等芯片，構建了降壓的DC-DC電路，將電壓分別降低為3.3 V、3.8 V、5 V和12 V，以為系統中的工控機、主控模塊、傳感器等提供適當的電壓。

2.2" 通信模塊

通信模塊主要包含傳感器和主控之間的通信與浮筒端和岸基端通信兩個部分。二者的通信均是通過RS485通信來完成。以主控板為基礎構建RS485通信接口，采用MAX3485作為RS485芯片，在MAX3485中，RE與DE為使能管腳，RE用于使接收器輸出使能，低電平時RO有效；DE用于使驅動器輸出使能，定義芯片的收發模式；RO與DI為數據管腳。在MAX3485中，RE和DE可用一個GPIO控制，因此在實際使用中常將兩個管腳直接連接，用一個IO口進行控制，起到節約資源的作用。以如圖2所示，MAX3485的數據引腳RO、DI連接至主控，由PE12控制MAX3485的收發，PE12 = 0時處于接收模式，PE12 = 1時處于發送模式。

在電路設計中，考慮到由于RS485在idle狀態下電平不固定，收發器的輸出有可能時高時低，而UART則需要在空閑時一直保持高電平狀態，如果UART空閑時收發器輸出了低電平，就會出現通信異常的問題。為解決該問題，我們為A總線增設了上拉電阻，B總線上增設了下拉電阻。在解決通信異常問題的同時，我們還針對電路的EMI性能及EMC性能做一定的改良。為了提高電路的EMI性能，對共模電流進行衰減過濾，設計中添加了一系列保護措施：在A、B總線上添加了EMI靜噪濾波器；串聯電阻抑制線路電流，對RS485芯片進行保護；加入TVS極管，提升電路抗浪涌及防靜電的能力。為了提高電路的EMC性能，我們基于EMC原理，在電路中放置了如電感L1的共模電感，用以衰減共模干擾以及抑制來自單板內外部的干擾。

2.3" 傳感器模塊

傳感器模塊由浮筒端和岸基端兩個部分構成，其中浮筒端的傳感器主要是用來檢測常見的水質參數，主要由溶解氧傳感器、PH傳感器、ZT-SORP-1000型ORP傳感器、滲透壓傳感器、ZTWL-SZEC-485型電導率傳感器以及RSDS19溫度傳感器構成。這6種傳感器使用的均是新型的一體化傳感器，有著較高的精度，可以讓我們獲得精準的數據便于進一步的分析。表1所示這六種傳感器的基本參數：在接線方面均是從傳感器引出紅、黑、黃、綠4根線；其中紅線接電源；黑線接地GND；綠線接485-A；黃線接485-B。一致的接線方式也有利于集成化。我們設置了一個擴展板，擴展板主要用于傳感器與主控板的通信，由485總線結構與PH、導電率、溶解氧、水溫、水位計、ORP等傳感器通信，該擴展板主要由4根總線連接，分別為12 V、GND、485A和485B組成。如圖3所示，在浮筒端主要通過地址質詢的方式來對各傳感器進行問詢。

圖3" 485總線通信模式

2.4" 數據的采集控制

浮筒端的主控模塊是一塊以STM32F407VET6的MCU控制板如圖4所示。該MCU的自帶電源模塊，可將24 V電壓降至12 V和5 V，配備10路ADC，16個IO口，1路網口，4路RS232，1路RS485。利用該MCU我們可以為傳感器設備進行12 V的供電，并且利用主控建立RS485通信模塊實現將傳感器采集到的數據傳入到STM32F407VET并存儲，再利用RS485將數據進一步的傳輸到岸基端。

3" 軟件系統設計

系統的軟件設計主要分成三個個部分，分別是浮筒端的主控主程序設計、主控與傳感器和岸基端的通信設計、岸基端的數據顯示與存儲設計。本部分將對這三大部分分別說明。

圖4" MCU主控板

3.1" 浮筒端主控主程序設計

在浮筒端的主程序流程如圖5所示，在系統通電之后，我們先對串口、系統時鐘等一系列的相關變量進行初始化，然后進入一個while循環，在循環中我們按照接收數據的頻率來設定計時。當設定時間到達時，STM32開始訪問傳感器，并接收傳感器得到的數據暫存分析。我們將得到的數據與設定的水質異常的閾值進行比較，若是不在設定的閾值范圍內，則向岸基端發送報警信息和水質參數信息；若是在范圍內，則僅發送水質參數信息。然后進入下一次的循環。

圖5" 系統軟件設計流程圖

3.2" 通信軟件設計

為實現數據在岸基端、浮筒端系統和傳感器之間的準確傳輸，在使用時需要規范通信協議以保證參數傳輸的可靠性[7，8]。我們所用到的通信方式主要是RS485通信模式及Modbus RTU通信協議進行數據通信，Modbus協議采用主從通信結構，通過主設備向從設備發送請求指令，從設備相應并返回數據，從而實現主設備對從設備的數據訪問與控制。該通信協議包括三種類型：Modbus RTU、Modbus ASCII、Modbus TCP。Modbus RTU模式在通信中具有以下優勢：通信距離長、抗干擾能力強，接口簡單。該模式通過RS485接口進行數據傳輸，采用信息幀的方式傳輸數據[9]。RTU數據幀包含四個主要部分：設備地址、功能碼、數據區和校驗部分。根據協議規定，功能碼具有多種不同作用，常見功能碼列于表2所示。數據區的長度和內容由功能碼來確定。校驗部分采用CRC16算法對數據幀前面的內容進行計算，并將得到的2字節校驗數據追加到數據幀末尾。接收設備在接收信息后重新計算CRC碼，并將計算結果與接收到的CRC校驗碼進行對比，以驗證傳輸結果的準確性。實施數據校驗有助于提升系統的安全性和效率。

在使用RS485通信前，需要通過程序對串口進行相關配置，包括IO口配置、串口配置及中斷向量配置三個部分。對IO口進行配置時，將TXD設置為推挽輸出，將RXD設置為浮空輸入。串口配置需要設定波特率、數據長度、停止位、奇偶校驗位、硬件流控、收發模式等參數。在中斷向量配置時，需配置串口參數，設置中斷組優先級，并使能串口中斷。

表2" Modbus部分常見功能碼

功能碼 名稱 作用

02 讀離散量輸入 讀取離散量輸入的狀態

03 讀取保持寄存器 在一個或多個保持寄存器中取得當前的二進制值

06 預置單寄存器 把具體的二進制裝入一個保持寄存器

16 預置多寄存器 把具體的二進制裝入一串連續的保持寄存器

3.3" 岸基工控機端的顯示界面設計

在岸基端我們基于QT開發平臺使用C++編程語言編寫我們的顯示界面程序[10]，岸基端與浮筒端的是通過RS485進行通信，其本質也串口通信中的一種。我們采用QSerialPort類實現二者之間的串口通信。首先通過foreach語句搜索本地的串口號，選擇相應的串口號和波特率后進行連接。當浮筒端發送數據時，岸基端接收到存入info中，在textedit中顯示接收到的數據。基于QT平臺的運行界面如圖6所示。除了數據的顯示還要做數據的存儲，我們將得到的數據信息保存到MySQL數據庫中，并且界面上提供了查詢功能，水質監測部門可以設置具體的日期來查詢相應時間段[11]。

圖6" 岸基端顯示界面

4" 系統測試

為驗證各項系統功能的可行性，依據上述對整個系統的軟硬件設計搭建了整套水質監測系統，系統的浮筒端如圖7所示，岸基端如圖8所示。

搭建好系統后，我們在學校的內河岸邊進行了測試，將浮筒端固定在監測目標點。當浮筒端開始監測到數據時，通過RS485通信將數據發送給岸基端，岸基端顯示數據并將數據存儲在搭建的MySQL數據庫中。為了看數據檢測的精準度，我們每隔一小時去監測目標地取少量水作為樣本，拿去實驗室檢測其PH、溶解氧、導電率、ORP數據，與同一時刻的我們系統檢測到的數值進行對比。溫度直接現場用溫度計檢測對比。以此檢驗系統檢測的數據的精準度與數據傳輸的穩定性。

圖7" 浮筒端實物

圖8" 岸基端主要實物

5" 結" 論

本系統以STM32作為數據監測端的核心，選用多種傳感器對水質常規參數進行監測，作為判斷水質情況的參考，組成數據采集及處理部分。STM32連接供電模塊、傳感器、通信系統，共同組成節點，并由通信系統協助將數據傳送至岸基端平臺，進行最終的結果顯示及預警工作。在此研究基礎進一步的優化可以從岸基端的水質分析方法入手，在數據傳入岸基端后，在岸基端對水質數據進行更加立體的分析來評判水質的好壞。這樣也將給檢測部門帶來更加準確的預警服務。

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作者簡介：王志遠（1992.06—），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，副教授，工學博士，研究方向：海上安全作業保障；通訊作者：何文波（2000.06—），男，漢族，江西撫州人，無，碩士研究生，研究方向：事海洋環境監管設備新一代電子信息技術；劉興龍（1987.10—），男，漢族，湖北松滋人，副教授，工學博士，研究方向：海上安全作業保障；張峰（1989.01—），男，漢族，福建寧德人，副教授，工學博士，研究方向：海洋環境監測及水動力分析。