水質(zhì)氨氮參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇 朗，黃偉軍*，張少華，李長(zhǎng)才

（1.蘇州科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州215009；2.蘇州市智能測(cè)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 蘇州215009）

水質(zhì)氨氮參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇 朗1，2，黃偉軍1，2*，張少華1，2，李長(zhǎng)才1，2

（1.蘇州科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州215009；2.蘇州市智能測(cè)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 蘇州215009）

提出了一種基于STM32微處理器和TC35i無線傳輸模塊的水質(zhì)氨氮參數(shù)智能采集與傳輸設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水質(zhì)氨氮參數(shù)的采集、處理、顯示以及各模塊間的通信，并結(jié)合GSM無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地遠(yuǎn)程傳輸。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明：該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確、運(yùn)行穩(wěn)定，能全面實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)氨氮參數(shù)的監(jiān)測(cè)。

STM32；氨氮；TC35i；GSM無線通信

在地表水中，氨氮是以銨鹽或游離氨的形式存在。水體中的氨氮濃度直接影響水生物的生存和生長(zhǎng)指標(biāo)，也是水質(zhì)污染檢測(cè)的一個(gè)重要指標(biāo)。水體中氨氮含量過高會(huì)對(duì)魚蝦產(chǎn)生不利影響甚至導(dǎo)致水中魚蝦死亡，對(duì)人體也有一定的危害［1-2］。因此，在水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)中，氨氮濃度的檢測(cè)是非常重要的。文中采用氨氣敏電極法進(jìn)行氨氮檢測(cè)，與傳統(tǒng)的水質(zhì)氨氮檢測(cè)方法例如納氏試劑光度法、蒸餾-滴定法等方法相比較，氨氣敏電極法具有操作簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，并且不需要在檢測(cè)前對(duì)樣品做預(yù)處理，對(duì)于在線檢測(cè)與分析更有優(yōu)勢(shì)。通過目前流行的具有配置豐富靈活、性價(jià)比高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)的STM32控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能采集后，送入到TC35i無線傳輸模塊中進(jìn)行傳輸和通信，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)氨氮信號(hào)的監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、STM32微處理器模塊、GSM無線通信模塊和電源模塊四部分組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊包括氨氮傳感器和信號(hào)調(diào)理電路，其中氨氮傳感器負(fù)責(zé)采集監(jiān)測(cè)水域內(nèi)的氨氮參數(shù)信息，并將這些物理量和化學(xué)量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理模塊，經(jīng)過放大和去噪處理后，使其適合A/D轉(zhuǎn)換。然后采集到的信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，便于處理器進(jìn)行運(yùn)算處理。微處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，該系統(tǒng)是以STM32作為主控器，無線通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行顯示、保存和反饋。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

傳感器數(shù)據(jù)采集模塊主要用于水質(zhì)氨氮參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)pH值和氨氮等多種水質(zhì)參數(shù)。在傳統(tǒng)的納氏試劑分光光度法中，光電探測(cè)器常選擇易受樣品色度和濁度干擾的高速硅光電二極管，而且環(huán)境溫度和濕度等條件的變化對(duì)光度法影響很大，所以，文中氨氮參數(shù)采集是依據(jù)氨氣敏電極法，選擇上海雷磁公司的PNH3-1型氨氣敏電極作為探測(cè)器，它使用簡(jiǎn)單、不受色度、濁度等因素的干擾，抗干擾能力較強(qiáng)，無需額外補(bǔ)償，水中氨氮含量與所測(cè)得的電壓值呈一定的線性關(guān)系。在恒定的離子強(qiáng)度下，水中氨氮含量可以依據(jù)所測(cè)得的電壓值來確定。監(jiān)測(cè)傳感器所測(cè)得的信號(hào)為弱信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)其放大、去噪等處理后，得到0～5 V的電壓信號(hào)。STM32內(nèi)部集成2個(gè)12位16通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），得到的電壓信號(hào)通過芯片內(nèi)部ADC12_IN16輸入引腳送入ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，用于后續(xù)的信息傳輸與通信。

2.1.1 氨氮傳感器工作原理

2.1.2 氨氮采集電路

由于電極內(nèi)阻很高，所以信號(hào)采集電路的前置放大器采用輸入阻抗較高的LF347進(jìn)行阻抗匹配，LF347還有輸入偏置電流小以及高速、帶寬、低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，可以很好的實(shí)現(xiàn)電流的一級(jí)放大，并且有效的防止信號(hào)衰減。為得到更理想的氨氮數(shù)據(jù)，達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換輸入的要求，采用SGM8554構(gòu)成的差分放大電路進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換以及電壓程控可變倍數(shù)放大。SGM8554放大器具有超低失調(diào)、漂移和偏置電流的特點(diǎn)，有利于減少測(cè)試的誤差源。信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。由于外界噪聲干擾會(huì)影響信號(hào)的準(zhǔn)確采集，主要是50 Hz工頻干擾，所以對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪處理，在電路中加入50 Hz帶阻陷波電路。硬件電路圖如圖3所示，調(diào)節(jié)電位器Rw使得阻帶中心頻率為50 Hz，阻帶帶寬在2 Hz以內(nèi)，可以消除50 Hz工頻干擾。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路

圖3 50 Hz工頻陷波電路

2.2 GSM無線傳輸模塊

GSM即全球數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，GSM系統(tǒng)目前在移動(dòng)通信體制中最成熟完善并且應(yīng)用最廣泛［8］。該設(shè)計(jì)無線傳輸通過收發(fā)短消息實(shí)現(xiàn)，采用西門子公司的TC35i模塊。通過STM32進(jìn)行軟件開發(fā)，設(shè)計(jì)中文點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向收發(fā)，STM32模塊與GSM模塊通過RS232串口相連，為保證串口通信，在兩個(gè)模塊之間接入MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。TC35i模塊與STM32的接口電路如圖4所示。

圖4 TC35i和STM32模塊接口電路

2.3 上位機(jī)數(shù)據(jù)處理與分析

上位機(jī)即網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心，傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過STM32處理后通過GSM模塊發(fā)送給監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和處理，便于工作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，實(shí)時(shí)掌握水質(zhì)情況。同時(shí)監(jiān)測(cè)中心還負(fù)責(zé)將采集命令發(fā)送給下位機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊，并且當(dāng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果超出范圍時(shí)，進(jìn)行指示報(bào)警。

2.4 電源模塊

STM32微處理器模塊使用3.3 V電源進(jìn)行供電，TC35i使用供電范圍為3.3～4.8 V的電源供電，為使其不因受到外界干擾而自動(dòng)復(fù)位，一般使用4.2 V電源供電。對(duì)于TC35i模塊，除電源電壓保持在4.2 V左右，還要保證在啟動(dòng)入網(wǎng)時(shí)電流接近2 A，否則TC35i模塊不會(huì)進(jìn)入聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，其信號(hào)燈會(huì)以600 ms間隔閃爍。

2.5 系統(tǒng)抗干擾

系統(tǒng)中電源和信號(hào)線會(huì)引入傳輸干擾，元器件和電路之間存在的電磁場(chǎng)會(huì)引起系統(tǒng)的內(nèi)部干擾，這些干擾會(huì)使信號(hào)出現(xiàn)延時(shí)、衰減。為了提高系統(tǒng)的可靠性，減小各種線路之間的電磁場(chǎng)耦合，應(yīng)盡量將模擬信號(hào)輸入線與交直流電源線、繼電器等感性負(fù)載控制線分開，將交流地和直流地嚴(yán)格絕緣。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要是對(duì)系統(tǒng)參數(shù)和各模塊進(jìn)行初始化，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)采集和處理，STM32通過串口將數(shù)據(jù)傳送到GSM數(shù)據(jù)傳輸模塊，再將數(shù)據(jù)通過GSM公共網(wǎng)絡(luò)以短信的方式發(fā)送出去。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含主程序、數(shù)據(jù)采集程序以及數(shù)據(jù)傳輸與通信部分，下面主要介紹了主程序和數(shù)據(jù)采集程序。

3.1 主程序

主程序設(shè)計(jì)中首先初始化系統(tǒng)變量參數(shù)和各個(gè)模塊。STM32的串行通信方式有輪詢和中斷兩種，該系統(tǒng)不對(duì)端口進(jìn)行重映射，即將STM32的PA9、PA10和PA2、PA3引腳分別作為UART的Tx/Rx管腳。串行口初始化包括GPIO串行通信端口初始化，設(shè)置波特率、停止位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位，設(shè)置串口中斷和中斷優(yōu)先級(jí)。TC35i模塊是利用AT指令發(fā)出控制命令，采用SMS方式傳輸數(shù)據(jù)。SMS信息發(fā)送短消息有兩種模式：PDU模式和TEXT模式。其中，TEXT模式雖然操作簡(jiǎn)單但無法發(fā)送和接收中文短信，PDU模式可以收發(fā)多種字符集，該系統(tǒng)利用可支持中文短信的PDU模式，消息文本通過十六進(jìn)制編碼后進(jìn)行發(fā)送。GSM模塊初始化主要是發(fā)送AT指令并設(shè)置短信模式。表1列出了與SMS收發(fā)短信有關(guān)的部分AT指令［9］。

表1 部分AT指令

主程序流程圖如圖5所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集程序

數(shù)據(jù)采集程序包括采集、處理和發(fā)送水質(zhì)數(shù)據(jù)，MCU分配的采集定時(shí)時(shí)間到達(dá)后，STM32控制器發(fā)送采集命令，水質(zhì)傳感器進(jìn)行初始化，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換器，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)入網(wǎng)成功后，記錄傳感器采集的數(shù)據(jù)，比較數(shù)據(jù)與上次采集到的數(shù)據(jù)是否一樣，若是則控制器進(jìn)入休眠狀態(tài)，為減小功耗，設(shè)定4 h采集發(fā)送一次，定時(shí)喚醒；若與上次數(shù)據(jù)不一樣，則發(fā)送數(shù)據(jù)。圖6為信號(hào)采集流程圖。

圖5 主程序流程圖

圖6 信號(hào)采集流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果

系統(tǒng)測(cè)試前，首先要校正氨氮電極。將溶液pH值調(diào)高到11后，對(duì)電極進(jìn)行空白校驗(yàn)，如果所測(cè)電壓值大于-20 mV則表明氨氮電極正常，否則應(yīng)該重新對(duì)電極進(jìn)行檢查以保證電極正常測(cè)試工作。文中在5種濃度不同的銨離子標(biāo)準(zhǔn)溶液中做了測(cè)試，表2為測(cè)得的電極電位與不同氨氮濃度的關(guān)系。

表2 標(biāo)準(zhǔn)氨氮濃度與測(cè)量電壓值（pH值為12±0.2時(shí)）

通過實(shí)際測(cè)量值與理論值對(duì)比，可以看出用氨氣敏電極檢測(cè)水中氨氮含量具有較高的準(zhǔn)確度和良好的精密性。測(cè)試表明，當(dāng)氨氮濃度較低時(shí)，氨氣敏電極所測(cè)得的電位值誤差相對(duì)于高濃度時(shí)比較大，誤差原因是受運(yùn)放電路誤差影響，低濃度響應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)。

我國(guó)在《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中根據(jù)氨氮濃度限值不同將地表水分為I～V類，具體限值見表3。

表3 《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》氨氮標(biāo)準(zhǔn)限值

筆者對(duì)蘇州新區(qū)某河流的水質(zhì)進(jìn)行了定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了5次測(cè)試，并對(duì)5次測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行了誤差計(jì)算。測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 蘇州新區(qū)某河流氨氮含量監(jiān)測(cè)結(jié)果

由表4可知，該系統(tǒng)對(duì)氨氮進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)運(yùn)行穩(wěn)定，準(zhǔn)確度較高。根據(jù)表3進(jìn)行氨氮值分析比較可知，該河流氨氮含量偏高，屬于第III類水質(zhì)。由于生活污水的排放，使得河流受到污染，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，需要進(jìn)行治理。

5 結(jié)語

該系統(tǒng)以STM32作為控制核心，并且利用了GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、傳輸速度快、價(jià)格低廉、不占用語音通信通道等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)多參數(shù)信號(hào)的采集、存儲(chǔ)和傳輸。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了合理的信號(hào)調(diào)理電路，并考慮了系統(tǒng)抗干擾問題，較好的保證了信號(hào)采集的準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)穩(wěn)定并能實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，對(duì)于水質(zhì)其他參數(shù)例如溶解氧、pH值、溫度、電導(dǎo)率等的測(cè)量也有一定的參考價(jià)值。隨著水資源保護(hù)力度加大以及對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化水平提高，該系統(tǒng)具有很好的實(shí)用性，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

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責(zé)任編輯：艾淑艷

Parameter detection system for water ammonia nitrogen

SU Lang，HUANG Weijun，ZHANG Shaohua，LI Changcai
（1.School of Electronic&Information Engineering，SUST，Suzhou 215009，China；2.Suzhou Intelligence Control Engineering Technology Center，Suzhou 215009，China）

This paper puts forward a parameter intelligent acquisition and transmission module design for water ammonia nitrogen detection based on microprocessor STM32 and the wireless communication module TC35i.The system implements the acquisition，processing and display of the ammonia nitrogen parameters，and the communication among all the modules.Combined with Global System for Mobile communication technology，the accurate and real-time remote transmission of the data is realized.Experimental tests show that the monitoring system is accurate and stable.It can fully realize the ammonia nitrogen signal monitoring and is of high practical value.

STM32；ammonia nitrogen；TC35i；GSM wireless communication

TP368.1

A

1672-0687（2016）02-0051-04

2015-05-26

住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目（341420014）；蘇州科技學(xué)院科研基金資助項(xiàng)目（341311604）

蘇 朗（1993-），女，湖南長(zhǎng)沙人，碩士研究生，研究方向：智能測(cè)控技術(shù)。

*通信聯(lián)系人：黃偉軍（1966-），男，副教授，碩士，碩士生導(dǎo)師，E-mail：wj_huang@126.com。