地表水水質(zhì)智能監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：針對傳統(tǒng)水質(zhì)檢測系統(tǒng)存在實時性差、靈敏度低、成本高等缺點，設(shè)計實現(xiàn)了一種基于STM32單片機及多種水質(zhì)傳感器的智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實時監(jiān)測地表水溫度、酸堿度、溶解氧、濁度、電導率等水質(zhì)參數(shù)，能實時顯示并存儲水質(zhì)數(shù)據(jù)，最后通過GPRS通訊模塊將數(shù)據(jù)傳輸至遠程監(jiān)測中心。通過實時監(jiān)測浙江省臨安苕溪河、臨安東湖村水庫及浙江農(nóng)林大學東湖3個地點的水質(zhì)，表明水質(zhì)優(yōu)劣程度，浙江農(nóng)林大學東湖優(yōu)于東湖村水庫和臨安苕溪河，該水質(zhì)智能監(jiān)測系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：地表水；STM32單片機；水質(zhì)傳感器；智能監(jiān)測

中圖分類號：S273.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）16-4283-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.16.054

中國是人均淡水資源貧國，水資源可用量、人均和單位面積的水資源數(shù)量極為有限[1]。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，工廠廢棄物直接排放到河流中，導致水質(zhì)污染日益嚴重，因此保護水環(huán)境迫在眉睫，浙江省政府為確保水質(zhì)安全推出“五水共治”的政策[2]，該政策主要為了治理自來水、江水、河水等的污染問題。而水質(zhì)監(jiān)測就是對水環(huán)境中的污染物及污染因素進行監(jiān)測，其目的是評價污染物產(chǎn)生的原因及污染途徑為防治污染提供技術(shù)支持[3]。因此監(jiān)測水質(zhì)的必要性不言而喻，依靠水質(zhì)監(jiān)測手段可以確定水環(huán)境控制目標及改善水環(huán)境質(zhì)量狀況的效果[4]。

目前，水質(zhì)監(jiān)測方法主要有兩種方式：人工采集[5]和水質(zhì)自動監(jiān)測站。人工方式勞動強度大，檢測周期長，不能實現(xiàn)在線實時自動監(jiān)測，難以全面準確反映水質(zhì)參數(shù)的動態(tài)變化。水質(zhì)自動監(jiān)測站建設(shè)周期長投資成本高，覆蓋水域有限，實時監(jiān)測范圍小，不能同時對多點進行實時監(jiān)測[6]。若出現(xiàn)極端突發(fā)情況，水質(zhì)受到嚴重污染，如工業(yè)廢水傾倒，甚至受到二次污染，則傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法難以實現(xiàn)實時在線反映水質(zhì)動態(tài)情況。因此，本研究設(shè)計了表水水質(zhì)智能監(jiān)測系統(tǒng)，該測系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動在線實時監(jiān)測。

1 總體方案設(shè)計

根據(jù)國家水質(zhì)監(jiān)測標準[7]，包括溫度、pH、溶解氧（DO）、化學需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、總磷（以P計）等項目。主要對地表水物理特性進行監(jiān)測，確定將溫度、酸堿度、溶解氧、濁度和電導率5個參數(shù)作為監(jiān)測對象，實現(xiàn)5個參數(shù)實時在線監(jiān)測，在LCD顯示屏上實時顯示采集的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，同時本地存儲數(shù)據(jù)，并通過GPRS通訊模塊上傳到遠程監(jiān)控中心。

根據(jù)上述功能要求，系統(tǒng)主要由單片機主控模塊、傳感器模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、液晶顯示模塊和通訊模塊組成，系統(tǒng)框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本設(shè)計水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)主要由主控模塊、傳感器檢測模塊、存儲模塊和顯示模塊以及其他模塊組成。水質(zhì)檢測系統(tǒng)通過傳感器模塊采集水質(zhì)參數(shù)，由主控模塊處理采集到的水質(zhì)參數(shù)，將數(shù)據(jù)存儲于存儲模塊中，并且把結(jié)果實時顯示在LCD顯示屏上，實現(xiàn)實時在線監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)。

2.1 最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)包括單片機及電源、時鐘、復位等部分組成[8]，其中單片機為整個系統(tǒng)控制中心。該系統(tǒng)采用STM32系列閃存微控制器作為主控模塊，該模塊采用ARM公司最新的Cortex-M3內(nèi)核架構(gòu)，具有高性能、低功耗、性價比高的特性[9]，最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)采樣模塊

數(shù)據(jù)采樣模塊是水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的一個重要部分[10]，按照系統(tǒng)設(shè)計要求，該系統(tǒng)需實時采集pH、溫度、溶解氧、濁度、電導率5個參數(shù)。系統(tǒng)采用的水質(zhì)傳感器型號分別為ZA-TU-A101型濁度傳感器、ZA-CDT-A101-485型電導率傳感器、ZA-DO-A101-485溶解氧傳感器的型號是、ZA-PH-A101-485型酸堿度傳感器。

除濁度傳感器采用12位的A/D轉(zhuǎn)換器與單片機進行通訊外，其余傳感器均采用MODBUS協(xié)議，通過RS485接口與單片機進行通訊。傳感器接口電路見圖3～圖7。

2.3 存儲模塊

存儲模塊是采集器的關(guān)鍵模塊，要求存儲可靠，寫入速度快、容量大，實現(xiàn)本地備份防止數(shù)據(jù)無故丟失[11]。系統(tǒng)采用SD卡（Secure digital memory card）作為存儲模塊[12]。每小時發(fā)送N組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)有5個參數(shù)，每個參數(shù)大小為8 bit，則一天發(fā)送的數(shù)據(jù)為N×24×5×8 bit。當N=3時，采用128 Mb的SD卡，那么SD卡約能存儲一年的數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了系統(tǒng)的可調(diào)行。

SD卡與單片機通訊模式可分為SD卡模式與SPI模式[13]，系統(tǒng)采用SD卡模式，該模式需要4條數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，各個引腳功能如表1所示，存儲模塊的硬件電路如圖8所示。

2.4 液晶顯示模塊

LCD液晶顯示模塊主要是為了實時顯示水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)、采集時間、采集點，系統(tǒng)采用ILI9341型號液晶屏[14]。為了提高顯示圖片速度和圖像質(zhì)量，該系統(tǒng)采用16 bit并行接口與單片機通訊，接口電路如圖9所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件開發(fā)環(huán)境

STM32軟件的開發(fā)基于IAR embedded workbench開發(fā)平臺[15]，整個軟件開發(fā)、調(diào)試和仿真都在Window7操作系統(tǒng)下完成。

3.2 系統(tǒng)主程序流程

系統(tǒng)工作時首先要進行初始化，需要初始化的模塊包括USART、GPGS、DS1302、KEY、GPIO、LCD等。系該統(tǒng)主要包括3個模塊，分別為MODBUS協(xié)議模塊、按鍵模塊、GPRS模塊，系統(tǒng)主程序流程圖如圖10所示。

3.3 系統(tǒng)主要模塊

按鍵模塊，按下鍵同時調(diào)節(jié)參數(shù)，根據(jù)按鍵功能不同操作進入數(shù)據(jù)界面。模塊中包含以下功能鍵：選擇、確認、加和減。開始進入IP地址調(diào)試，通過選擇、確認、加和減的功能鍵調(diào)試，然后對時間點及測試點進行確認。

MODBUS協(xié)議模塊，主機發(fā)送數(shù)據(jù)，通過RS485將數(shù)據(jù)發(fā)送給傳感器，然后置于接收狀態(tài)，傳感器接到主機發(fā)送的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)返回給主機，最后將數(shù)據(jù)傳到液晶的數(shù)據(jù)口并顯示。

GPRS模塊經(jīng)過IP和端口數(shù)據(jù)讀取后，進行串口初始化，發(fā)送，等待接受。GPRS模塊首先配置APN進入TCP功能，打開一條TCP連接，每隔1 h發(fā)1次，每次發(fā)3組數(shù)據(jù)到TCP終端，直至1 h后關(guān)閉GPRS。

3.4 遠程監(jiān)控中心模塊

遠程監(jiān)控中心的地址為http：//60.190.216.49：8002。

4 系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 試驗準備及過程

系統(tǒng)試驗測試地點分別選取浙江農(nóng)林大學東湖、臨安苕溪河、臨安東湖水庫。時間分別于2015年1月27-29日、1月30日、2月2日對3個地點進行水質(zhì)監(jiān)測。系統(tǒng)實物如圖11所示。

上電開機并完成設(shè)備初始化后，設(shè)備每隔1 min定時采集傳感器數(shù)據(jù)并通過LCD液晶屏實時顯示數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)打包封裝后通過GPRS模塊上傳至遠程監(jiān)測中心。為了系統(tǒng)備份的需要，采集的數(shù)據(jù)同時存儲于本地SD卡中。根據(jù)遠程監(jiān)測中心獲得的數(shù)據(jù)用Excel軟件進行分析處理后可得表2。

4.2 數(shù)據(jù)分析與討論

本試驗主要對水質(zhì)的濁度、酸堿度、溫度、溶解氧、電導率5個指標進行監(jiān)測。根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標準基本項目標準限值以及地表水水域環(huán)境功能和保護目標可知[16]。由表3可知，浙江農(nóng)林大學東湖水質(zhì)符合Ⅰ類水標準，臨安東湖村水庫和臨安苕溪河水質(zhì)符合Ⅱ類水標準。同時，根據(jù)臨安苕溪河濁度大于東湖水庫的濁度。結(jié)果表明，浙江農(nóng)林大學東湖的水質(zhì)優(yōu)于東湖村水庫、臨安苕溪河。

5 結(jié)語

本研究開發(fā)了一種能檢測水質(zhì)溫度、酸堿度、溶解氧、濁度、電導率5個水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)能在液晶顯示屏上實時顯示數(shù)據(jù)，本地存儲數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送至遠程監(jiān)測中心。通過對浙江農(nóng)林大學東湖、臨安東湖村水庫、臨安苕溪河3個地點的河流水質(zhì)實時監(jiān)測，處理水質(zhì)數(shù)據(jù)，表明浙江農(nóng)林大學東湖的水質(zhì)優(yōu)于東湖村水庫、臨安苕溪河。該系統(tǒng)試驗過程中運行穩(wěn)定，具有低功耗、低成本、配置靈活、應(yīng)用范圍廣、環(huán)境適應(yīng)力強等特點。

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