基于無線傳感器的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

李一峰 樊海紅

摘要

本文提出了一種基于無線傳感器的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)是傳感器、計算機(jī)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，具有數(shù)據(jù)采集、傳輸功能的無線傳感配合無人船載體協(xié)作組成。將Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)與NRF網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相融合，NRF雙向無線發(fā)射可克服其傳輸距離短、水環(huán)境電磁波影響通訊的缺點，從而進(jìn)一步拓展其在湖泊水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用的可靠性。

【關(guān)鍵詞】水質(zhì)監(jiān)測 無線傳感器 STM32

1引言

無線傳感器水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)是傳感器、計算機(jī)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，具有數(shù)據(jù)采集、傳輸功能的無線傳感配合無人船載體協(xié)作組成?；赪i-Fi技術(shù)和NRF技術(shù)具有低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率和低成本等特性，尤其適合應(yīng)用于布線困難、人工難以到達(dá)的區(qū)域。將Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)與NRF網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相融合，NRF雙向無線發(fā)射可克服其傳輸距離短、水環(huán)境電磁波影響通訊的缺點，從而進(jìn)一步拓展其在湖泊水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用的可靠性。

2基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1系統(tǒng)的功能說明

本系統(tǒng)具有以下功能：

（1）控制載體在湖面實現(xiàn)前進(jìn)、后退以及左右轉(zhuǎn)動功能;

（2）遠(yuǎn)距離接收和發(fā)送水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù);

（3）將水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋到OneNET平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析;

（4）檢測水質(zhì)量重要的三個參數(shù)：渾濁度、PH值、水溫;

（5）指示燈反饋傳感器工作狀態(tài);

（6）液晶顯示屏可顯示水質(zhì)監(jiān)測實時數(shù)據(jù);

2.2系統(tǒng)的組成說明

此監(jiān)測系統(tǒng)由以下四部分組成：驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)以及水質(zhì)監(jiān)測傳感器。其內(nèi)容如下：

2.2.1驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)由兩部分組成，一是由12V蓄電池為無人船載體（載體設(shè)計圖見附錄一）供電，并通過雙電機(jī)速度和轉(zhuǎn)動方向?qū)崿F(xiàn)差速調(diào)節(jié);二是由2節(jié)18650電池為傳感器檢測模塊和通訊模塊供電。

2.2.2控制系統(tǒng)

控制載體在湖泊的運動狀態(tài)以及水質(zhì)監(jiān)測傳感器工作起停狀態(tài)。

2.2.3通訊系統(tǒng)

通過NRF和Wi-Fi技術(shù)實現(xiàn)接收板和控制板的通訊以及OneNET平臺的數(shù)據(jù)上傳。

2.2.4無線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

分別檢測水質(zhì)的三個參數(shù)并通過雙向傳輸返回到網(wǎng)上ONENET檢測平臺。

2.3系統(tǒng)的檢測內(nèi)容

本系統(tǒng)通過三類檢測模塊組成檢測系統(tǒng)。其檢測內(nèi)容是PH值，電導(dǎo)率，溫度。表1是檢測內(nèi)容的說明。

3系統(tǒng)硬件的詳細(xì)介紹

將溫度模塊、TDs模塊、PH模塊等檢測數(shù)據(jù)通過發(fā)送模塊、接收模塊、傳輸?shù)斤@示模塊中，當(dāng)接通電源，通過顯示系統(tǒng)顯示出檢驗水質(zhì)的參數(shù)。

電路的工作原理：每個傳感器單獨為一個模塊，其通訊方式都有自己的特點。由溫度模塊通過單總線、TDs模塊通過RS232以及PH值模塊通過ADC方式得到數(shù)據(jù)，然后變成了主從機(jī)之間的通信，通過程序算法，向主機(jī)發(fā)送從機(jī)信號，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理后，溫度值、電導(dǎo)率值以及PH值，通過液晶OLED顯示和OneNet平臺。圖l為系統(tǒng)（檢測部分）整體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。

3.1 STM32F103C8T6芯片的控制模塊

STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核。本系統(tǒng)采用了STM32F103C8T6芯片，是STM32的增強(qiáng)型子系列。廣泛用于系統(tǒng)監(jiān)控與測量等實際應(yīng)用，適合本次無線傳感器水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)使用。

3.2電源模塊設(shè)計

本系統(tǒng)選擇三端穩(wěn)壓集成電路常用的LM317-5.0和LM317-3.3芯片，此芯片經(jīng)過電容濾波，此芯片輸出線性度較好的5V直流電壓來作為電源提供動力，不僅為這個系統(tǒng)中節(jié)省了資源還降低了成本。輸入12V電壓，因為芯片和溫度工作電壓為3.3V，PH值計和TDs工作電壓為5V。因此，工作電壓由12V降至SV，再由5V降至3.3V。如圖2所示。

3.3通訊模塊設(shè)計

本系統(tǒng)采用NRF24L01作為通訊模塊。NRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4GHz-2.5GHz的ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。NRF具有4線SPI通訊端口，通訊速率最高可達(dá)8Mbps。其數(shù)據(jù)包每次可傳輸1～32Byte的數(shù)據(jù)。NRF24L01電路圖如圖3所示。

發(fā)射數(shù)據(jù)時，首先將母機(jī)nRF24LOl配置為發(fā)射模式：母機(jī)對子機(jī)發(fā)射信號收集的命令后，若自動應(yīng)答開啟，那么子機(jī)nRF24LOl在母機(jī)發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號，即接收傳回的數(shù)據(jù)包。

接收數(shù)據(jù)時，首先將母機(jī)nRF24LOl配置為接收模式：接著延遲130Us進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。接收數(shù)據(jù)后，若產(chǎn)生中斷，通知MCU去取數(shù)據(jù)。若此時自動應(yīng)答開啟，接收方則同時進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號。最后接收成功時，則nRF24LOl進(jìn)入空閑模式1。因為在寫寄存器之前一定要進(jìn)入待機(jī)模式或掉電模式。

3.4傳感器模塊設(shè)計

本設(shè)計中使用了溫度、PH值、電導(dǎo)率三個檢測模塊。圖4為三個模塊的電路圖。

3.4.1溫度檢測模塊設(shè)計

DS18820數(shù)字溫度計是DALLAS公司生產(chǎn)的l-Wire，特點是線路簡單、體積小。并且其線路簡單，在一根通訊線上，可以掛許多一樣數(shù)字溫度計，使用起來十分方便。僅只用一個端口就可以實現(xiàn)通信。不需借助外部元件就可以對溫度進(jìn)行測量。

3.4.2 pH值檢測模塊設(shè)計

傳感器中的電極選為E201型pH復(fù)合電極。由pH敏感玻璃電極和銀-氯化銀參比電極復(fù)合而成，它是pH計的測量元件，用以測量水溶液中氫離子濃度的pH值。具有使用方便、易清洗、反應(yīng)快、穩(wěn)定性和重復(fù)性好、抗干擾性能強(qiáng)等特點。

3.4.3電導(dǎo)率檢測模塊設(shè)計

TDS是溶解性總固體，又稱總含鹽量，定義為水中含有各種溶解性礦物鹽類的總量，通過檢測溶解性總固體（TDS），可以分析水的總礦化度。TDS水質(zhì)檢測模塊就是一種通過測量水的電導(dǎo)率來反映水質(zhì)礦化程度。該模塊是通過測量水的電導(dǎo)率來間接的反映TDS值。水的導(dǎo)電性越好，TDS值越大。

3.5 0LED數(shù)據(jù)顯示模塊設(shè)計

OLED顯示屏使用時，通過有機(jī)電激發(fā)光二極管（ OrganicLighr-EmittingDiode，OLED）。OLED數(shù)據(jù)顯示模塊在本設(shè)計中采用3.3V供電，與系統(tǒng)相匹配。SDA引腳傳輸數(shù)據(jù)，SCL時序引腳。通過IIC協(xié)議向OLED發(fā)送控制指令，驅(qū)動OLED成像，實時動態(tài)變化顯示三個傳感器的采集值。

3.6功能按鍵電路

功能按鍵實現(xiàn)對無人船載體的控制以及無人船運動狀態(tài)和數(shù)據(jù)監(jiān)測狀態(tài)的切換。選擇無人船載體遙控狀態(tài)后，其中三個按鍵分別控制無人船前進(jìn)和左右運動，再按下第四個按鍵將運動狀態(tài)切換為工作狀態(tài)選擇界面。選擇傳感器數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，則傳感器工作，OLED顯示屏實時采集的數(shù)值。采用3.3V供電。原理為每一路電路，按下按鍵，電路導(dǎo)通，實現(xiàn)按鍵功能。

4軟件設(shè)計

4.1程序設(shè)計的思路和流程

本次設(shè)計采用的是KEIL4和AD軟件作為開發(fā)工具，通過C語言編寫程序。因為STM32可以調(diào)用的庫函數(shù)較多，主要編寫的程序為主程序、各傳感器還有通訊模塊部分。

以手持控制板控制系統(tǒng)工作狀態(tài)為例說明程序流程：首先，手持控制板初始化各元件。然后，開啟使能定時器1，每25ms進(jìn)行一次按鍵掃描。OLED顯示模式選擇，進(jìn)入按鍵處理函數(shù)Key_Functions。有船體遙控和數(shù)據(jù)采集兩種模式可選。當(dāng)KEY Model=l且K Check=l進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模式，手持控制板發(fā)送6個數(shù)據(jù)包到傳感器檢測板后進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，若在接收數(shù)據(jù)過程中未收到數(shù)據(jù)包則切換為發(fā)送狀態(tài)。傳感器檢測板一上電就為數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，若接收到”AA15CC”指令，則轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)，采集傳感器數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送兩次到手持控制板后，切換為數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。當(dāng)KEY Model=5且K Check=l進(jìn)入船體控制模式，發(fā)送控制指令至傳感器檢測板。

4.2數(shù)據(jù)在OneNet平臺顯示設(shè)計

我們選擇OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺來作為本設(shè)計的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)展示平臺。通過Wi-Fi模塊和平臺建立設(shè)備連接，然后利用ESP8266進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。最后，通過云平臺展示采集數(shù)據(jù)。

5結(jié)束語

本設(shè)計采用C語言來編寫程序，使用STM32F3作為系統(tǒng)的核心，完成了控制、驅(qū)動、通訊和檢測的模塊設(shè)計。實現(xiàn)了在水中對水溫、PH值和渾濁度的檢測。并實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通訊。最后，通過分析檢測數(shù)據(jù)得出是否符合我國湖泊水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，及時治理水質(zhì)污染。適用于中小型湖泊，如湖光巖水質(zhì)監(jiān)測。因其低功耗，可靠性高以及互聯(lián)網(wǎng)的普及，基于無線傳感器水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用越來越普遍，本文所設(shè)計的水質(zhì)檢測系統(tǒng)具有較大的應(yīng)用價值。

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