物聯(lián)網(wǎng)交互式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

夏傳克 薛江南 殷智浩

摘要：隨著全球工業(yè)化的不斷深入，人類造成的污染不斷加劇，以至于人們賴以生存的水資源都遭受了嚴(yán)重的污染。隨著工業(yè)化，城市化進(jìn)程的推進(jìn)，怎樣治理水資源污染成了一等一的大事。而要治理污染首先就要進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)，知道污染源在何處，才能著手解決污染。為了解決水質(zhì)檢測(cè)問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)工程的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，便攜式水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)和全國互聯(lián)可查系統(tǒng)。便攜式監(jiān)控系統(tǒng)包括便攜式監(jiān)測(cè)儀器和PC監(jiān)控終端。便攜式監(jiān)測(cè)儀器基于單片機(jī)和多個(gè)傳感器，體積小，攜帶方便，操作簡單，可以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)水質(zhì)情況；PC監(jiān)控終端運(yùn)用了C#語言設(shè)計(jì)水質(zhì)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?；全國互?lián)可查系統(tǒng)主要由實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)庫和控制中心組成。經(jīng)過我們的實(shí)地檢測(cè)，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和精確性，對(duì)于相關(guān)部門做水資源污染處理有較高的參考意義。

關(guān)鍵詞：便捷；單片機(jī)；傳感器；水質(zhì)監(jiān)測(cè)；遠(yuǎn)程交互

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）24-0262-03

1 系統(tǒng)需求分析

我們主要研究的方向是水質(zhì)的檢測(cè)，采集局部區(qū)域的水樣，判斷水域的污染情況。我們綜合各國成功的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)案例，選出了氧化還原、濁度、電導(dǎo)率、PH這四個(gè)參數(shù)作為我們監(jiān)測(cè)水質(zhì)情況的依據(jù)[4]。

1.1 氧化還原

ORP值（氧化還原電位）是水質(zhì)檢測(cè)中的一個(gè)重要的指標(biāo)，雖然ORP值沒有辦法自行反應(yīng)水質(zhì)的情況，但是如果綜合其他水質(zhì)的指標(biāo)就可以反映出水系統(tǒng)當(dāng)中的生態(tài)環(huán)境。

在外界的水體中，具有很多的變價(jià)離子以及溶解氧，例如工廠中的廢水排入水體時(shí)，當(dāng)中包含了很多的離子以及有機(jī)物質(zhì)，由于離子間性質(zhì)，水體會(huì)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，損耗氧氣，從而減少沉積物的氧化還原電位。各種微生物活性也隨之發(fā)生改變。最終會(huì)造成水體發(fā)黑發(fā)臭，所以治療水體污染必須在氨氮、亞硝酸鹽沒出來或很少時(shí)就得開始了。

所以，ORP值能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)水中的氧化還原電位，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中起到了重要作用，還可以及時(shí)采取措施，預(yù)防水污染。

1.2 濁度

濁度是指光在水中傳播時(shí)懸浮固體在水中的阻塞程度。一般指水中的沉淀物、細(xì)小的有機(jī)物和無機(jī)物、浮游生物、微生物和膠體物質(zhì)。

濁度是表現(xiàn)水是否清澈的感官性指標(biāo)，同時(shí)也是反應(yīng)飲用水當(dāng)中的微生物以及有機(jī)物的含量多少的相關(guān)性指標(biāo)，當(dāng)水中的微生物和有機(jī)物急劇增加時(shí)，會(huì)造成水體的濁度的升高，說明水體發(fā)生了污染[1]。

濁度雖然不能夠直接反映出水體質(zhì)量的好壞，但卻是檢測(cè)水質(zhì)量的一個(gè)重要的指標(biāo)。

1.3 電導(dǎo)率

電導(dǎo)率是用來描述物質(zhì)中電荷流動(dòng)困難程度的參數(shù)。水能夠?qū)щ姷脑硎且心芤苿?dòng)的電荷。純凈的水當(dāng)中幾乎沒有能夠移動(dòng)的電荷，所以不導(dǎo)電。當(dāng)水中的礦物質(zhì)以離子形態(tài)存在時(shí)就可以導(dǎo)電，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，電導(dǎo)率就越強(qiáng)，水中礦物質(zhì)的含量就越高。

當(dāng)水受到污染時(shí)，水中的金屬離子就會(huì)增多，導(dǎo)電能力就會(huì)增強(qiáng)，通過監(jiān)測(cè)電導(dǎo)率可檢測(cè)出水中礦物質(zhì)總含量。所以，可以通過電導(dǎo)率來判斷水質(zhì)是否符合要求。

1.4 PH值

PH值主要用來測(cè)試水體中的酸堿性，它能夠顯示出水中不同溶解性化合物主要是CO2、碳酸氫鹽等酸堿平衡的水平。當(dāng)水體的酸性或堿過高或過低，酸堿平衡被打破時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致水污染，從而打亂水體中生物的正常生活[2]。

當(dāng)然PH值也是會(huì)對(duì)其他水質(zhì)的指標(biāo)構(gòu)成干擾，還會(huì)影響水中的雜質(zhì)含量。當(dāng)PH值低于7時(shí)，硫侵入水體會(huì)生成硫化氫從而產(chǎn)生臭雞蛋的味道，三氯化氮產(chǎn)生刺激性氣味，當(dāng)PH值提高時(shí)，水會(huì)有苦味，色度就會(huì)增加。

所以，PH值也是我們非常重要的一項(xiàng)指標(biāo)。

2 系統(tǒng)構(gòu)架

水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種將軟件與硬件，下位機(jī)和上位機(jī)相結(jié)合的綜合性系統(tǒng)。水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由便攜式監(jiān)測(cè)儀器和監(jiān)控終端構(gòu)成；便攜式監(jiān)測(cè)儀器通過傳感器模塊采集數(shù)據(jù)，輸送到單片機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，算法初步處理，在LCD屏上進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示以及最后的數(shù)據(jù)上傳。監(jiān)控終端針對(duì)儀器上傳的數(shù)據(jù)通過C#制作的客戶端執(zhí)行接收并處理數(shù)據(jù)，完成對(duì)水質(zhì)的狀況的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、實(shí)時(shí)圖表顯示、自定義數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和警戒值等功能。為了滿足監(jiān)控的多樣性與便攜性，還需要開發(fā)移動(dòng)監(jiān)控終端（以下簡稱移動(dòng)端），該終端與PC監(jiān)控終端作用相同。

3 移動(dòng)終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通過WIFI讀取單片機(jī)上傳的數(shù)據(jù)后，在移動(dòng)終端上進(jìn)行直觀顯示，并且可以通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。在通過PC端獲取權(quán)限之后移動(dòng)端可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的刪改。并且可以設(shè)定數(shù)值的閾值起到更好的監(jiān)管作用。對(duì)于超出閾值的數(shù)據(jù)移動(dòng)終端則會(huì)在圖表中用紅色標(biāo)注，已達(dá)到警示目的。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸與處理

由于該系統(tǒng)使用的傳感器較多，因此返回值較為雜亂，我們以精度最高的PH值傳感器的數(shù)據(jù)返回值（十位數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點(diǎn)后三位，即總共5位數(shù)據(jù)）為基礎(chǔ)，把所有的數(shù)據(jù)傳輸全部拆分成5位數(shù)字的形式傳播（數(shù)據(jù)不足5位則錢前面加0補(bǔ)齊）。

3.2 數(shù)據(jù)閾值的管理

數(shù)據(jù)閾值的設(shè)定是監(jiān)控設(shè)備與用戶交互的重點(diǎn)之一，自定義的數(shù)據(jù)閾值系統(tǒng)可以對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控，當(dāng)設(shè)定的傳感器的數(shù)據(jù)異常，即達(dá)到用戶自定義的閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行提示，能夠讓用戶及時(shí)得知，并采取措施。用戶的警戒值輸入采用文本框的形式，用戶直接在對(duì)話框中輸入自定義的有效數(shù)據(jù)，在對(duì)話框下我們?cè)O(shè)計(jì)了四個(gè)單選按鈕，用于設(shè)定不同數(shù)據(jù)的閾值，點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕提交數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在后臺(tái)處理匹配，驗(yàn)證數(shù)據(jù)的有效性，確認(rèn)無誤后，系統(tǒng)將將閾值應(yīng)用于整個(gè)監(jiān)控終端。閾值設(shè)定系統(tǒng)擺放在主界面的圖表左側(cè)，用戶可以結(jié)合圖表設(shè)定警戒值。

4 便攜式監(jiān)測(cè)儀器的實(shí)現(xiàn)

我們要通過該儀器實(shí)現(xiàn)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集，與初步預(yù)處理，以及與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。

因此我們采用了如下的下位機(jī)組成。

其中，LCD屏我們選用的是LCD1602液晶顯示屏，這是一種用來顯示數(shù)字、字母等點(diǎn)陣的液晶顯示模塊。足夠完成顯示數(shù)據(jù)時(shí)間的功能，又兼具低功耗的優(yōu)良特點(diǎn)。蜂鳴器我們選取的是低功耗的5V有源蜂鳴器，四種傳感器在經(jīng)濟(jì)條件允許下我們盡量選擇高精度的分別是（PH值傳感器、氧化還原傳感器、電導(dǎo)率傳感器、TS濁度傳感器）。

4.1 LCD屏顯示

LCD屏是便攜監(jiān)測(cè)儀器的最終顯示部分。通過程序編寫實(shí)現(xiàn)日期與檢測(cè)結(jié)果同時(shí)顯示，增加了數(shù)據(jù)的時(shí)效性。該功能實(shí)現(xiàn)比較簡單，只要通過I2C總線對(duì)四種數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，單片機(jī)內(nèi)嵌的芯片實(shí)現(xiàn)時(shí)間程序的編寫，最后顯示在LCD屏上。

4.2 閾值報(bào)警

為了更方便的檢測(cè)水質(zhì)，我們給該設(shè)備設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)閾值，實(shí)現(xiàn)了閾值報(bào)警功能。該功能主要由蜂鳴器實(shí)現(xiàn)。經(jīng)測(cè)試報(bào)警精度高，速度快，有極強(qiáng)的時(shí)效性與可用性。

5 PC監(jiān)控終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的讀取與二次處理、數(shù)據(jù)的存貯、自定義閾值、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示（數(shù)據(jù)與圖表兩種形式）。因此該終端主要包括兩大部分，前臺(tái)用戶操作界面和后臺(tái)用來存放水質(zhì)信息的數(shù)據(jù)庫。

5.1 數(shù)據(jù)庫相關(guān)

用戶操作界面有保存至數(shù)據(jù)庫功能按鈕，點(diǎn)擊后將所有數(shù)據(jù)提交至數(shù)據(jù)庫。同時(shí)設(shè)置數(shù)據(jù)庫刪改權(quán)限，其他端想要?jiǎng)h改數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)只有通過本機(jī)發(fā)放的一次性權(quán)限才能夠刪改。同時(shí)該終端還支持自定義保存的數(shù)據(jù)類型，用戶可以根據(jù)需要選擇保存的數(shù)據(jù)，這樣可以大大減少冗余數(shù)據(jù)貯存，方便用戶以后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理與利用。

5.2 串口相關(guān)

該終端支持串口實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)，而串口配置則是下位機(jī)與上位機(jī)連接的關(guān)節(jié)所在。雖然在本套系統(tǒng)中下位機(jī)的串口配置是固定的，但是為了兼容更多的檢測(cè)設(shè)備，上位機(jī)必須要做好串口處理工作[3]。因此我們?cè)诖诓糠謳缀醢耸袌?chǎng)上常見的波特率與數(shù)據(jù)位的選擇。

6 總結(jié)

本設(shè)計(jì)通過對(duì)水污染治理的需求分析，提出了一些設(shè)計(jì)方案，并逐漸進(jìn)行實(shí)施，最終解決水污染問題。該水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)整體分成兩部分，檢測(cè)設(shè)備和監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水質(zhì)的檢測(cè)和對(duì)檢測(cè)信息的實(shí)時(shí)處理與存儲(chǔ)。

我們認(rèn)為該系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）檢測(cè)精度較高；

2）實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)與圖表（十分直觀）；

3）具有良好的時(shí)效性；

4）檢測(cè)儀器用了十分方便的閾值報(bào)警系統(tǒng)，省去不少人力；

5）用戶操作界面干凈、整齊、一目了然。

參考文獻(xiàn)：

[1] 汪家權(quán)，李晨，譚茜.二氧化鉛陰極單室微生物燃料電池處理有機(jī)廢水研究[J].水處理技術(shù)，2009，35（9）.

[2] 向偉.水質(zhì)檢測(cè)中pH值測(cè)試儀的研究與實(shí)現(xiàn)[D].湖南師范大學(xué)，2016.

[3] 于紅毅，慕德俊.基于CY7C68013芯片USB虛擬串口實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012（10）：250-252.

[4] 朱志坤.論水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在水資源管理中的作用[J].中小企業(yè)管理與科技，2011（12）：277-278.

【通聯(lián)編輯：張薇】