基于STM32的水質(zhì)智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)

田 紅，李秉權，張亞彤

(1.蘭州城市供水(集團)有限公司，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學機電技術研究所，甘肅 蘭州 730070)

水質(zhì)監(jiān)測是實現(xiàn)水資源保護與水污染控制的重要途徑。現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測裝置多由市電供電，為單一固定點監(jiān)測，相比較湖泊流域附近，鮮有可應用于野外環(huán)境下，可準確定位水質(zhì)異常的監(jiān)測系統(tǒng)[1]。國外在水質(zhì)監(jiān)測研究多基于無線傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)控解決方案，如愛爾蘭的SmartCoast監(jiān)測系統(tǒng)是將傳統(tǒng)的單一測量改造成多傳感器網(wǎng)絡的自動化檢測設備[2]，已應用于部分湖泊流域中，得到了很好的應用效果。但我國因地域分布廣，地形復雜等特點，水質(zhì)監(jiān)測需求大，且國內(nèi)外相關水質(zhì)監(jiān)測領域標準規(guī)約不盡相同，所以全部引入國外技術是不現(xiàn)實的。而目前國內(nèi)僅對重點流域湖泊進行了水質(zhì)監(jiān)控，且系統(tǒng)體積龐大，不適用于偏遠地區(qū)等現(xiàn)實情況[3- 4]。本文介紹了一種太陽能水質(zhì)智能遠程監(jiān)測控制系統(tǒng)，以我國的水質(zhì)規(guī)約規(guī)范為開發(fā)標準，采用STM32嵌入式單片機為控制核心，結(jié)合驅(qū)動芯片控制繼電器，利用GPRS模塊為數(shù)據(jù)交互媒介，采用太陽能供電設備為系統(tǒng)提供正常工作電壓隨著物聯(lián)網(wǎng)以及嵌入式系統(tǒng)兩大前沿技術的發(fā)展。該系統(tǒng)能夠應用于環(huán)境惡劣的野外，特別是在沒有常規(guī)電力供給的地方工作，能實現(xiàn)對水源水質(zhì)的定時分析，并能準確、及時的切斷供給閥門或水閘等設備，防止污染水質(zhì)的進一步擴散，從而最大程度降低人身及財產(chǎn)損失。

1 總體方案

本文設計并實現(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)包括水質(zhì)監(jiān)測、閥門控制和無線通訊功能。其中以STM32嵌入式單片機作控制核心，搭配外圍元器件實現(xiàn)對水質(zhì)的智能監(jiān)控。太陽能供電設備由太陽能光伏陣列電池板、充放電控制器、蓄電池及DC-DC控制升壓電路組成。水質(zhì)監(jiān)測通常以溶解氧、濁度及pH值等參數(shù)值做為衡量水質(zhì)情況的標準[5]，因此水質(zhì)監(jiān)測單元主要通過濁度傳感器、pH值傳感器、溶解氧DO傳感器等的信息采集與上傳。閥門控制單元采用繼電器控制，配合驅(qū)動芯片及MOS管實現(xiàn)控制閥門動作。為保證本系統(tǒng)能適應野外惡劣的環(huán)境，將硬件設備如控制核心、無線通訊模塊及供電設備等以合理的安裝距離組裝進具有防銹蝕及防潮能力的控制柜中，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力[6]。

水質(zhì)監(jiān)測傳感器將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號，通過設計的增益放大器及信號調(diào)理模塊，并引入加權平均濾波法將信號采集中的噪聲干擾降低，提高測量精度。最后通過水質(zhì)分析儀比對標準預設水質(zhì)參數(shù)信息，并以無線通訊網(wǎng)絡上傳至上位機。

為了提高本系統(tǒng)的可拓展性和實用推廣價值，在STM32單片機上額外預留多個輸入輸出端口，方便后續(xù)調(diào)試工作或擴展其他功能單元。系統(tǒng)總體設計結(jié)構圖如圖1所示。

圖1 總體設計結(jié)構圖

2 硬件設計

該系統(tǒng)采用模塊化的設計思想，其主要由控制核心、傳感器、無線通訊模塊、閥門控制單元和太陽能供電設備主板組成。本系統(tǒng)硬件結(jié)構圖如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構圖

控制核心選用STM32系列的STM32F103RCT6芯片，該芯片功耗低，性能優(yōu)越，適用于本系統(tǒng)的功能要求[7]。GPRS模塊以規(guī)定的通訊協(xié)議格式將采集信息打包上傳至上位機，采用SIM800C型號GPRS模塊與STM32單片機連接。同時報警模塊為裝置監(jiān)測出水質(zhì)異常狀況時進行報警，并以無線通訊的方式及時上傳給上位機。

溶解氧傳感器通過增益放大器及濾波電路將微弱的電流信號精確轉(zhuǎn)換為模擬量信號，通過SPI總線與STM32連接。pH值傳感器我們選用的是上海雷磁公司生產(chǎn)的E- 201-C pH復合電極，其測量反應快，適用于多種溶液，通過高輸入阻抗放大器將較低的電壓信號抬升到0～3V的電壓范圍，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換接口送入STM32單片機中。同時溶解氧與pH值數(shù)據(jù)還需通過溫度補償來獲取更為精確地參數(shù)數(shù)據(jù)。濁度傳感器采用GE_TS型，其內(nèi)部結(jié)構主要由發(fā)光二極管和光敏三極管組成，通過低通濾波和信號調(diào)理電路將其信號采集進單片機中。水溫傳感器需通過信號調(diào)理單元將模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，直接輸入至單片機中。最后經(jīng)過處理計算后的不同水質(zhì)數(shù)據(jù)參數(shù)在LED屏上可以實時顯示出來，方便操作人員查看。

3 軟件設計

水質(zhì)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能主要包括實時監(jiān)測、報警管理、測站管理、統(tǒng)計查詢以及系統(tǒng)管理共五個模塊組成。軟件系統(tǒng)功能模塊圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊圖

3.1 系統(tǒng)主要功能介紹

3.1.1 實時監(jiān)測

實時監(jiān)測模塊主要是實時監(jiān)測當前測站實時信息，測站信息有測站的類型、RTU在線狀態(tài)、更新時間、溶解氧、pH值、濁度等。這些信息主要是RTU上傳至服務器終端的監(jiān)測數(shù)據(jù)。實時監(jiān)測界面如圖4所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測界面

3.1.2 報警管理

報警管理模塊的主要功能是當測站顯示報警信息后，管理員通知相應的測站負責人及時預防處理相應的問題，報警管理的信息包括：報警類型、報警值、負責人以及負責人聯(lián)系電話，報警狀態(tài)顯示負責人是否進行處理。系統(tǒng)報警管理界面如圖5所示。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)報警管理界面

3.1.3 測站管理

測站管理的主要功能是實現(xiàn)測站信息的添加、修改、刪除與查看。包括對水質(zhì)監(jiān)測點區(qū)域的添加、刪除，和控制每個測站設備，當選擇相應的測站后，對其進行系統(tǒng)參數(shù)、pH參數(shù)、溶解氧參數(shù)、運行參數(shù)、通訊參數(shù)等的設置，實現(xiàn)遠程監(jiān)控設備功能。

3.1.4 統(tǒng)計查詢

統(tǒng)計查詢界面主要是對水質(zhì)參數(shù)以及歷史數(shù)據(jù)的查詢和統(tǒng)計。統(tǒng)計的頻率是每天統(tǒng)計一次，得到的數(shù)據(jù)以柱狀圖、折線統(tǒng)計圖以及圖標的形式顯示，可以直觀地反映數(shù)據(jù)走勢。系統(tǒng)查詢界面如圖6所示。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)計查詢界面

3.1.5 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理界面包括系統(tǒng)菜單管理，系統(tǒng)賬號管理，角色權限管理，區(qū)域管理，機構管理。系統(tǒng)菜單管理包括對菜單列信息的添加、修改和刪除的操作，系統(tǒng)賬號管理是對管理員信息的管理。角色權限管理是指對角色列信息的添加、修改和刪除的操作。區(qū)域管理是指對區(qū)域列信息的添加的操作。機構管理是對機構信息的管理。

4 系統(tǒng)功能測試

本系統(tǒng)已應用于某小型河流流域現(xiàn)場，構建測試環(huán)境如圖7所示，以分段形式將河流流域劃分為3部分進行監(jiān)控。匯集數(shù)據(jù)采集、存儲、分段控制的方式實現(xiàn)不同段河流與上位機通過自行組建的傳輸路徑進行通信?，F(xiàn)場試驗表明，本系統(tǒng)對水質(zhì)參數(shù)信息監(jiān)測采集準確，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，閥門控制響應時間在1s內(nèi)，持續(xù)運行發(fā)現(xiàn)河流未見顯著異常狀態(tài)發(fā)生，河流生態(tài)維持良好穩(wěn)定局面，實現(xiàn)了監(jiān)控效果。

圖7 系統(tǒng)測試環(huán)境圖

5 結(jié)語

本文設計的水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了STM32嵌入式單片機的穩(wěn)定可靠及擴展性強的優(yōu)勢，配合無線通訊與繼電器控制方式實現(xiàn)精確的水質(zhì)參數(shù)信息采集及可靠控制，不同于以往的水質(zhì)監(jiān)測技術，本系統(tǒng)在續(xù)航能力引入太陽能供電方式，以及遠程遙控閥門動作實現(xiàn)在偏遠河流流域應用的可能性，通過在小型河流流域的現(xiàn)場調(diào)試運行證明該系統(tǒng)滿足實際應用需求，具有很好的推廣價值。