基于物聯(lián)網(wǎng)的污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

丁越昌 文釧東 錢(qián)康

摘 要：基于物聯(lián)網(wǎng)的污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用傳感器、ZigBee多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)、STM32嵌入式系統(tǒng)、PC端等通過(guò)數(shù)據(jù)采集、無(wú)線(xiàn)通信、數(shù)據(jù)處理、多終端顯示等手段對(duì)污水情況進(jìn)行監(jiān)控。與有線(xiàn)通信的污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或人工不定期監(jiān)測(cè)相比，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多指標(biāo)同時(shí)采集、顯示和閾值預(yù)警，具有低消耗、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定高效等優(yōu)點(diǎn)，在簡(jiǎn)化污水監(jiān)測(cè)過(guò)程的同時(shí)，大大提高了監(jiān)控效率。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);ZigBee;污水監(jiān)測(cè);嵌入式系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）02-00-02

0 引 言

“工業(yè)4.0”時(shí)代促進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，但與此同時(shí)，工業(yè)廢水排放量卻日益增加且愈加難以控制，對(duì)水域造成了嚴(yán)重污染。廢水中的有毒物質(zhì)會(huì)通過(guò)食物鏈危害生物健康，其中的揮發(fā)性物質(zhì)亦會(huì)通過(guò)空氣循環(huán)和水循環(huán)破壞生態(tài)平衡。

目前，許多地區(qū)主要依靠人工監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行不定期的污水監(jiān)測(cè)，或使用基于有線(xiàn)通信的污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。人工監(jiān)測(cè)存在數(shù)據(jù)采集難度大，精確度不高等問(wèn)題;有線(xiàn)通信則存在施工量大、成本高、調(diào)節(jié)不便、監(jiān)測(cè)范圍有限等問(wèn)題，無(wú)法滿(mǎn)足我國(guó)污水區(qū)域的監(jiān)測(cè)需求。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的高精技術(shù)之一，已被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。開(kāi)發(fā)者可以應(yīng)用智能系統(tǒng)速率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定高效等特點(diǎn)，將污水監(jiān)測(cè)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，改善生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)環(huán)境協(xié)調(diào)與可持續(xù)發(fā)展[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)通過(guò)pH值傳感分析儀、電導(dǎo)率傳感器、渾濁度傳感器采集pH值、電導(dǎo)率、渾濁度信息，所采集的信息經(jīng)過(guò)相應(yīng)模塊電路后，會(huì)以模擬信號(hào)的形式輸入ZigBee節(jié)點(diǎn)的ADC通道，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析和無(wú)線(xiàn)傳輸。綜合考慮成本、精度等因素后，傳感器選型如下：

E-201-C pH電極配合pH采集電路模塊，其檢測(cè)范圍為0～14，功耗<0.2 W，帶有溫度補(bǔ)償功能，能以模擬電壓或串口輸出。pH標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)如圖1所示。

GE-TS渾濁度傳感器配合相應(yīng)電路模塊，帶有溫度補(bǔ)償功能，以0～4 V模擬電壓形式輸出，電壓與濁度的特性曲線(xiàn)如圖2所示，圖中Y軸為濁度，1 NTU=1 mg/L。

TDS電導(dǎo)率探頭配合相應(yīng)電路模塊，靈敏度高，能以TTL串口或以模擬電壓形式輸出，適用于不同場(chǎng)合的水質(zhì)。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框架及傳輸路徑如圖3所示。ZigBee對(duì)比WiFi、藍(lán)牙具有低功耗、低成本、多節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)，因此選用ZigBee作為系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)傳輸層[2-4]。ZigBee模塊選擇TI CC2530芯片。ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)通信組網(wǎng)技術(shù)，經(jīng)過(guò)ZigBee聯(lián)盟對(duì)IEEE802.15.4的改進(jìn)，形成了ZigBee協(xié)議棧（Z-Stack）。ZigBee的傳輸速率為20～250 kbit/s，ZigBee節(jié)點(diǎn)間的距離可擴(kuò)展到幾百米，最多擁有255個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

各節(jié)點(diǎn)采集到相應(yīng)的指標(biāo)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，利用ZigBee協(xié)議棧組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)ZigBee多節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。本文系統(tǒng)采集三個(gè)指標(biāo)，因此組網(wǎng)需要設(shè)計(jì)三個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。三個(gè)終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理分析后，把信息通過(guò)組網(wǎng)無(wú)線(xiàn)傳輸至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收并匯總信息，再通過(guò)USART1傳輸給嵌入式終端，嵌入式終端利用USART2將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC端應(yīng)用程序。

1.3 數(shù)據(jù)處理分析

數(shù)據(jù)處理分析將CC2530和STM32F103作為控制處理芯片[5]，CC2530分析自節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，STM32接收、分析、匯總、傳輸所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

由于各傳感器采集到的并非可用電信號(hào)，因此需要經(jīng)過(guò)一定的驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)換電路處理，將其轉(zhuǎn)換為可用模擬信號(hào)后才能輸入到ZigBee節(jié)點(diǎn)的ADC通道中。ADC轉(zhuǎn)換器讀取信號(hào)時(shí)，需要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采樣去噪和濾波算法，以減小偶然性及誤差。

各節(jié)點(diǎn)的ADC通道讀取到電信號(hào)后，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，再參考分辨率和參考電壓關(guān)系，把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為具體模擬量。只需推出傳感器電壓和指標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系式，即可把模擬量轉(zhuǎn)換為具體指標(biāo)值。而關(guān)系式可以借助傳感器說(shuō)明書(shū)參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)，如pH傳感器滿(mǎn)足線(xiàn)性關(guān)系，輸出電壓0.4～2 V對(duì)應(yīng)pH值0～14，由此推導(dǎo)出pH值0對(duì)應(yīng)電壓0.4 V，pH值14對(duì)應(yīng)2 V。令pH為y，電壓為x，可得關(guān)系式：

y=8.75x-3.5

關(guān)系式也可以依據(jù)其他參數(shù)、特性曲線(xiàn)進(jìn)行推導(dǎo)。由于環(huán)境及其他因素干擾，仍需測(cè)試大量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，以提高準(zhǔn)確度。

各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)范圍制定參考《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-02）《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978-1996），并參考實(shí)際測(cè)試情況進(jìn)行制定。系統(tǒng)將測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值范圍進(jìn)行對(duì)比，判斷各指標(biāo)是否異常并提示。

1.4 軟件設(shè)計(jì)

1.4.1 ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

ZigBee實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信須經(jīng)過(guò)各層的初始化、進(jìn)入操作系統(tǒng)、運(yùn)行操作系統(tǒng)、組網(wǎng)與加入網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送與接收數(shù)據(jù)等過(guò)程[6-7]，組網(wǎng)流程如圖4所示。

發(fā)送與接收數(shù)據(jù)的格式可根據(jù)具體要求定義，以確保數(shù)據(jù)的正確傳輸。如編寫(xiě)SampleApp_SendPeriodicMessage（void）為發(fā)送函數(shù)，SampleApp_MessageMSGCB（afIncoming MSGPacket_t*pkt）為接收函數(shù)，并在函數(shù)中定義數(shù)據(jù)傳輸格式。

1.4.2 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)和STM32終端以L(fǎng)CD屏進(jìn)行顯示。漢字顯示需要借助PCtoLCD2002，把漢字轉(zhuǎn)換為索引和點(diǎn)陣形式的代碼才能被識(shí)別并正確顯示[8]。此外，系統(tǒng)使用VS2015開(kāi)發(fā)工具設(shè)計(jì)了可以在PC機(jī)運(yùn)行的程序，該應(yīng)用通過(guò)串口與STM32終端通信，只需選擇串口號(hào)和波特率即可。應(yīng)用鏈接MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，保存歷史數(shù)據(jù)，方便查詢(xún)、管理和分析。應(yīng)用可以查看所有節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)數(shù)據(jù)，并能夠準(zhǔn)確分析數(shù)據(jù)是否在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，從而決定是否發(fā)出預(yù)警。

2 結(jié) 語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了速率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定高效的物聯(lián)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可同時(shí)采集和顯示數(shù)據(jù)并預(yù)警，解決了依靠人工監(jiān)測(cè)或有線(xiàn)通信的污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集難度大、數(shù)據(jù)精確度不高、實(shí)時(shí)性不強(qiáng)、監(jiān)測(cè)效率低、安裝施工量大、成本高、調(diào)節(jié)不便、監(jiān)測(cè)范圍小等問(wèn)題，大大簡(jiǎn)化了污水監(jiān)測(cè)

過(guò)程。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]馮立波，左國(guó)超，楊存基，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2015，9（2）：670-676.

[2]滕志軍，岳鑫，屈銀龍，等.基于ZigBee的污水處理實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].鐵合金，2010（4）：34-36.

[3]張玉賓.基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2014（7）：59-62.

[4]齊華，李錚，劉軍.基于ZigBee的污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2014，33（12）：26-30.

[5]李青.基于STM32的智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2015.

[6]寧炳武，劉軍民.基于CC2430的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008，34（3）：95-99.

[7]王彤.基于Z-Stack協(xié)議棧的ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].保定：河北大學(xué)，2012.

[8]周陽(yáng)，周美嬌，黃波，等.基于C#的串口通信系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

[J].電子測(cè)量技術(shù)，2015，38（7）：135-140.

[9]蒙海濤，張?bào)K，易曉娟，等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2013，38（1）：10-12.

[10]錢(qián)志鴻，王義君.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用研究[J].電子學(xué)報(bào)，2012，40（5）：1023-1029.