基于STM32的社區(qū)直飲水站水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

李昊　吳曾旺　程輝

摘? 要：針對當前社區(qū)直飲水站中水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)布線復(fù)雜、維護不易、價格昂貴等問題，設(shè)計了一款基于STM32F103VET6的，可以監(jiān)測溫度、酸堿度、濁度（不溶性雜質(zhì)如鈣、鎂的碳酸氫鹽等）及電導(dǎo)率（可溶性無機鹽如氯化物等）四項指標的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)搭載了低功耗的HC-05藍牙模塊，可實現(xiàn)較為穩(wěn)定的端到端通信。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)較好地完成了多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測及數(shù)據(jù)回傳的任務(wù)，達到了高精度、低能耗、穩(wěn)定性強的預(yù)期目標。

關(guān)鍵詞：多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測;STM32F103VET6;端到端通信

中圖分類號：TP277? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）29-0026-02

Abstract： In order to solve the problems of complex wiring， difficult maintenance and high price of water quality monitoring system in community direct drinking station， a STM32F103VET6-based water quality monitoring system is designed. A water quality monitoring system that can monitor temperature， pH， turbidity （insoluble impurities such as calcium， magnesium bicarbonate， etc.） and electrical conductivity （soluble inorganic salt， such as chloride， etc.）. The system is equipped with low-power HC-05 Bluetooth module， which can achieve stable end-to-end communication. The experimental results show that the system completes the task of multi-parameter water quality monitoring and data transmission， and achieves the expected goal of high precision， low energy consumption and strong stability.

Keywords： multi-parameter water quality monitoring; STM32F103VET6; end-to-end communication

1 概述

近年來，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，對飲用水的要求也越來越嚴格。但全國范圍內(nèi)的水源污染以及輸水過程中的管道污染及高層飲水帶來的二次供水污染，造成社區(qū)及學(xué)校飲用水水質(zhì)的良莠不齊，給居民、教職工及學(xué)生的健康帶來極大的隱患。在社區(qū)及學(xué)校安裝直飲水站是一個可行性較高的解決方案。直飲水站采用分離膜等裝置對原水進行過濾，可以在去除水中異色異味、余氯等有害物質(zhì)的同時，保留對人體有益的微量元素，并用離子交換體軟化水質(zhì)，達到符合世界衛(wèi)生組織公布的直飲水標準。水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)和主體凈水系統(tǒng)一樣，極大地影響著社區(qū)直飲水站的部署成本。不幸的是，當前社區(qū)直飲水站中水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)大多存在布線復(fù)雜、維護不易、價格昂貴等問題，這極大限制了社區(qū)直飲水站走向中低端小區(qū)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)學(xué)校的進程。針對這些問題，本文設(shè)計了一款基于STM32F103VET6的，可以監(jiān)測溫度、酸堿度、濁度及電導(dǎo)率四項指標的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，用于社區(qū)直飲水站的凈水控制。同時，系統(tǒng)搭載了HC-05藍牙模塊，可實現(xiàn)下位機與安裝在手機移動端的上位機的數(shù)據(jù)通信。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本文設(shè)計的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)由STM32F103

VET6最小系統(tǒng)、電源模塊、傳感器模塊（包含信號調(diào)理電路）、LCD顯示模塊、凈水閥控制模塊和藍牙模塊六部分組成，其中傳感器模塊包括水溫傳感器、酸堿度傳感器、濁度傳感器和電導(dǎo)率傳感器。檢測裝置將采集到的數(shù)據(jù)傳送給STM32F103VET6，經(jīng)處理后顯示在LCD顯示屏上，提供一定的可視化及人機交互性。通過藍牙模塊與上位機通信。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3 硬件設(shè)計

3.1 主控芯片

選用意法半導(dǎo)體低功耗的STM32F103VET6芯片作為主控單元[1]，該芯片擁有高達72MHz的工作頻率、512KB的閃存程序存儲器、嵌套的向量式中斷控制器、一流的外設(shè)以及3×16位的高精度AD轉(zhuǎn)換模塊?？梢院芎玫貪M足工業(yè)控制、醫(yī)療增強和教育消費市場的應(yīng)用需求。STM32F103VET6的資源分布如圖2所示。

3.2 水溫傳感器

選用如圖3所示的體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，測量精度高的DS18B20數(shù)字溫度傳感器。

3.3 酸堿度傳感器

選用CK-108-A型復(fù)合電極，利用電位法測量水體的PH值，輸出-360～+360mV的電壓信號，其信號調(diào)理電路如圖4所示。信號調(diào)理電路的主體為三級運放LM6041組成的放大器。對稱相位的兩個放大器組成了電路的前級，用于抑制零點漂移及其誤差。隔離復(fù)合電極輸出的高、低阻抗，避免了后級電阻對電極輸出的信號干擾;反相差分放大器組成了后級，用于抑制噪聲比。

3.4 濁度傳感器

水的渾濁度是指由水中含有的泥沙，粘土，有機物，浮游生物和微生物等懸浮物質(zhì)所造成的渾濁程度[2]。濁度傳感器利用光學(xué)原理，測量溶液透光率及散射率，綜合判斷渾濁情況，采用如圖5所示的信號調(diào)理電路將傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

3.5 電導(dǎo)率傳感器

電導(dǎo)率（Total Dissolved Solids， TDS）可以說明水中溶解性固體的總量[3]，一般來說，TDS值越高，水中含有的溶解物越多，水就越不潔凈。TDS信號調(diào)理電路如圖6所示。

3.6 藍牙模塊

選用主從一體的HC-05藍牙模塊實現(xiàn)下位機與移動端的數(shù)據(jù)交換。

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的工作流程為：上電初始化后首先判斷FLAG是否為0，若為0，則按照既定順序依次采集并傳輸數(shù)據(jù)，否則等待未啟動模塊啟動。循環(huán)采集，間隔30分鐘。

5 測試及分析

使用本文設(shè)計的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)對不同水質(zhì)的實驗樣本做數(shù)據(jù)采集及分析，實驗結(jié)果如表1所示。

6 結(jié)束語

設(shè)計了一款基于STM32F103VET6的，可以監(jiān)測溫度、酸堿度、濁度及電導(dǎo)率四項指標的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以以很小的誤差完成多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測及數(shù)據(jù)回傳的任務(wù)，具有高精度、低能耗、穩(wěn)定性強的特點，極大地降低了社區(qū)直飲水站部署及維護的成本。

參考文獻：

[1]譚穗妍，林芳，姚堯，等.水質(zhì)檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測試，2019（08）：18-19.

[2]秦平.在線多參數(shù)水質(zhì)檢測系統(tǒng)的設(shè)計[D].西安電子科技大學(xué)，2017.

[3]岳超，宛西原，何航.基于電化學(xué)檢測方法的水質(zhì)檢測系統(tǒng)設(shè)計研究[J].自動化與儀器儀表，2015（01）：4-7.