基于氣象信息的水情監(jiān)測系統(tǒng)設計

摘 ?要：陜北地區(qū)是黃土高坡，地形多是千溝萬壑，雨情分布不均勻，時有干旱和暴雨發(fā)生，這樣的水情影響生活。因此，結合綜合氣象信息的水情監(jiān)測系統(tǒng)十分重要。該設計以STC89C52單片機為主控制中心，pH傳感器、水位壓力傳感器、溫度傳感器及藍牙模塊等主要硬件設計，對蓄水池的主要參數(shù)進行實時監(jiān)測，結合氣象數(shù)據(jù)信息，預測未來降雨情況，對水位超限進行及時預警處理，運用藍牙技術，實現(xiàn)水情參數(shù)的手機APP便攜式遠程監(jiān)測。通過系統(tǒng)測試，該設計可以實現(xiàn)預期功能，對水情災害的預防具有參考意義。

關鍵詞：氣象信息;水位傳感器;水情監(jiān)測;藍牙模塊;手機APP

中圖分類號：TP274 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）21-0033-04

Abstract： Northern Shaanxi region is the loess plateau， the terrain is thousands of gullies， the rain is unevenly distributed， and drought and rainstorm occur from time to time. Such water regime affects the local peoples life. Therefore， the water regime monitoring system combined with comprehensive meteorological information is very important. This design takes STC89C52 single-chip microcomputer as the main control center， and the main hardware includes pH sensor， water level pressure sensor， temperature sensor and Bluetooth module. It carries out real-time monitoring of the main parameters of the reservoir， predicts the future rainfall in combination with meteorological data information， carries out timely early warning treatment for water level out of limit， and uses Bluetooth technology to realize the portable remote monitoring of water regime parameters with mobile APP. The test results show， the design can achieve the expected function， which has reference significance for the prevention of water disaster.

Keywords： meteorological information; water level sensor; water regime monitoring; Bluetooth module; mobile APP

0 ?引 ?言

我國地處北溫帶，亞熱帶季風區(qū)，地形復雜，氣候多變，降水年際變化很大[1，2]，嚴重的水情將會直接影響人們的生命安全、財產(chǎn)安全以及身心健康問題，因此需要對當?shù)厮畮斓囊何?、水質(zhì)以及降雨量對水庫的水情影響等因素進行在線監(jiān)測。而陜北地區(qū)農(nóng)業(yè)、自動化技術相對落后，水情測量工作仍舊存在些困難[3]。水情自動監(jiān)測系統(tǒng)的研究自九十年代以后，世界上大量家公司推出了功能強、應用范圍廣的產(chǎn)品。在國外，如美國，荷蘭等國較早將水情監(jiān)測列為重點工程，以先進的技術手段進行快速發(fā)展[4，5]。在我國，水情監(jiān)測系統(tǒng)的研究起始于20世紀70年代中期。80年代的中期階段，我國用自己的硬實力和軟實力建成了一些屬于自主研發(fā)的水情自動監(jiān)測系統(tǒng)[6，7]。目前主流的水質(zhì)監(jiān)測方法及設備主要分為三類：人工采樣實驗室化驗，移動監(jiān)測和監(jiān)測站，水情監(jiān)測的方法和設備基本算是半成熟[8]。目前市場上的水情監(jiān)測系統(tǒng)功能齊全、精度較高，但是其成本整體較高、體積較大，為了滿足水情監(jiān)測系統(tǒng)的小體積、便攜式及非現(xiàn)場監(jiān)測等需求，本設計基于當前流行的藍牙技術實現(xiàn)手機APP便攜式監(jiān)測水情的功能。

1 ?系統(tǒng)方案設計

本次設計主要包含按鍵模塊、LCD1602顯示模塊、pH水質(zhì)/水位/溫度等檢測模塊、藍牙傳輸模塊等硬件設計。軟件設計中系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測水情的情況，通過LCD1602和手機APP進行線下和線上的實時監(jiān)測，并超限預警功能。系統(tǒng)整體方案設計如圖1所示。

1.1 ?主控制器

考慮到成本和體積因素，本設計選用價格便宜、操作簡便的STC89C52單片機作為主控制器，該控制器具有功耗低、運行速度快以及抗干擾強等突出優(yōu)點，指令代碼完全兼容8051單片機，操作簡單易實現(xiàn)[9，10]。

1.2 ?水位檢測模塊

選用松下D3B水位壓力傳感器，其結構簡易，便于攜帶，性價比高。D3B水位壓力傳感器里面裝有應變片，測量范圍為0 mm～1 000 mm的水柱高度，傳感器上面凸起的部分有個小孔，水會由于重力因素進入小孔，水位高度不同，感應到的重力也不同，通過感應到的重力參數(shù)轉(zhuǎn)換成輸出的電壓信號，輸出電壓信號范圍是0.23 V～4.9 V，由于D3B水位壓力傳感器輸出是模擬信號，故其輸出信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊處理后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號流入控制器，由主控制器的進行分析與處理。

1.3 ?PH檢測模塊

由于工業(yè)上的pH傳感器非常昂貴，市面上的pH測試筆是成熟產(chǎn)品，無法進行二次設計開發(fā)，且pH 復合電極輸出mV級的電壓信號，單片機無法直接進行識別處理，所以選擇簡易pH傳感器模塊。該模塊價格便宜、使用方便、測量精度高且性價比高、可直接輸出0 V～5 V或0 V～3 V模擬電壓信號。該模塊通過BNC接頭與pH復合電極進行連接，其拓展板上附帶有DS18B20溫度傳感器的接口，使系統(tǒng)結構更加簡單便攜。

1.4 ?溫度檢測模塊

考慮到系統(tǒng)的體積影響，選用3引腳封裝的DS18B20數(shù)字溫度傳感器DS18B20[11]。其傳感器可以直接跟單片機通信發(fā)送和接收溫度數(shù)據(jù)，不需要A/D轉(zhuǎn)換，傳感器的溫度采集界限是-55 ℃到+125 ℃，當所測水情的溫度為-10 ℃到+85 ℃時，水溫的測量誤差為±0.5 ℃。

1.5 ?藍牙傳輸模塊

考慮的系統(tǒng)的經(jīng)濟性，本設計采用型號為 BT-HC05的藍牙模塊。BT-HC05藍牙模塊尺寸比較小，TTL電平，兼容3.3 V/5 V單片機，通信距離 10 米，且該模塊靈敏度高，便攜，性價比高，功能強大，可以滿足設計需求[12]。

1.6 ?顯示報警模塊

考慮到系統(tǒng)體積的大小以及功耗，本設計選用低電壓低功耗的LCD1602線下顯示，以及手機APP線上遠程監(jiān)測。當檢測到的液位、水質(zhì)pH、水溫等參數(shù)超出預設值時，且與天氣降雨情況綜合分析，及時發(fā)出聲光預警信號，通知到水情監(jiān)控人員進行警醒提示。

2 ?硬件電路設計

系統(tǒng)主要硬件電路包括最小系統(tǒng)單元、檢測電路模塊、線下顯示模塊、聲光預警模塊及藍牙模塊，其硬件電路如圖2所示。

2.1 ?最小系統(tǒng)

為了水情監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行，以STC89C52單片機為核心，電源模塊、晶振電路和復位電路為輔助構成本設計的最小系統(tǒng)。電源部分采用5 V電源圓形接口，由SW1按鍵作為系統(tǒng)的總開關;復位電路采用手動復位，與主控制器RST口相接;由12 M晶振、大小為30 P的兩電容相結合，構成本設計的晶振電路，與控制器XTAL1口和XTAL2口相接。

2.2 ?檢測模塊

為了水情信息的多樣性，本設計的檢測信息主要包含壓力液位檢測、水質(zhì)pH檢測和水溫檢測，其檢測電路如圖2所示。

（2）壓力液位檢測模塊，選用松下D3B水位壓力傳感器，其結構簡單易操作，只有三個引腳，接地端GND、輸出端O接口和輸入端I接口，其中，I口接+5 V電壓信號使傳感器穩(wěn)定工作，輸出O口接ADC0832的CH1口，I接口與O接口之間加載2.2 K電阻，壓力液位信息轉(zhuǎn)換成電壓信號，最后通過O口輸出，與ADC0832的CH1口相接，進行A/D轉(zhuǎn)換。

（2）水質(zhì)pH檢測模塊，簡易pH傳感器，有6個引腳。其中5 V電壓VCC 供電，2.5 V基準電壓輸出口，0 V～5 V的模擬信號輸出端PO，測量溫度較小，0℃～60℃，模擬信號可進入ADC0832的CH0端口進行A/D轉(zhuǎn)換處理。

（3）溫度傳感器，考慮到水質(zhì)pH檢測模塊的水溫范圍較小，本設計增設了數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其測溫范圍可達-55℃～+125℃。其結構接單，只有三根線，VCC供電端，GND接地端，TO為數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳與主控制器的P35口直接相連，無須AD轉(zhuǎn)換。

2.3 ?按鍵顯示報警電路

（1）按鍵電路，考慮的水情監(jiān)測情況復雜，需對預警信號的閾值進行設置，故設計了按鍵電路，進行調(diào)節(jié)監(jiān)測參數(shù)的上下限閾值，方便用戶使用。同時為了滿足水情監(jiān)測需要實現(xiàn)的功能，設計備用鍵，進行后期功能的附加。其中：S2為系統(tǒng)設置鍵，接單片機的P32口，用以設置監(jiān)測參數(shù)的上限值，S3為加（+）鍵，接單片機的P33口，目的是調(diào)大監(jiān)測參數(shù)的限數(shù)，S4為減（-）鍵，接單片機的P34口，為了調(diào)小監(jiān)測參數(shù)的上下限數(shù)。

（2）顯示電路，通過傳感器將所測的水情狀況數(shù)據(jù)（PH、水位、溫度）采集，然后經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后傳送給單片機計算，最后將所測的數(shù)據(jù)在LCD1602上實時顯示出來，硬件電路部分通過RS與單片機P2.5口相接，可以通過電位的高低進行顯示數(shù)據(jù)或顯示指令的切換。R/W接單片機的P2.6口，其中 RS與R/W可相互配合完成具體的指令功能，D0～D7作為數(shù)據(jù)端接單片機的P0.0～P0.7口。EN接入單片機P2.7口，高電平寫入數(shù)據(jù)，讓LCD1602顯示水情監(jiān)測參數(shù)信息。

（3）報警電路，當水情危機時，進行及時預警，聲光報警電路不可少。當監(jiān)測參數(shù)超過或者低于手動所調(diào)節(jié)的參數(shù)閾值，就會引發(fā)聲光報警。本設計采用了5個LED燈（紅、綠、橙、藍、黃色），分別為pH上限、pH下限、水位上限、水位下限、溫度上限指示燈。指示燈模塊分別接主控制器的P13、P14、P15、P16、P17口，蜂鳴器接主控制器P36口，當超出參數(shù)閾值，指示燈相應的端口以及蜂鳴器控制端口輸出低電平，發(fā)出聲光信號，從而達到預警的目的。

2.4 ?藍牙模塊

BT-HC05藍牙傳輸模塊，只有6個引腳，其中2引腳VCC與電源相連進行模塊供電，3引腳GND與地相連，TXD、RXD分別連接在主控制器的P30口和P31口，當藍牙模塊工作時，先打開手機系統(tǒng)內(nèi)置的藍牙，再打開APP串口助手與藍牙模塊進行配對，最后通過APP串口助手直接發(fā)送指令實現(xiàn)進行遠距離監(jiān)控操作。

3 ?軟件設計

首先，系統(tǒng)通電初始化;其二確定是否按下總開關按鍵，當按下時，系統(tǒng)進入工作模式;其三確定是否有設置按鍵按下，當按下時，系統(tǒng)進入設置pH、溫度、水位參數(shù)閾值模式，具體操作為：當按下設置鍵時，LCD顯示設置界面，當按下1次設置鍵時，系統(tǒng)進行pH上下限設置，按下2次設置鍵時，系統(tǒng)進行水位上下限設置，按下3次設置鍵時，系統(tǒng)進行溫度上限設置，通過“+”“-”鍵來調(diào)節(jié)所測參數(shù)的閾值上下限;其四，設置完后，系統(tǒng)自動進入pH、溫度、水位的信號采集，然后經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換在經(jīng)過主控制器計算后，最終顯示在LCD顯示器和手機APP上，當沒有按下設置鍵時，系統(tǒng)進入起初的工作模式。最后，系統(tǒng)正常運行時，當監(jiān)測到pH、水位、溫度參數(shù)超過手動所調(diào)節(jié)的閾值時，同時模擬分析到氣象信息近三天有連續(xù)降雨或者當水位低于閾值時，分析到氣象信息近期三天都無雨水時，觸發(fā)聲光報警電路，進行聲光預警提示。從而對當?shù)厮檫M行實時監(jiān)測，提前人工干預，進行防洪防旱，從而提高人們的生命安全系數(shù)以及財產(chǎn)安全保障。系統(tǒng)主流程如圖3所示。

4 ?系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)硬件調(diào)試非常重要，是整個系統(tǒng)的根本。按照上述硬件和軟件設計，搭建硬件平臺，下載程序進行調(diào)試。首先，系統(tǒng)上電，觀察LCD和手機APP是否顯示正常，確保整個系統(tǒng)的正常運行。其中Temp代表溫度，pH為酸堿度指示，WL代表水位。為了模擬水庫情況，結合實際情況，以普通水瓶為研究對象，對各參數(shù)進行逐一調(diào)試。調(diào)試中，將pH傳感器、溫度傳感器、水位傳感器布置安裝布置到實物上，然后打開硬件總開關，設置完成pH、溫度、水位參數(shù)閾值后，系統(tǒng)進入工作模式，然后經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換在經(jīng)過單片機計算后，最終顯示在LCD顯示器和手機APP上，監(jiān)測結果分別如圖4所示。顯示溫度為17.2 ℃，實測自來水溫度17.1 ℃，pH酸堿度為7.5，符合自來水的pH酸堿度（6.5 ～ 8.5），水位為17 cm，而實際水位為17.6 cm，這是因為LCD1602顯示字符長度有限，所以水位測量結果顯示只保留整數(shù)部分。為了避免系統(tǒng)的偶然性，實驗的嚴謹性和準確性，進行了二次水情監(jiān)測，和前者不同的是：首先，二次監(jiān)測用pH緩沖粉和250 mL自來水配置了pH為4的水溶液;其次，將水放置室溫環(huán)境中隔夜監(jiān)測，目的是使溶液水溫達到室溫，最后，變化水位高度。步驟與前者監(jiān)測相同。測試結果如表1所示，顯示溫度為26.3 ℃，符合常溫下自來水溫度，pH酸堿度為3.9，與配置溶液的pH酸堿度4.0誤差2.5%，符合pH傳感器的誤差范圍，水位為10 cm，實際水位為10.2 cm，由于LCD1602顯示字符長度有限，只顯示為10 cm整數(shù)部分，且線上與線下顯示一致。當水位高于預設值，且分析近三日會有降雨天氣，系統(tǒng)報警提示;當水位低于預設值，分析到近三日又無降雨情況，則觸發(fā)聲光報警，從而達到了考慮氣象信息下的水情的遠程監(jiān)測功能。測試結果表明，兩次測試結果與參考值相比較，其均方根誤差分別為0.46和0.22，滿足系統(tǒng)測試誤差范圍，且該系統(tǒng)運行可靠、體積小，操作便攜。

5 ?結 ?論

本設計以STC89C52主控器為核心，水壓檢測、水質(zhì) pH檢測和水溫檢測、液晶顯示、按鍵電路以及聲光報警等主要硬件設計，運用藍牙通信技術、手機APP等主流通信設備，綜合考慮氣象信息的軟件設計，針對陜北雨情四季分布不均，夏秋多雨或暴雨天氣，直接影響人們的生命安全及財產(chǎn)安全等情況，實現(xiàn)水情的遠程自動監(jiān)測功能，及時預警防護，避免損失。綜合測試結果表明，該系統(tǒng)操作簡單、監(jiān)測便攜、運行誤差較小，對人們的生活質(zhì)量有一定的幫助，具有較好的應用前景。

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作者簡介：高平安（1984.12—），男，漢族，陜西榆林人，工程師，碩士，研究方向：氣象學、防雷檢測等。