基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)自動采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 玥

(山西經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引言

現(xiàn)如今，人民對良好生活環(huán)境的強(qiáng)烈訴求正被國家、政府積極響應(yīng)，并且各項(xiàng)措施相繼落地。在水環(huán)境監(jiān)測及水體污染調(diào)查過程中，需要真實(shí)客觀地反映水質(zhì)污染狀況，雖然各地已部署、安裝相當(dāng)多數(shù)量的水質(zhì)監(jiān)設(shè)備，但部分廠礦因生產(chǎn)或人為等原因，致其排放污水的成分、流量在短時(shí)間內(nèi)波動幅度較大，居民生活污水水質(zhì)也隨地域及季節(jié)不同而變化，所以急需以正確的采集方法和采集設(shè)備來應(yīng)對復(fù)雜的水體污染情況。在水污染源安裝水質(zhì)自動采樣器是有效解決方案之一[1]。

1 整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，系統(tǒng)分為三層，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

感知層是由水樣采集設(shè)備，還有溫度、pH值和流速等參數(shù)，以及模擬一些模擬量、開關(guān)量的采集電路；網(wǎng)絡(luò)層是由以ARM內(nèi)核芯片為核心，采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)經(jīng)過處理器的解析和傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換，由物聯(lián)網(wǎng)通信模塊傳輸?shù)絀nternet上；應(yīng)用層是由數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)信息管理軟件構(gòu)成，通過Internet將采集到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，再由管理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和深層次的挖掘處理，并提供數(shù)據(jù)查詢、異常報(bào)警和遠(yuǎn)程控制等功能。用戶也可以通過移動設(shè)備端登陸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)管理功能[2]。

2 方案設(shè)計(jì)

水質(zhì)采樣器從外觀上劃分為三個(gè)區(qū)域。

一是控制、操作區(qū)域。用戶通過觸摸屏進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)查詢操作，由于水質(zhì)采樣器所處環(huán)境的緣故，觸摸屏需要防水、防潮。

二是水質(zhì)采集區(qū)域。采用橡膠軟管作為水流運(yùn)輸通道，利用蠕動泵擠壓軟管產(chǎn)生真空負(fù)壓來吸水，利用電磁閥夾住、松開軟管控制水流的通路。水質(zhì)采樣器通常都是配合在線水質(zhì)分析儀連同使用，即采集的水質(zhì)樣本經(jīng)分析正常，則立即排放，如異常，進(jìn)行留樣做進(jìn)一步處理，但是水質(zhì)分析儀得出結(jié)果需要30 min～40 min的過程，所以本采樣器中設(shè)置雙桶，在等待1號桶分析結(jié)果的同時(shí)，在2號桶同步進(jìn)行采樣，以達(dá)到連續(xù)、不間斷采樣的目的，并且為了客觀、平穩(wěn)地獲得樣本，在兩個(gè)采集桶中都有攪拌電機(jī)，使樣本均勻，有代表性，防止偶然、孤立樣本的出現(xiàn)。

三是水質(zhì)留樣保存區(qū)域。本水質(zhì)采樣器中采用如圖2所示的導(dǎo)流盤對留樣瓶進(jìn)行灌注，具體原理是利用步進(jìn)電機(jī)使留樣管在水平方向上移動，水流則從凹槽流向指定的留樣瓶，此設(shè)計(jì)相比環(huán)形布置留樣瓶的方案，移位更精確而且沒有累計(jì)移位誤差。同時(shí)該區(qū)域具有低溫保存功能，防止樣本在提取前變質(zhì)。

圖2 導(dǎo)流盤結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以STM32F103微控制器為核心，對各模擬量、數(shù)字量進(jìn)行采集控制和接口通信，整個(gè)解決方案采集系統(tǒng)的通信方式是采用NB-IoT與工廠數(shù)據(jù)庫或環(huán)保部門系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸，采用組態(tài)觸摸屏人機(jī)交互，STM32F103與觸摸屏通過MODBUS傳輸指令與數(shù)據(jù)，圖3為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.1 物聯(lián)網(wǎng)通信模塊電路設(shè)計(jì)

LPWAN(低功耗廣域網(wǎng))細(xì)分為NB-IoT、LoRa、eMTC等技術(shù)，是為了滿足物聯(lián)網(wǎng)中能源消耗低和通信距離長的需求而研發(fā)的一種物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)[3]。LoRa有高性能、遠(yuǎn)距離、低功耗，支持大規(guī)模組網(wǎng)、測距和定位等方面突出的特點(diǎn)，常用終端+LoRa基站的方式作為應(yīng)對方案[4]。NB-IoT和eMTC都是依托運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，它們最大特點(diǎn)是打破了距離的限制，在地鐵站、地下停車場等相對封閉的場所傳輸，穿透性好、通信可靠性明顯提高，可以實(shí)現(xiàn)全國乃至全球漫游的數(shù)據(jù)采集[5]。水質(zhì)采樣器多工作在偏遠(yuǎn)、空曠等工業(yè)環(huán)境中，若使用有線介質(zhì)向云端傳輸數(shù)據(jù)線距長、布線復(fù)雜很不便，且采樣過程中數(shù)據(jù)量不大、數(shù)據(jù)的時(shí)延對系統(tǒng)的影響較小，基于此考慮本設(shè)計(jì)中使用中國移動型號為M5310的NB-IoT模塊作為無線傳輸方案。

3.2 直流電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中選用的混勻電機(jī)和夾管閥為5V電源供電，均可使用圖4所示控制電路控制。

圖4 直流電機(jī)控制電路圖

3.3 步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

控制蠕動泵正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)進(jìn)水及排水，控制步進(jìn)距離來調(diào)整水流流速。

圖5 步進(jìn)電機(jī)控制電路圖

4 程序設(shè)計(jì)

RT-Thread由中國嵌入式工程師開發(fā)，源代碼開放，且是一款商業(yè)許可證非常寬松的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，得到了國內(nèi)眾多企業(yè)的認(rèn)可[6]。

本系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多任務(wù)系統(tǒng)，需要實(shí)現(xiàn)的功能包括與屏幕交互、與流量計(jì)通信、溫度采集、各采集模式運(yùn)行切換及狀態(tài)保存、與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互等，為了充分挖掘微控制器內(nèi)核的性能和保持系統(tǒng)整體的實(shí)時(shí)特性，選用RT-Thread多任務(wù)管理機(jī)制對系統(tǒng)各任務(wù)進(jìn)行協(xié)調(diào)管理。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框圖如6所示。

5 結(jié)束語

NB-IoT無線通信技術(shù)利用運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)具有傳輸距離遠(yuǎn)、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線遙控系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)通過NB-IoT無線通信技術(shù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)證明該方法是可行的。

圖6 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

[1] 馬顥珺,孫海林,左航，等.水質(zhì)自動采樣器在污染源在線監(jiān)測中的應(yīng)用[J].環(huán)境研究與監(jiān)測,2010,23(3):22-24.

[2] 楊渭,孔祥洪,錢衛(wèi)國，等．基于溶氧和酸堿度的水質(zhì)檢測機(jī)器魚設(shè)計(jì)[J]．漁業(yè)現(xiàn)代化,2014,41(1):10-14.

[3] 陳永波.基于LPWAN技術(shù)的能源電力物聯(lián)專網(wǎng)[A].中國電機(jī)工程學(xué)會電力信息化專業(yè)委員會、國家電網(wǎng)公司信息通信分公司.2016電力行業(yè)信息化年會論文集[C].2016.

[4] 蔣武洲,周海東,劉福，等．物聯(lián)網(wǎng)LoRa技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].電視技術(shù),2018,42(8):100-103．

[5] 邵嘉.LPWAN技術(shù)在能源物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2018(12):44-47.

[6] 王振運(yùn).基于RT-Thread和STM32的雙輪自平衡機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].山西:中北大學(xué),2016.