基于Labview監(jiān)控的遠(yuǎn)程無線多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

◆譚華

（桂林航天工業(yè)學(xué)院電子信息與自動學(xué)院 廣西 541004）

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法，通常是通過人工方式進(jìn)行水質(zhì)采樣，然后將水樣運輸?shù)綄嶒炇疫M(jìn)行分析處理，以達(dá)到水質(zhì)檢測的目的。但這種方法采樣效率低下，人工成本高，而且存在水樣二次污染的風(fēng)險，無法保證檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實時性和可靠性。因此，設(shè)計一種低成本、采樣靈活、實效性高的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)具有迫切的現(xiàn)實需求和廣泛的應(yīng)用前景。鑒于此，本文設(shè)計了一個基于STM32嵌入式技術(shù)、LoRa技術(shù)和Labview虛擬儀器技術(shù)于一體的遠(yuǎn)程無線多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)[1-3]，能對包括PH值、COD值、ORP值、渾濁度值、氨氮值和溶解氧值在內(nèi)的六項水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實時采樣監(jiān)測，同時確保了水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實效性和準(zhǔn)確度。

教師職業(yè)發(fā)展受環(huán)境、行為、能力、信念、專業(yè)認(rèn)同、使命等六個層面影響，發(fā)生由外層到內(nèi)層的改變[1]。教師信念變化屬于內(nèi)層變化，對教師發(fā)展具有重要影響[2]。比如，教師信念影響教師的課堂決策，以及教師的教學(xué)投入、個人信心、個人發(fā)展努力、對職業(yè)的滿意度以及教學(xué)方式[3]。因此，教師職業(yè)發(fā)展的過程就是教師信念的建構(gòu)過程。

1 系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)的總體設(shè)計方案是利用STM32F103作為下位機(jī)主控芯片，采用RS485總線連接不同的水質(zhì)監(jiān)測傳感器，通過modbus協(xié)議獲得傳感器上的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)根據(jù)既定要求進(jìn)行處理，然后再通過LoRa遠(yuǎn)距離無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，與此同時，上位機(jī)的LoRa無線模塊接收數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給Labview虛擬儀器監(jiān)控界面[4]，這樣完成對包括PH值、COD值、ORP值、渾濁度值、氨氮值和溶解氧值在內(nèi)的六項水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測顯示。其總體設(shè)計框圖，如圖1所示。

四點直線度監(jiān)測示意如圖2所示。圖2中，針對4個間隙測點相對對于懸浮架的坐標(biāo)A(x1,z1)、B(x2,z2)、C(x3,z3) 、D(x4,z4)，采用最小二乘法擬合獲取同一時刻4個間隙測點的第一擬合直線，再根據(jù)4個間隙測點與對應(yīng)擬合直線的偏差值獲取中低速磁浮軌道在當(dāng)前時刻所處位置的四點直線度。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

系統(tǒng)由水質(zhì)參數(shù)采集下位機(jī)和水質(zhì)參數(shù)監(jiān)控上位機(jī)兩部分部分組成，其中下位機(jī)由傳感器采集模塊、STM32主控模塊和LoRa無線數(shù)傳模塊組成，而上位機(jī)由LoRa無線串口模塊和Labview虛擬儀器監(jiān)控界面組成。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控模塊設(shè)計

首先，下位機(jī)系統(tǒng)上電完成初始化，包括六種水質(zhì)參數(shù)采集傳感器、定時器中斷、RS485接口的初始化，判斷定時中斷是否發(fā)生，然后STM32F103主控芯片通過RS485接口利用Modbus協(xié)議采集傳感器數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，一是發(fā)送LCD顯示，通過按鍵切換顯示內(nèi)容，二是按照既定通信協(xié)議存入LoRa無線通信模塊的發(fā)送緩沖區(qū)，通過LoRa無線信號發(fā)送給遠(yuǎn)端上位機(jī)。再判斷是否結(jié)束，如果不結(jié)束則繼續(xù)回到等待定時中斷發(fā)生，繼續(xù)采集傳感器數(shù)據(jù)，如果結(jié)束就直接退出。

圖2 STM32主控模塊硬件設(shè)計

2.2 傳感器模塊

為了實現(xiàn)水質(zhì)的多參數(shù)采集和滿足系統(tǒng)接口設(shè)計要求，本系統(tǒng)使用了重慶安耐恩環(huán)境技術(shù)有限公司的水質(zhì)傳感器，包括PH值傳感器、ORP傳感器、COD傳感器、渾濁度傳感器、溶解氧傳感器和氨氮傳感器六種，該傳感器具有接口通用、技術(shù)成熟等特點，而且滿足系統(tǒng)所要求的抗干擾性和遠(yuǎn)程傳輸特性。如表1所示，為六種水質(zhì)傳感器的參數(shù)表。

表1 各類傳感器的參數(shù)表

下位機(jī)主要完成對水質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)的采集、封裝和發(fā)送。其處理程序是采用C語言，借助嵌入式開發(fā)環(huán)境Keil MDK對STM32F103C8T6芯片進(jìn)行開發(fā)設(shè)計。下位機(jī)主控核心程序包括以下幾個部分：各傳感器的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的處理與轉(zhuǎn)換、串口通信、數(shù)據(jù)的無線傳輸?shù)?。其軟件流程圖，如圖3所示。

系統(tǒng)所選用LoRa無線模塊型號是中國億佰特公司的E32-433T20D，該模塊是基于LoRa射頻芯片SX1268為核心研發(fā)的。LoRa模塊的RXD及TXD引腳與主控芯片STM32的USART2_TX及USART2_RX引腳連接，負(fù)責(zé)對主控數(shù)據(jù)的收發(fā)；另外，LoRa模塊的M0及M1引腳與PB5及PB6引腳連接，對其工作模式進(jìn)行選擇，AUX作為指示模塊工作狀態(tài)引腳與主控的PB4引腳連接，VCC選擇3.3 V～5.0 V供電，GND接地。

2.3 LoRa無線模塊

本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件是采用美國國家儀器公司的Labview進(jìn)行開發(fā)設(shè)計的，其功能主要是接收下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)、然后將數(shù)據(jù)實時數(shù)字顯示和波形顯示、同時設(shè)置閾值報警功能。其程序設(shè)計流程圖，如圖4所示。

《中西醫(yī)結(jié)合心血管病雜志》雜志來稿內(nèi)容應(yīng)遵循本刊稿約要求和各欄目說明，除內(nèi)容要求以外，特提醒作者注意以下情況。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計

系統(tǒng)所使用的六種水質(zhì)參數(shù)傳感器都是通過RS485接口與主控模塊STM32芯片進(jìn)行連接，并通過ModBus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖3 下位機(jī)軟件處理流程

本系統(tǒng)的主控模塊硬件設(shè)計如圖2所示，主控芯片采用的是STM32F103C8T6微控制器[5]，它是一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲器容量是64KB，需要電壓2V～3.6V，工作溫度為-40°C～ 85°C，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，具有很高的性價比。其與外圍電源電路、晶振電路、復(fù)位電路和啟動電路一起構(gòu)成最小系統(tǒng)。該主控最小系統(tǒng)與傳感器模塊通過RS485電路接口進(jìn)行連接，并利用modbus協(xié)議獲取傳感器上的數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過LoRa接口電路發(fā)送給LoRa無線數(shù)傳模塊。另外，主控模塊的按鍵電路對接的按鍵，其中一個是獨立式按鍵，負(fù)責(zé)切換屏幕顯示內(nèi)容，另一是自鎖按鍵，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的用電開關(guān)；另外顯示電路連接的是性價比很高的LCD1602液晶顯示器，用于下位機(jī)端水質(zhì)參數(shù)數(shù)值的調(diào)試顯示。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

LoRa無線模塊是本系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線傳輸?shù)年P(guān)鍵，LoRa是LPWAN通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案。具有傳輸距離遠(yuǎn)：城鎮(zhèn)可達(dá)2-5Km，郊區(qū)可達(dá)15km，功耗低：電池使用壽命長達(dá)10年，傳輸速率高：可達(dá)幾百到幾十Kbps，工作頻率高而且免費：ISM頻段包括433、868、915 MHz等，還有容量大、組網(wǎng)靈活、安全性高等特點[6]。并且在復(fù)雜環(huán)境下，其融合的前向糾錯編碼技術(shù)能夠確保數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。因此，LoRa技術(shù)在本系統(tǒng)中的應(yīng)用正好解決了水質(zhì)監(jiān)測所要求的成本低、抗干擾能力強(qiáng)及傳輸距離遠(yuǎn)等問題[7]。

圖4 上位機(jī)程序處理流程

4 系統(tǒng)運行與測試

系統(tǒng)的前面板劃分為數(shù)個部分，包括各測量值的波形顯示、串行通信參數(shù)設(shè)置、參數(shù)閾值設(shè)置及其報警燈顯示、日期時間顯示、數(shù)據(jù)保存和停止運行等。其中系統(tǒng)的參數(shù)閾值設(shè)定，可以根據(jù)不同的水質(zhì)監(jiān)測要求來進(jìn)行調(diào)整設(shè)定，這樣可以滿足不同的水質(zhì)監(jiān)測需求。

當(dāng)Ames試驗不適用時（如受試物存在抑菌性），基于哺乳動物細(xì)胞的小鼠淋巴瘤細(xì)胞tk基因突變試驗（MLA）和HPRT基因突變試驗或為受試物的致突變性評價的備選方案。此外，也可使用TK6細(xì)胞或L5178Y細(xì)胞通過流式細(xì)胞計數(shù)法檢測表型為GPI（‐）的細(xì)胞出現(xiàn)率（即體外Pig‐a基因突變試驗）對受試物的致突變能力進(jìn)行評價［26］。然而，體外Pig‐a基因突變試驗當(dāng)前處于開發(fā)階段，其檢測效果尚有待大規(guī)模實驗室間驗證。

本系統(tǒng)對自來水的水質(zhì)進(jìn)行了遠(yuǎn)程多參數(shù)采集驗證測試，為展示系統(tǒng)的Labview監(jiān)控界面運行效果，從下位機(jī)采集到的傳感器數(shù)據(jù)處理后，通過LoRa無線模塊被傳輸?shù)搅松衔粰C(jī)的Labview監(jiān)控界面，界面出現(xiàn)了PH值、ORP值、COD值、渾濁度值、溶解氧值和氨氮值的實時數(shù)值和波形顯示畫面。系統(tǒng)測試表明，本系統(tǒng)能夠有效地對水質(zhì)進(jìn)行多參數(shù)監(jiān)測。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合嵌入式技術(shù)、LoRa無線通信技術(shù)、Labview虛擬儀器技術(shù)設(shè)計了一個遠(yuǎn)程無線多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，經(jīng)測試驗證，本系統(tǒng)能有效地對包括PH值、COD值、ORP值、渾濁度值、氨氮值和溶解氧值在內(nèi)的六項水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)測，并在Labview虛擬儀器界面實時數(shù)值和波形顯示，同時具有閾值設(shè)置報警和數(shù)據(jù)存儲功能，給用戶帶來直觀的水質(zhì)監(jiān)測畫面。本系統(tǒng)具有水質(zhì)參數(shù)采集效率高、靈活便捷、傳輸實時和遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點，具有較高的應(yīng)用價值。