基于LabVIEW和ZigBee的水質(zhì)多參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張經(jīng)緯，白秋產(chǎn)，石 躍，徐士國(guó)，張家寧，劉 威

（淮陰工學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，農(nóng)業(yè)灌溉、城市生活和工業(yè)生產(chǎn)建設(shè)等方面的水需求量與日俱增。雖然我國(guó)淡水資源總量為2.8 萬(wàn)億立方米，占全球水資源的6%，居世界第四，但人均只有2 300 立方米，是世界上13 個(gè)人均水資源較少的國(guó)家之一。建設(shè)“環(huán)境友好型、資源節(jié)約型”社會(huì)已成為我國(guó)的基本國(guó)策，國(guó)家對(duì)環(huán)保事業(yè)投資力度逐年加大。水務(wù)行業(yè)相關(guān)政策近年來(lái)頻繁發(fā)布，水污染治理迎來(lái)政策與趨勢(shì)利好。2015年施行的新《環(huán)保法》對(duì)我國(guó)環(huán)境治理提出了更嚴(yán)格的要求，后續(xù)又出臺(tái)了《關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見(jiàn)》（2018年發(fā)布）、《關(guān)于創(chuàng)新和完善促進(jìn)綠色發(fā)展價(jià)格機(jī)制的意見(jiàn)》（2018年發(fā)布）、《關(guān)于進(jìn)一步加快推進(jìn)中西部地區(qū)城鎮(zhèn)污水垃圾處理有關(guān)工作的通知》（2019年發(fā)布）等指導(dǎo)性文件，完善了水污染防治的監(jiān)督管理體系[1,2]。

我國(guó)水資源流域面積在1 000 平方公里以上的大河流共1 500 多條，流域總面積為600 多萬(wàn)平方公里，水資源分布廣闊。我國(guó)傳統(tǒng)水質(zhì)檢測(cè)大多依賴人工，需要工作人員把在水質(zhì)采樣點(diǎn)采集的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)分析，存在水質(zhì)檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、中間有水質(zhì)二次污染和成本大等問(wèn)題?，F(xiàn)在有些監(jiān)測(cè)點(diǎn)購(gòu)買了一些便攜式監(jiān)測(cè)設(shè)備，但這些設(shè)備大都是進(jìn)口的，價(jià)格高昂，設(shè)備維護(hù)不方便且維護(hù)成本高，也不能自動(dòng)化、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)水質(zhì)狀況[3-7]。

LabVIEW 是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開(kāi)發(fā)，類似于C 和BASIC 開(kāi)發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW 與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW 使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G 編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。采用LabVIEW 開(kāi)發(fā)的水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用戶能夠像查看儀器儀表一樣，以圖形、圖表、示波器等方式看到監(jiān)測(cè)區(qū)域水質(zhì)的各種參數(shù)情況。因此，本設(shè)計(jì)中現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸采用ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)，上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心采用LabVIEW 開(kāi)發(fā)。該水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析、實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和歷史回顯，能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)水質(zhì)狀況，一旦發(fā)現(xiàn)水質(zhì)異常情況，會(huì)在上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心和用戶手機(jī)進(jìn)行預(yù)警提醒，以便工作人員及時(shí)處置，預(yù)防水污染大面積擴(kuò)散，確保水資源使用安全。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)包含水質(zhì)檢測(cè)傳感器、ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、ZigBee 協(xié)調(diào)器、監(jiān)測(cè)中心（基于LabVIEW 的上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）、GSM 模塊、手機(jī)用戶。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器選型

（1）溫度傳感器

考慮到水質(zhì)測(cè)量時(shí)的測(cè)量精度、傳感器靈敏度、性價(jià)比以及使用環(huán)境等因素，溫度傳感器選擇由美國(guó)Dallas 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器，型號(hào)為DS18B20，其優(yōu)點(diǎn)是密封防水、低時(shí)延、靈敏度高、性價(jià)比適中、使用壽命長(zhǎng)等。表1 為本文選擇的防水型數(shù)字化溫度傳感器與普通DS18B20傳感器的參數(shù)對(duì)比情況，可以看出本文選擇的溫度傳感器在保證了相應(yīng)靈敏度和測(cè)量精度的同時(shí)，提供了相應(yīng)的防水處理功能并延長(zhǎng)了使用壽命。DS18B20 防水型電路設(shè)計(jì)部分與普通版的不同在于多了上拉電阻控制電壓輸入，其各引腳分別為VCC 電源接入、DAT 數(shù)據(jù)通信端口、GND 接地端，按照通信格式對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的寫和讀操作，以此讀取相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)。

表1 DS18B20 參數(shù)對(duì)比

傳感器密封式的測(cè)量，提高了測(cè)量的精度，大幅度降低了由外界因素引起的誤差，適合于在環(huán)境比較差的地方進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量，滿足了本系統(tǒng)的測(cè)量要求。防水型溫度傳感器如圖2所示。

圖2 DS18B20 防水型傳感器

（2）pH 傳感器

考慮到水質(zhì)測(cè)量時(shí)測(cè)量精度、傳感器靈敏度、性價(jià)比以及使用環(huán)境等因素，pH 傳感器選為可充式pH 復(fù)合電極（pHE-201-C）來(lái)測(cè)量水體的pH 值，其具有響應(yīng)時(shí)間短、沉降時(shí)間低、元件消耗功率低、可使用范圍廣、測(cè)量和使用方便的特點(diǎn)。pH 傳感器選型對(duì)比情況見(jiàn)表2 所列，可以看出溶液補(bǔ)充方式不同時(shí)測(cè)量精度會(huì)發(fā)生改變，當(dāng)傳感器內(nèi)溶液流失后，可充式傳感器可對(duì)相應(yīng)溶液進(jìn)行補(bǔ)充，保持測(cè)量精度不變；而不可充式只有固定測(cè)量精度，使用壽命沒(méi)有可充式長(zhǎng)。因此，本文選擇可充式pH 傳感器。pH 傳感器如圖3所示。

圖3 探頭溶液可充式pH 傳感器

表2 pH 傳感器選型對(duì)比

1.3 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件電路

傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一般由感知模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊和電源四個(gè)部分組成，如圖4所示。本設(shè)計(jì)的水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)的感知模塊采用水溫、pH 值、氨氮值傳感器等；數(shù)據(jù)處理模塊主要是在終端節(jié)點(diǎn)處對(duì)信息進(jìn)行采集和處理；通信模塊的無(wú)線射頻電路，選擇CC2530 射頻芯片[7]；電源采用固定電源對(duì)節(jié)點(diǎn)供電，保證其正常工作。

圖4 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

1.4 LabVIEW 上位機(jī)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)人員要獲取ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采集的監(jiān)測(cè)水域水質(zhì)信息，需要有一個(gè)穩(wěn)定的、可視化的中心監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)是利用G 語(yǔ)言（圖形化語(yǔ)言）—LabVIEW 設(shè)計(jì)編寫的，功能如圖5所示。

圖5 LabVIEW 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能

（1）用戶系統(tǒng)：具有權(quán)限設(shè)置功能，提高監(jiān)測(cè)平臺(tái)的安全性，具有權(quán)限的用戶可以進(jìn)入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并且對(duì)用戶進(jìn)行管理。

（2）數(shù)據(jù)采集：將ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)通過(guò)串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的溫度、pH 值和氨氮信息進(jìn)行提取轉(zhuǎn)換。

（3）數(shù)據(jù)處理：對(duì)提取轉(zhuǎn)換出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)。

（4）預(yù)警系統(tǒng)：根據(jù)ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)監(jiān)測(cè)水域水質(zhì)監(jiān)測(cè)要求，設(shè)置相應(yīng)的報(bào)警閾值，當(dāng)超出閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警[8,9]。

1.5 手機(jī)遠(yuǎn)程訪問(wèn)設(shè)計(jì)

隨著GSM 通信網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，短消息因具有覆蓋區(qū)域廣、快捷、高效、準(zhǔn)確、費(fèi)用低、受環(huán)境影響小等特點(diǎn)，逐漸被應(yīng)用于工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，尤其在分布式遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控領(lǐng)域，可以隨時(shí)隨地通過(guò)GSM 模塊以短消息的方式接收現(xiàn)場(chǎng)的終端設(shè)備狀態(tài)，便于集中管理和遠(yuǎn)程管理。系統(tǒng)無(wú)須建立專用網(wǎng)絡(luò)，直接利用中國(guó)移動(dòng)通信網(wǎng)即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。因此，本設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控訪問(wèn)可以通過(guò)GSM 通信模塊將PC 機(jī)和手機(jī)連接起來(lái)，便于利用手機(jī)遠(yuǎn)距離地實(shí)時(shí)查看水質(zhì)情況。手機(jī)遠(yuǎn)程訪問(wèn)模塊主要由PC機(jī)上的監(jiān)控中心、GSM 模塊和手機(jī)三部分構(gòu)成，如圖6所示。

圖6 手機(jī)遠(yuǎn)程訪問(wèn)原理

2 系統(tǒng)測(cè)試

2.1 無(wú)線傳感網(wǎng)水質(zhì)檢測(cè)測(cè)試

無(wú)線傳感網(wǎng)水質(zhì)檢測(cè)測(cè)試方式如圖7所示。在溫度25 ℃下配置pH 4.00、pH 6.86、pH 9.18 校正液測(cè)量，測(cè)量最大誤差不超過(guò)0.15pH[10-12]。

圖7 無(wú)線傳感網(wǎng)水質(zhì)檢測(cè)測(cè)試

2.2 LabVIEW 上位機(jī)監(jiān)測(cè)程序測(cè)試

LabVIEW 上位機(jī)監(jiān)測(cè)程序測(cè)試如圖8所示。其中水溫、pH 值數(shù)據(jù)以實(shí)時(shí)變化圖表、數(shù)值指示顯示、數(shù)據(jù)表格三種形式展現(xiàn)，并能進(jìn)行存儲(chǔ)與歷史回顯。

圖8 上位機(jī)測(cè)試

2.3 GSM 短信發(fā)送和手機(jī)接收測(cè)試

首先發(fā)送“AT+CSQ”查詢信號(hào)強(qiáng)度指令，發(fā)送“AT+CPIN?”查詢模塊是否檢測(cè)到手機(jī)，發(fā)送“AT+COPS?”指令查詢模塊是否注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò)；然后在返回“ok”的情況下，發(fā)送“‘AT+CMGS=’手機(jī)號(hào)碼”，該手機(jī)號(hào)碼用戶會(huì)接收到主機(jī)通過(guò)GSM 模塊發(fā)送的水質(zhì)參數(shù)，如圖9所示。

圖9 GSM 短信發(fā)送和手機(jī)接收測(cè)試

3 結(jié)語(yǔ)

基于ZigBee 和LabVIEW 技術(shù)的水質(zhì)多參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)，使用無(wú)線傳感網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，LabVIEW上位機(jī)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，GSM 模塊進(jìn)行短信預(yù)警等，有效地解決了傳統(tǒng)意義上水質(zhì)檢測(cè)的距離遠(yuǎn)、物力和人力成本高、耗費(fèi)時(shí)間多以及水質(zhì)情況監(jiān)測(cè)不及時(shí)等缺點(diǎn)。項(xiàng)目中研究使用ZigBee 作為傳輸終端，信號(hào)穩(wěn)定，傳輸距離遠(yuǎn)，功耗低，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益；LabVIEW 上位機(jī)程序使用可視化的圖像界面，可以十分客觀地向用戶展示當(dāng)前水質(zhì)的相關(guān)情況；GSM 模塊為用戶提供短信預(yù)警功能，將其整體融合進(jìn)系統(tǒng)組成復(fù)雜而有序的無(wú)線傳感網(wǎng)。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，使得在監(jiān)測(cè)水質(zhì)效率方面有較大提高。