基于无线网络的水质环境实时监控系统

王思南，徐国保，黄清文，陆国富，李广泰，潘啟润

（广东海洋大学电子与信息工程学院，湛江524088）

0 引言

随着我国科学的进步与发展，人们的生活水平不断提高，对水质的要求也越来越高。但由于人类活动的频繁，导致水土严重流失、水源也被污染，河水的成分也变得越来越复杂，水质中的有害成分也相应增多，饮用水的处理难度也越来越大。所以水污染问题日渐成为影响我国经济社会发展的重要因素。

对于环境治理来说，水质监控具有十分重要的意义。我们可以通过水质监控节点得到详细的水质数据，确定该地区河水中污染物的分布情况，从而可以确定出污染的来源、污染的路径、消长规律等，进而确定出水中污染物的变化规律，并分析出污染的原因，再评价出该污染对周围环境和人员的影响，从而对该污染源进行相应的预防和治理[1]。

随着无线传感器网络技术的日益完善，其应用领域也在不断扩大。无线传感器网络（WSNs）是由大量的监控节点构成一个适合人们使用的自治网络系统，是可以依据当时的环境来自主完成各种各样的监测任务的“智能”系统[2-3]。本文研究主要实现了基于ZigBee无线通信协议和STM32的多点水质在线监测系统，构建了ZigBee子网通讯模块、STM32数据处理模块以及上位机人机交互界面三层架构的在线监测框架。该系统的作用是实现对监控水域的远程监控，和有线监控系统相比其节约大量的监控成本，具有十分高的通用性和实用性。

1 总体设计

该系统主要分为四个部分包括水质监测节点、Zig⁃Bee组网、无线数据传输模块、远程监控中心。每个水质监测节点都是以STM32单片机作为最小系统并在其安装多个传感器模块进行采集水温、太阳能电池电压、水质pH值、水的浊度等水质环境数据，并且这些节点皆以太阳能电池板和锂电池双重供电，以保证系统的正常工作。然后通过ZigBee将每个节点组成一个网络，将每个节点的数据汇总到其中一个具有GPRS模块的主节点上，然后再通过该节点连接服务器来进行数据的发送，电脑上位机进行下载数据最后呈现在监测者面前，并且数据能够随时或自动保存在电脑上。在上位机上，我们随时可以通过发送特定的指令来获取任意一个节点的水质数据，通过上位机也可以设置每个节点定时发送数据。除此之外，本系统主节点可以定时检查是否有节点出现故障并能及时反馈数据到上位机，系统总体框架图如图1所示。

图1 总体设计框图

2 硬件设计

该水质监控系统的硬件设计主要由微处理器模块、数据采集模块、ZigBee无线通信模块、GPRS模块、太阳能供电模块组成。其中各种传感器的选择都是依据低功耗、绿色、体积小的原则去选择的。

温度传感器采用的是不锈钢封装、防水型的DS18B20传感器。该传感器测量的温度范围是-55°C～+125°C。当温度在-10°C～+85°C 时,精度是±0.5°C。通常情况下，监测环境的温度我们都是以“一线总线”的数字方式进行传输的。这样做的目的是提高系统抗干扰能力。为了防止短路,防水防潮，DS18B20温度传感器的芯片每个引脚都用热缩管隔开,内部还封了胶。综上所述，该款传感器十分适合水质环境的温度测量。DS18B20温度传感器的单总线复位时序图如图2所示。

图2 DS18B20单总线复位时序图

pH值的检测主要采用的是pH传感器模块。该款传感器模块的工作电压在5±0.2V，检测的pH值浓度范围是0-14。pH值检测的原理主要是将测量电极与参比电极制造成一个整体，测量电极是玻璃电极，而银氯则化为参比电极。由于被测液体的离子浓度变化会导致测量电极的电位变化，而参比电极的离子浓度是不会变的，所以电位恒定。根据能斯特方程[4]，我们知道测量极电位、参比电极电位和被测液体pH值之间满足以下公式：

其中:Ex表示的是复合电极电位（mV），E0表示的是标准电极电位（mV），R表示的是气体常数，T表示的是开氏绝对温度，F表示的是法拉弟常数。

所以，我们可以通过STM32单片机获取pH电极的输出信号，然后通过上述公式，将这个输出信号转换成对应的pH值。

浊度传感器主要是利用光学原理，通过液体溶液中的透光率和散射率来综合判断浊度情况，因为浊度值是一个渐变量，所以在动态环境下进行检测时，传感器采集的浊度值需要外接控制进行AD转换，换算得到对应环境下的浊度情况。由于其带有防水探头，所以十分适合于水质环境的浊度检测。

电压采集使用STM32自带的ADC模块，STM32拥有 1～3个 ADC（STM32F101/102系列只有 1个ADC），STM32提供的ADC除了可以独立使用外，还可以使用双重模式（提高采样率）。它除了具有18个通道外，还具有16个可测量的外部信号源和2个内部信号源。A/D转换器具有几种工作模式，分别是单次模式、连续模式、扫描模式或间断模式。数据经过ADC转换后的结果可以通过左对齐或右对齐的方式存储在16位的数据寄存器中。我们通过模拟看门狗的特性，允许应用程序检测输入的电压是否超出用户定义的高/低阈值。采集的电压比较精准，同时STM32可以对采集到的各个数据进行处理，上传到上位机[5]。

该系统的数据处理使用的是STM32F103系列的32位ARM微控制器。这系列芯片都是意法半导体（ST）公司生产的，其搭载的内核是Cortex-M34。该系列芯片的应用很广，价格低廉，功能强大，安全性较高。同时该芯片还可以工作在低功耗或者睡眠模式，此时的功耗很低，很适合使用在间接传输数据。

STM32F103系列的芯片，它无需操作系统，也可以像单片机一样使用Keil C语言进行编程，极大地减少了开发者的工作量[7]。STM32F103系列的芯片工作频率为72MHz，里面含有1个高速存储器（高达128K字节的Flashmemory和20K字节的SRAM），丰富的I/O端口和连接到两条APB总线的外设。最重要的是，该处理器还含有十分充足的资源，如ADC模块、通用定时器、PWM定时器，还含有各种各样的通信接口：如I2C、SPI、USART、USB和CAN 总线。这些资源使得该处理器可以应用在多个领域，如电机驱动、监控系统，等等。

ZigBee无线通信模块采用的是DL-20无线串口透传模块。该模块选用的射频芯片是由TI公司生产的符合ZigBee标准协议的射频芯片——CC2530，其不仅兼容2.4 GHz IEEE802.15.4的通讯协议，还支持Zig⁃Bee PRO网络协议栈。我们之所以选择这款射频芯片的原因是：第一，它的频段是一个全球通用的频段；第二，这款无线传输模块的频段好，而且数据传输的速度比较快；第三，其还允许系统的共存；第四，该款无线传输模块的天线体积比较小，具有硬件体积小的优势，还满足了一些特殊设备对狭小空间的要求。因此这芯片十分适合用作水质监测的ZigBee无线通信模块。组网的流程如图3所示。

图3 组网图

水质监测节点和上位机的交互主要使用的是GPRSA6模块。该模块的工作电压在3.3V-4.2V之间，支持GSM/GPRS的四个频段，包括850,900,1800,1900MHz。只要在有GPRS网络的地方都能进行通讯，所以通讯距离能达到很远。而且其尺寸小、功耗低、工作范围广，所以十分适合用于水质检测。数据采集及发送的流程图如图4所示。

由于我们的监控节点一般在水面上，有线供电传输是不太可能的，而只使用锂电池的话，更换电池时又浪费大量的人力物力。所以我们使用了太阳能电池板和锂电池双重供电的方法。

太阳光照耀大地时，没有地域的限制，无论陆地或海洋，都处处皆有。太阳能是很好的能源供给模块，由太阳能电池板、充放电控制器、锂电池组成。太阳能供电模块能很好地为系统提供能源，通过锂电池的充放电可以让系统在晚上或者阴天也能够正常的工作。供电模块如图5所示：

图4 采集数据并发送流程图

图5 太阳能供电模块的结构

3 上位机设计

上位机的设计主要通过图形化的编程系统，设计者可以轻松的组建监控系统，构建良好的人际交互界面。开发维护较为方便，简化程序设计。而且可以轻松的保存所有的数据在电脑上，以便随时调用出来。水质环境监控系统主要对终端监控节点进行手动或自动的控制。例如，上位机可以发送指定指令随时获得任意一个节点的水质数据，也可以通过上位机设置每个节点定时发送数据。运行监控软件的主机，需要固定的IP地址或者能够进行动态域名解析到固定域。图6是上位机的界面图。通过上位机还可以轻松的查看一整天的数据波形，对水质环境进行分析。

图6 上位机界面图

4 结语

本系统设计是基于STM32芯片和ZigBee无线传感网络为底层节点，通过GPRS无线通信模块和上位机进行信息的交流，最终形成一个功能十分强大的水质环境监控系统。这款监控系统可以通过底层的终端节点，来监测水质的pH值、水质的浊度和水的温度等的水质监测数据。我们可以通过这些水质数据，进行相关的行动与措施。这样可以减少工作人员的工作量，提高工作效率，合理地利用资源。通过测试，我们的这款水质监测软件，其操作界面简单、功能齐全、成本低，具有极高的应用价值。