一种远程多参数水质监测系统的设计

2019-02-13刘泽龙孙志忠傅奕萱吴剑

计算机时代 2019年1期

刘泽龙孙志忠傅奕萱吴剑

摘要：以STM32单片机和GPRS的无线网络通信技术为核心，设计一个功能全面、软硬件相结合的远程多参数水质监测系统。该系统将水质信息采集、数据查询、实时跟踪、预警等功能系统化，可适应我国多样的地势结构，可对水质的PH值、溶解氧和电导率等重要参数进行实时监测，实现了对水资源污染的准确测定，以及对水资源中污染物的变化趋势的有效跟踪，进而可以综合评价水质情况。

关键词：多参数; 水质监测系统; 数据采集; 数据查询

中图分类号：TP393.18 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2019）01-24-05

Abstract： This paper takes the wireless network communication technology of STM32 single chip microcomputer and GPRS as the core， designs a remote multi-parameter water quality monitoring system combining software and hardware， which systematizes such functions as water quality information collection， data query， real-time tracking and warning. The system adapts to various topographic structures in China， can monitor the important parameters such as PH value， dissolved oxygen and electrical conductivity of water in real time， and achieves the accurate measurement of water resource pollution， as well as the effective tracking of the variation trend of pollutants in water resources， so as to comprehensively evaluate water quality.

Key words： multi-parameter; water quality monitoring system; the data collection; data query

0 引言

水质问题一直是全球关注的环境重点问题。水质监测系统发展于二十世纪七十年代，美、英、日、法、德等国先后建立了此类系统。而我国在水质自动监测、移动快速分析，以及预警预报体系建设方面尚处于探索阶段，目前生产出的产品大多存在价格昂贵、效率不佳、功能不够完善等一些弊端，因此，设计出一个功能完善的水质监测系统十分重要。

为此国内诸多学者开始研究。例如靳晟等对猛进水库的水质监测管理信息系统的研究[1];陈益等对三峡库区水质监测管理信息系统进行了设计[2]。赵自越等针对某个人工湖进行了水质预警研究[3]。席飞对基于ARM和GPRS網络的水质检测系统设计的研究[4]。王婧使用STM的32位高端ARM处理器来设计水质监测系统[5]。王令群等人实现对系统用户管理以及参数的实时检测[6]。董浩等人设计了一套微型水质监测系统[7]。路荣坤等人设计了一款远程水质智能监测系统[8]。张艳萍等人设计了一种基于无线传感器网络的水质监测系统[9]。梁斯勇等人使用水质传感器采集数据监测水质数据[10]。赖清基于GPRS的远程水质监测与分析系统的研究[11]。李金凤等对基于无线传感器网络及GPRS的水质监测系统设计[12]。刘新辉等对基于GPRS的水质参数无线监测系统设计[13] 。佟维妍等对基于GPRS数据远程传输的水质参数监测系统[14]。他们设计的水质监测系统大多基于RAM。但是相比于RAM，STM系列单片机更为简单和方便。因此，我们采用STM32的单片机和GPRS的无线网络通信技术作为研究系统的核心，结合我国目前推行的政策以及我国多样的地势结构，设计了一个对水质PH值、溶解氧和电导率等参数进行实时监测的系统，旨在对水资源污染进行测定，并对水资源中污染物的变化趋势进行有效跟踪，评价水质的综合情况，为我国水资源保护提供重要数据。

1 系统设计方法

远程多参数水质监测系统是一个基于GPRS的地域分布较广的无线网络传输、监测系统，总体上分为两部分：现场的水质参数检测装置和GPRS无线通信模块和水质监测控制中心平台。该系统框架如图1所示。

水质参数检测装置能实时检测监测点的pH值、温度值、溶解氧等，对检测到的水质参数进行数据采集和处理，将处理后的水质参数进行打包通过单片机串口传送至GPRS模块的缓存中，接着数据包被GPRS模块封装成TCP/IP数据包，最后通过GPRS IP骨干网接入Internet网将数据传送至中央监控中心。

监控中心的终端服务器对接收到的数据包进行解析、还原，并由 PC机进行显示，同时使用Delphi平台界面还可以通过GPRS网络和Internet组成的链路，把控制信号传输给GPRS，再由单片机接收并执行相应的命令。

1.1 硬件方面

1.1.1 现场数据采集模块原理框图

现场数据采集模块STM32F103实现的数据采集系统具有一定的通用性，它通过片内的A/D转换通道与外部的采集传感器进行连接。由于外部与传感器进行连接，获得是标准的电压信号，这样采集系统具有很大的通用性，只要接不同的传感器可以采集不同的模拟数据源，同时为了考虑到传感器的数字信号传输，预留了数字信号通道，这样做到系统与数据源的无关性。原理框图如图2所示。

1.1.2 STM32F103单片机系统

STM32F103单片机本身具有非常丰富的片内资源，因此，最小系统无需配置过多的外围接口器件就可以满足本系统要求，从而使电路十分简单，其最小系统电路如图3所示。

1.1.3 信号处理电路

以采集pH为例，将pH电极放在被测溶液中，根据被测溶液的酸碱度不同，pH复合电极产生不同的直流电位，为了避免后面的测量电路影响前端的测量电压，将pH电极的输出与高阻抗放大器CA3240相连，从而保证测量电压的准确性。由传感器检测到的pH信号首先通过前置放大电路对其进行放大，由于pH信号变化比较缓慢，所以可以把pH信号看成直流信号，为了防止高频信号的影响，在电路中加入了一些滤波电容滤除高频干扰。

另外，由于pH传感器是将pH信号转化成电压信号，并且当pH在0～7的范围时电压为正值，pH在7～14的范围时电压为负值，而STM32F103单片机内部集成的A/D为单极性的，为了利用单片机的片内资源，就必须把输入A/D的电压值通过差分电路转换为0～2.5V的值，使pH值在0～14范围内全能被A/D采集。

1.1.4 按键输入及电源模块

按键是单片机重要的输入设备，是人工对单片机的功能设置主要手段。本系统中用了四个按键。分别实现不同的功能，它们之间相互配合就可以完成所需要的设置。K1键：确定功能;K2键：功能加;K3键：功能减;K4键：取消功能。

另外，整个系统中STM32F103单片机需要3.3V电压，数据采集模块各运算放大器和LCD需要5V电压。考虑到硬件系统对电源要求具有稳压功能、纹波小和低功耗等特点，因此该系统的电源部分采用AMS1117-3.3把+5V电压转化为+3.3V输出，该芯片不仅能很好满足该硬件系统的要求，还具有很小的封装，能有效节约PCB的面积。

1.1.5 显示模块设计

液晶显示器具有微功耗、显示内容丰富、使用方便、超薄轻巧的诸多优点。本系统采用的是LCD12864M，LCD12864M汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。在系统中，将STM32F103单片机的PA7接到液晶LCD12864M的4脚RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。PA6接到5脚RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读“忙”信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。PA5接6脚E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。15脚的PSB并/串行接口选择：H-并行;L-串行，这里我们选用数据串行输入，所以不需要再连接其他单片机数据线，大大节省了单片机资源。同时液晶的背景灯光有外部按键控制，从而达到降低功耗。

1.1.6 通信模块设计

GPRS模块选用“有人物联网”的低功耗GPRS模块USR-GM3，该模块无需协议，串口端发送的数据和网络端接收的数据完全一样，且使用简单，跟DTU一样，简单设置就可以实现数据传输，另外，GPRS模块GM3稳定性能够得到保证。该模块支持硬件流控（RTS/CTS），串口數据灵活分帧（按照数据时间、长度打包），超宽波特率范围：2400 bit/s～921600 bit/s，综合考虑，本系统波特率采用9600 bit/s。本设计采用串口与GPRS相连，GM3的35脚TXD1与单片机的PA9相连，36脚RXD1与单片机的PA10相连。连接如图4所示。

但是考虑到该模块最好是3.8V电压供电，并且工作电流为750mA，相比起系统的其他模块，GPRS是功耗最大的部分，所以单独设计了电源模块，采用MIC29302BU芯片将5V电压转化为3.8V输出。该芯片不仅能很好满足该硬件系统的要求，还具有很小的封装，能有效节约PCB的面积。

1.2 软件方面

1.2.1 主程序设计

主程序首先完成初始化工作，打开开机界面等待GPRS模块初始化完成，然后打开定时器中断，进入While（1）死循环;再由定时中断完成判断检测按键，从而实现不同的功能设置，设置好之后连接GPRS网络。启动A/D，进行循环的数据采集及处理、数据发送和数据显示。

1.2.2 GPRS通信模块程序设计

在系统的GPRS驱动程序的具体实现过程中，STM32F103单片机是通过全双工通信方式发送AT指令对其控制的。通过AT指令可以实现模块参数的设置，实现数据的发送与接收。与此同时，AT为解决因GPRS移动网络信号小小间断带来的无法连接的问题，设计了AT重联服务器的策略。

1.2.3 监测中心平台设计

监测中心主要完成以下功能：建立完成对网络中传输的数据监听、接收，并在Delphi界面上显示，同时Delphi中控制信息通过Socket传输给Internet公网，然后由GPRS模块接收并发送给单片机系统。网络数据的监听和接收及显示部分，主要是将GPRS模块传输的数据经由GPRS网络通过Internet网络进行接收并读取。在此利用Delphi通过WinSock接口和MFC WinSock类实现。监测中心启动监测以后，系统首先建立Socket并将其设置为“监听”模式，等待GPRS端的连接请求。当两端建立通信以后，监测中心平台就可以接收来自于采集端所发送的pH值、温度等信息。同时平台还可以通过Socket发送信息给参数监测模块，从而进行有效的反馈控制。

1.3 监测：网页Web端

用户可以通过使用本系统提供的专属账号登录水质监测网页，在网页中查看当前监测点的水质信息，使得用户可以相对清楚的了解水质监测信息。

网页分为数据采集、挖掘分析、监测指标、示范点这四个部分。

数据采集中可以选择不同监测点、不同时间监测到的水质信息进行查看，可以选择看单纯的数据视图或看折线图，同时可以选择是所有数据都叠在一起看还是每一项指标分开来看。

挖掘分析是通过将监测到的数据通过算法进行分析整理，从而推测出该区域的水质信息情况，以及预测未来一段时间内该区域的水质信息。同时该部分还具有监控预警功能，监控预警是通过将监测到的数据与正常水质数据指标进行分析对比，如果发现监测到的数据在指标的边缘或者超过指标，就会发出警报，向负责人的手机发送水质信息异常的短信。

1.4 监测：手机APP

用户可以通过下载本系统的水质监测APP，并使用专属账号登录进APP进行查看当前监测点的水质信息，使得用户对水质信息有一个大致情况的了解。

用户登录进入页面后直接显示监视数据的主界面。通过数据和折线图相结合的方式，让用户可以快捷且直观的找到自己想要的数据。

用户可以通过选择不同的监测点来查看当地水质情况。

当用户发现当地水质信息较差时可以对其进行投诉。

2 结果与讨论

2.1 设计产品的性能特点

我们研发设计的水质监测系统与其他系统相比有以下优点。①监测仪体积小，便携，使用方便，数据准确度高。②投资少，建站快，分析仪前置，无需大面积站房。③运行费用低：仪器低功耗，运行稳定可靠，无需专业运营服务。④数据具代表性：直接接触水体，监测到的数据直接来源于水质实体，无预处理等环节。⑤数据采集方式多样化，目前系统已实现定点采集，人工采集，移动船采集三种采集方式，每种采集方式均可实现实时出数据。⑥快速反应：实时监测水质数据信息，当发现水质信息有异常时会进行报警提醒，拥有一套完整的预警系统。⑦异常自动留样：当任何一个监测因子数据异常时，系统立刻启动采样留样。也可遥控采样或定时采样。⑧性价比高：一台机器可集成监测多个水质参数，生产成本相比于同类产品小。⑨维护量极小：分析仪基本免维护。⑩查看信息方式多样化：不仅可以实地查看，还可以登录网站或手机APP查看监测点的水质数据信息。

本系统监测参数有：pH值、电导率、温度、溶解氧、浊度、氨氮。

本系统软件与硬件相结合，网络端与移动端相匹配，通过各传感器将水质六大参数信息采集后，通过无线通讯网络传输到中控服务器，由中控服务器将水质信息通过无线通讯网络传输到平板大屏幕、移动端和电脑客户端，用户可以登录相应的网站和手机APP实时查看水质信息，于此同时，平台拥有数据反馈和报警预警机制，如若发现水质信息数据存在异常，即水质存在污染情况时，平台将向用户发出警告信息，用户可通过三种方式来查看当前水质信息，当用户进行实地查看，并采取相应措施使得水质信息数据达到正常时警报方解除。该系统功能图如图5所示。

本系统监测显示水质数据信息结果如图6所示。

3 结束语

我们设计的远程多参数水质监测系统集软件和硬件为一体，以STM32单片机和GPRS的无线网络通信技术为核心，实现了将水质信息采集到数据查询、实时跟踪、预警等一系列功能系统化。该系统可以适应我国多样的地势结构，可对pH值、溶解氧和电导率等重要参数进行实时监测，实现了对水资源中污染的测定，以及对水资源中污染物的变化趋势有效跟踪，可以综合评价水质的情况。目前该系统已在东湖试验成功，在乌镇和新安进行新的一轮试验。我们预留了251个空白位，让用户可以自行选择想要检测的数据并上传至监测端以备查看。接下来，我们将对更多水质参数信息进行监测，使得对水质的综合评价更加科学客观，并提高监测的准确率，同时将完善系统的相应功能，使其可以被更好的使用。

参考文献（References）：

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