基于STM32的水质智能远程监控系统

田 红，李秉权，张亚彤

(1.兰州城市供水(集团)有限公司，甘肃 兰州 730070；2.兰州交通大学机电技术研究所，甘肃 兰州 730070)

水质监测是实现水资源保护与水污染控制的重要途径。现有水质监测装置多由市电供电，为单一固定点监测，相比较湖泊流域附近，鲜有可应用于野外环境下，可准确定位水质异常的监测系统[1]。国外在水质监测研究多基于无线传感器网络的监控解决方案，如爱尔兰的SmartCoast监测系统是将传统的单一测量改造成多传感器网络的自动化检测设备[2]，已应用于部分湖泊流域中，得到了很好的应用效果。但我国因地域分布广，地形复杂等特点，水质监测需求大，且国内外相关水质监测领域标准规约不尽相同，所以全部引入国外技术是不现实的。而目前国内仅对重点流域湖泊进行了水质监控，且系统体积庞大，不适用于偏远地区等现实情况[3- 4]。本文介绍了一种太阳能水质智能远程监测控制系统，以我国的水质规约规范为开发标准，采用STM32嵌入式单片机为控制核心，结合驱动芯片控制继电器，利用GPRS模块为数据交互媒介，采用太阳能供电设备为系统提供正常工作电压随着物联网以及嵌入式系统两大前沿技术的发展。该系统能够应用于环境恶劣的野外，特别是在没有常规电力供给的地方工作，能实现对水源水质的定时分析，并能准确、及时的切断供给阀门或水闸等设备，防止污染水质的进一步扩散，从而最大程度降低人身及财产损失。

1 总体方案

本文设计并实现的监控系统包括水质监测、阀门控制和无线通讯功能。其中以STM32嵌入式单片机作控制核心，搭配外围元器件实现对水质的智能监控。太阳能供电设备由太阳能光伏阵列电池板、充放电控制器、蓄电池及DC-DC控制升压电路组成。水质监测通常以溶解氧、浊度及pH值等参数值做为衡量水质情况的标准[5]，因此水质监测单元主要通过浊度传感器、pH值传感器、溶解氧DO传感器等的信息采集与上传。阀门控制单元采用继电器控制，配合驱动芯片及MOS管实现控制阀门动作。为保证本系统能适应野外恶劣的环境，将硬件设备如控制核心、无线通讯模块及供电设备等以合理的安装距离组装进具有防锈蚀及防潮能力的控制柜中，以提高系统的抗干扰能力[6]。

水质监测传感器将采集数据转化为电信号，通过设计的增益放大器及信号调理模块，并引入加权平均滤波法将信号采集中的噪声干扰降低，提高测量精度。最后通过水质分析仪比对标准预设水质参数信息，并以无线通讯网络上传至上位机。

为了提高本系统的可拓展性和实用推广价值，在STM32单片机上额外预留多个输入输出端口，方便后续调试工作或扩展其他功能单元。系统总体设计结构图如图1所示。

图1 总体设计结构图

2 硬件设计

该系统采用模块化的设计思想，其主要由控制核心、传感器、无线通讯模块、阀门控制单元和太阳能供电设备主板组成。本系统硬件结构图如图2所示。

图2 硬件结构图

控制核心选用STM32系列的STM32F103RCT6芯片，该芯片功耗低，性能优越，适用于本系统的功能要求[7]。GPRS模块以规定的通讯协议格式将采集信息打包上传至上位机，采用SIM800C型号GPRS模块与STM32单片机连接。同时报警模块为装置监测出水质异常状况时进行报警，并以无线通讯的方式及时上传给上位机。

溶解氧传感器通过增益放大器及滤波电路将微弱的电流信号精确转换为模拟量信号，通过SPI总线与STM32连接。pH值传感器我们选用的是上海雷磁公司生产的E- 201-C pH复合电极，其测量反应快，适用于多种溶液，通过高输入阻抗放大器将较低的电压信号抬升到0～3V的电压范围，经A/D转换接口送入STM32单片机中。同时溶解氧与pH值数据还需通过温度补偿来获取更为精确地参数数据。浊度传感器采用GE_TS型，其内部结构主要由发光二极管和光敏三极管组成，通过低通滤波和信号调理电路将其信号采集进单片机中。水温传感器需通过信号调理单元将模拟量信号转换为数字量，直接输入至单片机中。最后经过处理计算后的不同水质数据参数在LED屏上可以实时显示出来，方便操作人员查看。

3 软件设计

水质监测监控系统软件功能主要包括实时监测、报警管理、测站管理、统计查询以及系统管理共五个模块组成。软件系统功能模块图如图3所示。

图3 系统功能模块图

3.1 系统主要功能介绍

3.1.1 实时监测

实时监测模块主要是实时监测当前测站实时信息，测站信息有测站的类型、RTU在线状态、更新时间、溶解氧、pH值、浊度等。这些信息主要是RTU上传至服务器终端的监测数据。实时监测界面如图4所示。

图4 监控系统实时监测界面

3.1.2 报警管理

报警管理模块的主要功能是当测站显示报警信息后，管理员通知相应的测站负责人及时预防处理相应的问题，报警管理的信息包括：报警类型、报警值、负责人以及负责人联系电话，报警状态显示负责人是否进行处理。系统报警管理界面如图5所示。

图5 监控系统报警管理界面

3.1.3 测站管理

测站管理的主要功能是实现测站信息的添加、修改、删除与查看。包括对水质监测点区域的添加、删除，和控制每个测站设备，当选择相应的测站后，对其进行系统参数、pH参数、溶解氧参数、运行参数、通讯参数等的设置，实现远程监控设备功能。

3.1.4 统计查询

统计查询界面主要是对水质参数以及历史数据的查询和统计。统计的频率是每天统计一次，得到的数据以柱状图、折线统计图以及图标的形式显示，可以直观地反映数据走势。系统查询界面如图6所示。

图6 监控系统统计查询界面

3.1.5 系统管理

系统管理界面包括系统菜单管理，系统账号管理，角色权限管理，区域管理，机构管理。系统菜单管理包括对菜单列信息的添加、修改和删除的操作，系统账号管理是对管理员信息的管理。角色权限管理是指对角色列信息的添加、修改和删除的操作。区域管理是指对区域列信息的添加的操作。机构管理是对机构信息的管理。

4 系统功能测试

本系统已应用于某小型河流流域现场，构建测试环境如图7所示，以分段形式将河流流域划分为3部分进行监控。汇集数据采集、存储、分段控制的方式实现不同段河流与上位机通过自行组建的传输路径进行通信。现场试验表明，本系统对水质参数信息监测采集准确，数据传输稳定可靠，阀门控制响应时间在1s内，持续运行发现河流未见显著异常状态发生，河流生态维持良好稳定局面，实现了监控效果。

图7 系统测试环境图

5 结语

本文设计的水质监控系统充分利用了STM32嵌入式单片机的稳定可靠及扩展性强的优势，配合无线通讯与继电器控制方式实现精确的水质参数信息采集及可靠控制，不同于以往的水质监测技术，本系统在续航能力引入太阳能供电方式，以及远程遥控阀门动作实现在偏远河流流域应用的可能性，通过在小型河流流域的现场调试运行证明该系统满足实际应用需求，具有很好的推广价值。