基于物联网的水质监测系统设计与实现

张娜 杨永辉

摘要：为了提高水质监测系统中pH值的采样精度，并解决定时定点采集数据耗费人力物力问题，设计并实现一种基于物联网的水质监测系统。首先，为了提高pH值的测量精度，硬件电路上使用AD8603进行前级调理，AD7792进行高精采样，软件设计上采用中值滤波和滑动滤波算法。其次，搭建水质监测服务平台，监测数据通过ZigBee传输到主机，在经由GPRS发送到服务器，用户使用手机APP或Weh可以远程监控每台设备的数据。结果表明，所提方法提高了监测设备的pH值测量精度，监控平台运行稳定可靠。

关键词：水质监测;pH值精度;物联网;服务器平台;数据传输;远程监控

中图分类号：TN931+.3-34;TP277

文献标识码：A

文章编号：1004-373X（ 2019） 24-003 8-04

0 引言

水是人类生存息息相关的重要资源，无论是饮用水还是养殖用水，水质的好坏直接影响人类的生产和生活[1]。尤其近年来重大水质污染事件频发[2]，水质状况不容乐观，因此，实时准确掌握水质参数状况显得十分重要[3]。传统的水质监测方法存在诸多问题，如采集精度低[4]，数据查看方式不灵活，需要固定人员定时巡检，人工记录数据，工作量大且存在人为因素误差等。

本文提出的基于物联网的水质监测系统，实现了对多监测点水质信息实时在线监测。可以通过本地LCD彩屏、手机APP、Web网页客户端三种方式在线查看水质监测点数据、设置报警阈值。

1 系统架构概述

水质监测系统主要由数据采集终端、服务器和客户端三部分组成。系统总体结构如图1所示。本系统主要利用传感器测量水系统中水的pH值、温度、液位高度、水流速这些指标，数据采集终端将主、从机传感器采集到的数据封装成数据包，通过GPRS网络发送到服务器[5]，存储到数据库管理系统中。用户可以通过手机APP或者Web客户端访问服务器，接收或查看监测点的数据，设置监测点的报警阈值。服务器每隔30 min向手机APP推送数据信息，水质参数异常时服务器则立刻向手机推送报警信息，手机端以通知栏消息形式进行报警。

2 系统硬件设计

数据监测终端由主机和从机组成，主从机差别为是否有GPRS联网功能。主机硬件电路由电源管理电路、GPRS模块电路、ZigBee/CAN组网电路、传感器采集电路、人机交互电路等组成。硬件结构图如图2所示。

2.1 电源管理电路

由于监测点经常布置在偏远地区，只采用市电供电，当停电时系统会停止工作，不能保证监测的实时性。为解决这一问题，以TP5410电池管理芯片为核心设计了电源管理电路。当外部停电时自动切换到内部3.7 V锂电池继续供电。使用TL431设计了掉电监测电路，监控DC 12 V电源输入，电源停止输入后进行断电报警，如图3所示。

2.2 主从机组网电路设计

主从机之间可以通过CAN总线或ZigBee方式组网。使用有线组网时，总线损坏或者串人高电压，有可能影响总线上的其他设备[6]。为了避免此类情况发生，设计了CAN总线电磁隔离电路，将总线驱动与MCU断开电气连接，降低因总线损坏对其他设备的影响，如图4所示。

2.3 GPRS模块电路设计

由于水质监测点需求量大，考虑到网络流量和模块成本，这里选择安信可公司的A6 GPRS模块，该模块支持物联网卡，价格低廉。由于A6模块开机时连接网络峰值电流很高，所以直接通过串联二极管降压。

2.4 pH值调理电路

由于pH电极自身内阻较大，容易产生失调误差，因此采用AD8603进行前级调理，如图5所示。AD8603具有较低输入偏置电流，典型值为200 fA，电极内阻为250 MΩ时，根据能斯特方程，误差为0.05 mV（0.000 85 PH）。因此，该调理电路能够有效地提高系统的测量精度。能斯特方程为：式中：E为氢电极电压，活性未知;a=+30 mV为零点容差;T为环境温度（单位：℃）;n=1价（25℃）;F=96 485为法拉第常数;R=8.314为阿伏加德罗氏数;pH为未知溶液的氢离子浓度;PHiso=7为参比氢离子浓度。

由于pH电极输出为双极性，而A/D转换芯片为单极性供电，因此，应将传感器的输出电压偏置到地以上。采用AD7792特有的210 μA恒流源流过5 kΩ 0.1%精密电阻，来产生偏置电压，该偏置电压还同时作为AD7792的基准电压。

3 系统软件设计

系统程序由数据监测终端、云服务器端、手机APP/Web客户端三部分组成。硬件终端主要负责数据采集并转发到服务器。用户通过客户端将报警阈值写入到服务器中。服务器转发数据到监测终端，达到在线设置报警阈值的目的。

3.1 监测终端软件程序设计

由于监测终端从机软件设计与主机类似，这里以主机软件设计为例。首先初始化系统参数，确定从机组网模式，然后开始连接云端服务器，由于网络环境和信号强度问题，可能造成连接服务器失败，此時系统会重新连接，当超出最大连接次数时系统自动复位。

系统启动后每1 min周期性采集主机和从机的传感器数据[7]。读到的传感器数据与设置的报警阈值进行比较，如果超出阈值马上将报警信息发送到服务器，并声光报警，提醒巡检人员。在没有报警信息时，30 min推送一次采集到的数据。为了确保主机与服务器能实时连接，定时向服务器发送心跳包，防止链接断开。通过人机交互界面可以对终端设备的温度、pH值进行标定和补偿，也可以对离线状态下的设备进行对报警门限、时间等的设置。

主机程序流程图如图6所示。

3.2 手机APP软件设计

手机APP以Android操作系统作为开发环境，采用Java编程语言[8]，使用消息队列遥测传输（Message Queu-ing Telemetry Transport，MQTT）协议[9]。程序设计主要包括用户管理、设备管理两大功能模块。手机APP工作流程如下：注册新用户，注册成功后填写用户名和密码登录;添加监测设备，输入主机屏幕首页显示的24位设备ID，即可添加对应设备到该用户，长按设备名进人参数阈值设置页面，设置完成点击确定将阈值信息更新至服务器。

手机APP界面如图7所示。

3.3 数据库管理系统设计

服务器提供用户与终端之间数据绑定、转发、存储和查询等服务，其核心是数据库。在MySQL数据库中建立user- name，user_devices和sensor_data三个表。us-er- name管理系统用户信息，包括新用户注册、登录、重命名等;user_devices管理用户与监测终端的对应关系，包括用户对应监测设备的增、删、改等操作[10];sen-sor_data管理监测终端数据信息，包括设备号、上传时间、具体参数值等信息。服务器平台工作运行环境如图8所示。

4 试验及结果分析

系统在某大型池塘中进行了测试，取连续7 h pH值数据和一个月内每日上午10：00数据，分别验证系统的精确度与稳定性。数据汇总后如图9所示。经计算，pH值的平均相对偏差低于0.7%。测试结果表明，系统监测精度高、运行稳定可靠。监测终端实物图见图10。5结语

本文设计的基于物联网的水质监测系统，解决了pH值测量精度低、数据接收方式不灵活等问题。用户可以通过日常使用的手机实时掌握监测区域水质情况。目前，服务器平台已经在阿里云部署，相关监测点主从机已经量产。

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作者简介：张娜（1991-），女，辽宁朝阳人，硕士研究生，助教，主要研究方向为智能控制。

杨永辉（1971-），男，辽宁鞍山人，硕士生导师，教授，研究方向为智能控制。