基于单片机的实时水质监测系统设计

◆张开云

(河南理工大学 河南 454150)

1 引言

在当今社会，环境治理问题已经成为一个热点问题，污水治理作为环境治理的一个重要方向，水质监测受到了专家学者的广泛研究。但是传统的水质监测过程中，人力资源浪费严重，同时进行抽查监测，不能详尽地表现出水质的变化过程，反而极易造成资源的浪费。随着现代社会的发展，自动化水平进一步提高，通过物联网技术实时的进行水质监测，成为新一个研究方向。

2 整体结构设计

系统整体结构包括采集系统、控制系统、传输系统和上位机四个部分，整体结构如图1所示。通过传感器采集到水质信息，经过单片机控制模块将数据通过zigbee发送至云端，上位机软件结合相应的设备对数据进行处理，通过界面进行数据和相关结论的实时展示。

图1 整体结构图

2.1 采集系统

水质监测主要包括水体温度监测、重金属离子监测、酸碱度监测等，采集系统结构如图2所示。直接排放的很多废水都有着较高的温度，不经过处理会使水体温度上升，造成热污染。水体温度上升会造成含氧量下降和水质恶化影响水生生物的生存和对水资源的利用。重金属离子主要包括具有生物毒性显著的元素，如汞、镉、铅、铜、锌等，采用离子传感器，将感受到的离子量转换成可以进行输出的电信号。酸碱度会影响水体中微生物的活动，导致有机物不易被分解，水体自净能力降低，水质恶化。

2.2 控制系统

采用STC89C52单片机作为控制系统的核心，单片机具有低电压、低功耗的特点，可以采用移动电池长期供电的方式，摆脱了对于固定电源的要求，提高了环境的适应性。单片机的集成度较高，可靠性强，即使是在长期使用的情况下也能保证其稳定性。该系统中采集到的水体温度、离子浓度和酸碱度等数据参数，通过数模转换的方式都被单片机转换成数字信号，然后控制传输系统发送至云端。STC89C52单片机有32个IO接口，可以满足采集系统的传感器接口需求，同时还具备一定的拓展能力，便于后期的二次开发利用。

图2 采集系统结构图

2.3 传输系统

传输系统采用的是zigbee技术，zigbee是一项新型的无线传输技术，相较于传统的无线通讯技术，zigbee的部署成本很低，同时zigbee的功耗很低，可以远程在线启动休眠状态，进一步地降低功耗，在低功耗模式下两节五号电池的电量足够其工作数月之久。zigbee可以进行组网设计，通过主节点管理子节点，最高一个主节点可以管理254个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大型网络拓扑结构。在水质监测系统中，通过zigbee的组网功能可以在多个地区放置节点，统一进行数据收集、对比和处理，有利于系统得出相应的结论，而zigbee的低功耗休眠模式，确保了节点长期有效运行状态。

2.4 上位机软件

上位机软件可以对采集到的数据进行实时展示，同时设计交互式操作，保证可以远程对系统进行控制。上位机界面如下图3所示，主要包括三个部分，第一个方面是信息提示，包括时间信息、设备运行状态等；第二个方面是数据展示和导出，包括采集到的酸碱度、离子浓度、水体温度等；第三个部分是结论信息，通过相应的设备对采集到的数据进行分析，得出相应的结论，并通过上位机软件进行展示。

图3 上位机界面图

3 结论

通过设计一种基于单片机的水质监测系统，采用传感器采集数据，单片机控制采集到的数据通过zigbee发送至云端，上位机软件对处理后的数据和相关信息进行展示，解决传统的水质监测中人力资源浪费严重，不能实时监测的问题，为以后的研究打下一定基础。