基于物联网的水质监测系统设计「智能水质监测系统」

时间：2023-03-21 12:53:04来源：搜狐

今天带来基于物联网的水质监测系统设计「智能水质监测系统」，关于基于物联网的水质监测系统设计「智能水质监测系统」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

随着无线通信技术的发展，无线监控也越来越多的应用于养殖环境监控中，可利用ZigBee，GPRS等无线方式实现数据采集，通常采用PC作为监控终端[1⁃4]，由于其成本高、监控不灵活，不宜在养殖户中推广。目前国内很多系统采用 ZigBee 技术和 GPRS 技术实现对养殖水质的各关键指标（温度、溶解氧含量、pH和浊度）进行实时采集、远程显示和自动报警，实现智能化远程养鱼[5]。

ZigBee 技术具有低功耗、自组织等优点，适用于无线传感器网络，但通信技术本身也存在瓶颈，如：组网复杂、传输速率慢、系统扩展性差，所以在一些数据传输率有一定要求的场合并不适合。GPRS 通用分组通信技术，网络覆盖范围广、技术成熟，广泛应用于各行各业的远程通信。但是随着通信数据量的增加，项目工程后续投入很大而且通信速率也会受到很大的制约。

本文研制的一款基于WiFi无线技术的智能仪表成为顺应“互联网 ”智能水处理的发展需求。人们可以通过各类智能仪表实现对pH值、溶氧量、水温等参数实现精准的在线监测。无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）具有感知、计算、无线通信能力和控制功能，广泛应用于国防、军事、环境监控和设施农业等领域。WiFi（Wireless Fidelity）是一种目前得到广泛应用的短距离无线通信协议[6]。

1 总体设计方案

此方案具有无需布线、自动组网、成本低廉和维护简单等特点，能够有效地实现对水处理过程中各种水质参数的测量，非常适合养殖环境的自动监测，系统构建如图1所示。

智能水质仪表主要用于水质参数的实时采集、数据显示、实时发送、状态报警、电极清洗、温度补偿计算等功能，结构框图如图2所示，其主要包含主控模块、供电模块、传感器及其信号调理模块等。根据水质仪表的实际功能不同，智能仪表的硬件构成也略有差异。工作原理主要是：首先传感器调理模块对被测量进行采样，并将采集的数据进行放大、滤波、A/D 变换、计算等处理；然后进行显示和存储，通过 WiFi 模块将经过处理的数据发送给上级主控模块，同时用户还可以对智能仪表时间日期、系统报警值、回差值设置、通信速率等一些必要的参数进行设置。从而实现上层主控模块与现场数据进行实时监控和历史数据的查询。

图1 WiFi物联网智能水质监测系统

图2 WiFi物联网智能水质仪表

2 硬件电路设计

仪表的主控芯片采用意法半导体 ARM 系列芯片STM32F105RBT6，该控制器最大特色就是片内集成了很多丰富的片内资源如时钟、复位和电源管理、多个

DMA控制器、最多达11个定时器和13个通信接口等，并支持SWD和JTAG接口调试。芯片由3.3 V电压供电，通过内部PLL设置其最高工作频率可以达到72 MHz，并且片内集成12位逐次逼近型A/D转换器。最多可以支持测量 16 个外部信号源，各通道 A/D 转换均可以单次或者扫描模式执行，转换后的数据结果存储在 16 位数据寄存器中。芯片外围电路设置包括晶振模块、显示电路、WiFi通信电路和存储电路等，用于满足智能仪表的实际使用功能。

WiFi 模块采用嵌入式组件HF⁃A11，该嵌入式WiFi模组提供一种把 UART/以太网/GPIO 等接口数据转到WiFi 接口的解决方案。通过 HF ⁃ A11 模组，STM32F105RBT6可以通过串口通信方式很方便地接入WiFi 无线网络，从而实现物联网控制与管理。HF⁃A11嵌入式模组内部集成了WLAN MAC、基带处理、射频前端等硬件，软件提供完整的IEEE 802.11 b/g/n WLAN协议、TCP/IP 协议、配置管理等协议。在系统编程时无需了解 WiFi 相关标准与协议，便可很快地实现水质智能仪表的无线解决方案，其硬件电路如图3所示。

图3 STM32与WiFi电路的连接

为了防止p H传感器极化，pH值检测电路必须具有很高的输入阻抗，以减少电流流过 pH 值传感器所产生的压降，在运放的正负输入端加上电压跟随其以提高输入阻抗。由于电极采样输出电压为±500 mV，为此在输出时增加参考电压 Vref。考虑到输入阻抗的平衡，其中R13＝R14，R12＝R15，R19＝R20；考虑到在实际应用过程中pH值信号比较容易受干扰，在放大电路的后端增加了滤波

电路，如图4所示。

图4 pH值检测电路

经过后期测试曲线表明，输入信号和输出信号成良好的线性关系，满足智能仪表的设计要求。

实际电路中采用传感器自带的PT100温度传感器，当温度为 0 ℃时它的阻值为 100 Ω，在 100 ℃时它的阻值约为 138.5 Ω，利用 PT100 的这一特性来实现温度与输出值之间的转化。

溶氧仪实用的膜电极有两种类型：极谱型（Polarog-raphy）和原电池型（Galvanic Cell）。极谱型传感器阴阳两极间加 0.735 V 左右的极化电压后，渗透过薄膜的氧在阴极上还原，由于电极上发生氧化还原反应，电子的转换产生了正比于样品中氧分压的电流。有氧时，溶解氧浓度以电流的形式被送入调理电路。极谱型相比原电池型传感器使用寿命更长、精度更高，更加符合用户的利益。在实验中选取的是极谱型的膜电极。电路主要由两级放大器和滤波器两个部分构成，实际电路中选择前置放大器采用高阻抗的CA3140EZ放大器进行信号采集

以防止信号衰减，并进行电流的第一级放大，第二级采用OP07进行滤波放大。受温度的影响，溶解氧电极输出的电流也是逐渐增大的，因此在实际使用中还需要对测量结果进行温度补偿。

3 系统软件设计

本文在程序设计时采用了模块化设计方法，将控制器所要完成的功能分由模块编写和调试，分开单独调试后，将各个模块联调。整个软件主要由 2 个部分组成：系统主程序、任务子程序。系统主程序负责任务调度，任务子程序实现系统各个子功能。主程序负责系统初始化，按流程选择执行各子模块程序，完成系统控制任务。系统的软件部分主要分为两部分，分别是嵌入式μC/OS-Ⅱ 操作系统内核和应用程序软件，如图5所示。

图5 控制软件流程图

4 实验结果

本文通过监控数据分析水质中pH、溶解氧和温度等参数，将实验数据列举在表1中，智能仪表实物如图6所示。

通过与标准仪器比较，测量值均能够满足实际需求，试验过程中 WiFi 传输距离在 20 m 以上，通过增加WiFi外置天线效果更好。

表1 实验数据表对比分析

仪表实测数据

主控模块接收值

参数

标准值

实测值

相对误差

接收值

相对误差

溶解氧13.6 ℃

/(mg/L)

pH值

13.6 ℃

温度 /℃

7.6

7.8

6.1

8.2

4.8

6.9

9.6

7.3

12.3

13.6

14.9

10.5

7.61

7.83

6.13

8.18

4.78

6.89

9.62

7.31

12.38

13.64

14.88

10.46

0.01

0.03

-0.02

-0.01

0.02

0.01

0.08

0.04