黃漢卿，徐 建，劉 佳，蘇和平，彭世賢

（湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000）

近年來，我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的發(fā)展導(dǎo)致水污染的范圍不斷擴(kuò)散，程度也不斷加深。許多城市出現(xiàn)水質(zhì)的富營養(yǎng)化、鐵錳超標(biāo)等問題，因此對水質(zhì)監(jiān)測的工作提出了更高的要求。pH，電導(dǎo)率，溫度，濁度和溶解氧是影響水質(zhì)的關(guān)鍵因素，而傳統(tǒng)的水質(zhì)檢測主要是依靠經(jīng)驗或者化學(xué)試劑來進(jìn)行檢測，這些方法既浪費(fèi)了大量的人力、物力和財力，又不能對被檢測區(qū)域進(jìn)行實時的監(jiān)測。隨著物聯(lián)網(wǎng)和傳感器的快速發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也被應(yīng)用在水質(zhì)監(jiān)測方面。系統(tǒng)通過傳感器將水質(zhì)參數(shù)轉(zhuǎn)換成易于處理和傳輸?shù)碾娦盘枺ㄟ^GPRS完成數(shù)據(jù)的傳輸，滿足水質(zhì)監(jiān)測的實時性和準(zhǔn)確性的要求，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

無線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)以Cotex M4為主控制器，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GPRS無線傳輸技術(shù)對被檢測水域的pH，溫度，濁度，溶氧，電導(dǎo)率這些參數(shù)進(jìn)行采集和實時管理，系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)調(diào)理部分、無線數(shù)據(jù)傳輸部分和監(jiān)測終端4部分組成。系統(tǒng)的總體框如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分是數(shù)據(jù)的采集和傳輸，利用GPRS模塊建立起自組織網(wǎng)絡(luò)，并通過網(wǎng)關(guān)完成不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸，傳感器模塊和Cotex M4控制器是組成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵部分，對水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和匯總。最后以數(shù)據(jù)包的形式通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，最后移動通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫，方便監(jiān)管部門進(jìn)行統(tǒng)一管理。同時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)能對工廠排污是否超標(biāo)提供可靠的依據(jù)，當(dāng)被監(jiān)測水域出現(xiàn)污染時系統(tǒng)馬上啟動聲光報警裝置。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計

傳感器節(jié)點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集的核心組成部分，系統(tǒng)需要對被監(jiān)測水域的pH，溶氧，溫度，電導(dǎo)率，濁度等多種參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因此需要各種不同類型的傳感器。系統(tǒng)放置多個傳感器節(jié)點(diǎn)，對不同位置的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[1]。將采集得到的物理信息轉(zhuǎn)換成電信號，然后通過AD轉(zhuǎn)換電路將原模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后通過放大、濾波電路調(diào)理之后傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)的存儲器中，每隔一段時間將不同節(jié)點(diǎn)數(shù)字信息傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯總處理。傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2.2 溶氧參數(shù)采集模塊設(shè)計

本系統(tǒng)采用薄膜電極法來測量水中氧氣的溶解量，采用DO-952型溶解氧電極。其陰極由4 mm的黃金片組成，陽極參比電極為銀片，兩極之間充以電解液。當(dāng)兩極之間加0.7 V左右的極化電壓后，通過化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生氧分壓電流，無氧時，兩極之間沒有電流，有氧時，溶解氧會以電流的方式被送入調(diào)理電路[2]。

溶解氧檢測電路設(shè)計如圖3所示。激勵源采用+12 V供電，D1為2.5 V穩(wěn)壓，將輸出的電流信號進(jìn)行兩級放大，由于電極的內(nèi)阻比較大，因此前置放大器需要采用具有較高輸入阻抗的CA3410直流運(yùn)算放大器防置信號的衰減，并進(jìn)行電流的一級放大，第二級采用TL082進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換，并調(diào)理到單片機(jī)能夠處理的電壓范圍[3]。

圖3 溶氧檢測電路設(shè)計

2.3 電導(dǎo)率參數(shù)采集模塊設(shè)計

電導(dǎo)率的檢測目前市場上并沒有推出集成的傳感器模塊[4]，因此本系統(tǒng)采用的是電極測量法來測量電導(dǎo)率，利用MAX038產(chǎn)生正弦波激勵信號，然后將產(chǎn)生的正弦波信號加到相互絕緣的兩個電極上，通過測量兩極的電壓和通過兩極的電流的有效值，利用電流的有效值除以電壓的有效值就等于電導(dǎo)率。該方法實現(xiàn)起來比較簡單，測量數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。電導(dǎo)率檢測電路如圖4所示。

圖4 電導(dǎo)率檢測電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)組網(wǎng)軟件設(shè)計

當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)開始工作的時候，首先要完成系統(tǒng)組網(wǎng)過程。該過程由協(xié)調(diào)器完成，包含網(wǎng)絡(luò)初始化、網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)的配置和傳感器節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)3個步驟，協(xié)調(diào)器完成組網(wǎng)之后啟動網(wǎng)絡(luò)，并開始管理其他的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過信標(biāo)幀進(jìn)行任務(wù)的分配[5]。系統(tǒng)組網(wǎng)流程如圖5所示。

3.2 GPRS軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器之后，GPRS利用移動4G網(wǎng)絡(luò)把獲得的數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，相對于其他的通信方式而言，GPRS通信具有傳輸距離遠(yuǎn)、實時性好、可控性強(qiáng)等特點(diǎn)[6]。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)流程如圖6所示。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)結(jié)合了嵌入式技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及無線通信技術(shù)，實現(xiàn)了水質(zhì)參數(shù)的遠(yuǎn)距離監(jiān)測，解決了傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題和不足。系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，具有價格便宜、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。同時采用Cotex M4處理數(shù)據(jù)，GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能幫助監(jiān)管部門更加實時、高效地對被監(jiān)測水域進(jìn)行管理。

圖5 系統(tǒng)組網(wǎng)軟件流程

圖6 GPRS數(shù)據(jù)傳輸流程

[1]申慶祥，張宇華.生命周期最大化的無線水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)化研究[J].軟件工程，2017（9）：45-48.

[2]陳濤，楊帆，尹石鳴，等.多參數(shù)光伏式無線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)[J].水電與新能源，2016（11）：76-78.

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[6]趙薇.基于FPGA和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2014.