張娜 楊永輝

摘要：為了提高水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中pH值的采樣精度，并解決定時(shí)定點(diǎn)采集數(shù)據(jù)耗費(fèi)人力物力問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。首先，為了提高pH值的測(cè)量精度，硬件電路上使用AD8603進(jìn)行前級(jí)調(diào)理，AD7792進(jìn)行高精采樣，軟件設(shè)計(jì)上采用中值濾波和滑動(dòng)濾波算法。其次，搭建水質(zhì)監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee傳輸?shù)街鳈C(jī)，在經(jīng)由GPRS發(fā)送到服務(wù)器，用戶使用手機(jī)APP或Weh可以遠(yuǎn)程監(jiān)控每臺(tái)設(shè)備的數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，所提方法提高了監(jiān)測(cè)設(shè)備的pH值測(cè)量精度，監(jiān)控平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)監(jiān)測(cè);pH值精度;物聯(lián)網(wǎng);服務(wù)器平臺(tái);數(shù)據(jù)傳輸;遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TN931+.3-34;TP277

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X（ 2019） 24-003 8-04

0 引言

水是人類生存息息相關(guān)的重要資源，無(wú)論是飲用水還是養(yǎng)殖用水，水質(zhì)的好壞直接影響人類的生產(chǎn)和生活[1]。尤其近年來(lái)重大水質(zhì)污染事件頻發(fā)[2]，水質(zhì)狀況不容樂(lè)觀，因此，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確掌握水質(zhì)參數(shù)狀況顯得十分重要[3]。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法存在諸多問(wèn)題，如采集精度低[4]，數(shù)據(jù)查看方式不靈活，需要固定人員定時(shí)巡檢，人工記錄數(shù)據(jù)，工作量大且存在人為因素誤差等。

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)信息實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)?？梢酝ㄟ^(guò)本地LCD彩屏、手機(jī)APP、Web網(wǎng)頁(yè)客戶端三種方式在線查看水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)置報(bào)警閾值。

1 系統(tǒng)架構(gòu)概述

水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集終端、服務(wù)器和客戶端三部分組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)主要利用傳感器測(cè)量水系統(tǒng)中水的pH值、溫度、液位高度、水流速這些指標(biāo)，數(shù)據(jù)采集終端將主、從機(jī)傳感器采集到的數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)包，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器[5]，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中。用戶可以通過(guò)手機(jī)APP或者Web客戶端訪問(wèn)服務(wù)器，接收或查看監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的報(bào)警閾值。服務(wù)器每隔30 min向手機(jī)APP推送數(shù)據(jù)信息，水質(zhì)參數(shù)異常時(shí)服務(wù)器則立刻向手機(jī)推送報(bào)警信息，手機(jī)端以通知欄消息形式進(jìn)行報(bào)警。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端由主機(jī)和從機(jī)組成，主從機(jī)差別為是否有GPRS聯(lián)網(wǎng)功能。主機(jī)硬件電路由電源管理電路、GPRS模塊電路、ZigBee/CAN組網(wǎng)電路、傳感器采集電路、人機(jī)交互電路等組成。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.1 電源管理電路

由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)經(jīng)常布置在偏遠(yuǎn)地區(qū)，只采用市電供電，當(dāng)停電時(shí)系統(tǒng)會(huì)停止工作，不能保證監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。為解決這一問(wèn)題，以TP5410電池管理芯片為核心設(shè)計(jì)了電源管理電路。當(dāng)外部停電時(shí)自動(dòng)切換到內(nèi)部3.7 V鋰電池繼續(xù)供電。使用TL431設(shè)計(jì)了掉電監(jiān)測(cè)電路，監(jiān)控DC 12 V電源輸入，電源停止輸入后進(jìn)行斷電報(bào)警，如圖3所示。

2.2 主從機(jī)組網(wǎng)電路設(shè)計(jì)

主從機(jī)之間可以通過(guò)CAN總線或ZigBee方式組網(wǎng)。使用有線組網(wǎng)時(shí)，總線損壞或者串人高電壓，有可能影響總線上的其他設(shè)備[6]。為了避免此類情況發(fā)生，設(shè)計(jì)了CAN總線電磁隔離電路，將總線驅(qū)動(dòng)與MCU斷開(kāi)電氣連接，降低因總線損壞對(duì)其他設(shè)備的影響，如圖4所示。

2.3 GPRS模塊電路設(shè)計(jì)

由于水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)需求量大，考慮到網(wǎng)絡(luò)流量和模塊成本，這里選擇安信可公司的A6 GPRS模塊，該模塊支持物聯(lián)網(wǎng)卡，價(jià)格低廉。由于A6模塊開(kāi)機(jī)時(shí)連接網(wǎng)絡(luò)峰值電流很高，所以直接通過(guò)串聯(lián)二極管降壓。

2.4 pH值調(diào)理電路

由于pH電極自身內(nèi)阻較大，容易產(chǎn)生失調(diào)誤差，因此采用AD8603進(jìn)行前級(jí)調(diào)理，如圖5所示。AD8603具有較低輸入偏置電流，典型值為200 fA，電極內(nèi)阻為250 MΩ時(shí)，根據(jù)能斯特方程，誤差為0.05 mV（0.000 85 PH）。因此，該調(diào)理電路能夠有效地提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。能斯特方程為：式中：E為氫電極電壓，活性未知;a=+30 mV為零點(diǎn)容差;T為環(huán)境溫度（單位：℃）;n=1價(jià)（25℃）;F=96 485為法拉第常數(shù);R=8.314為阿伏加德羅氏數(shù);pH為未知溶液的氫離子濃度;PHiso=7為參比氫離子濃度。

由于pH電極輸出為雙極性，而A/D轉(zhuǎn)換芯片為單極性供電，因此，應(yīng)將傳感器的輸出電壓偏置到地以上。采用AD7792特有的210 μA恒流源流過(guò)5 kΩ 0.1%精密電阻，來(lái)產(chǎn)生偏置電壓，該偏置電壓還同時(shí)作為AD7792的基準(zhǔn)電壓。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序由數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端、云服務(wù)器端、手機(jī)APP/Web客戶端三部分組成。硬件終端主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器。用戶通過(guò)客戶端將報(bào)警閾值寫(xiě)入到服務(wù)器中。服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到監(jiān)測(cè)終端，達(dá)到在線設(shè)置報(bào)警閾值的目的。

3.1 監(jiān)測(cè)終端軟件程序設(shè)計(jì)

由于監(jiān)測(cè)終端從機(jī)軟件設(shè)計(jì)與主機(jī)類似，這里以主機(jī)軟件設(shè)計(jì)為例。首先初始化系統(tǒng)參數(shù)，確定從機(jī)組網(wǎng)模式，然后開(kāi)始連接云端服務(wù)器，由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和信號(hào)強(qiáng)度問(wèn)題，可能造成連接服務(wù)器失敗，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)重新連接，當(dāng)超出最大連接次數(shù)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。

系統(tǒng)啟動(dòng)后每1 min周期性采集主機(jī)和從機(jī)的傳感器數(shù)據(jù)[7]。讀到的傳感器數(shù)據(jù)與設(shè)置的報(bào)警閾值進(jìn)行比較，如果超出閾值馬上將報(bào)警信息發(fā)送到服務(wù)器，并聲光報(bào)警，提醒巡檢人員。在沒(méi)有報(bào)警信息時(shí)，30 min推送一次采集到的數(shù)據(jù)。為了確保主機(jī)與服務(wù)器能實(shí)時(shí)連接，定時(shí)向服務(wù)器發(fā)送心跳包，防止鏈接斷開(kāi)。通過(guò)人機(jī)交互界面可以對(duì)終端設(shè)備的溫度、pH值進(jìn)行標(biāo)定和補(bǔ)償，也可以對(duì)離線狀態(tài)下的設(shè)備進(jìn)行對(duì)報(bào)警門(mén)限、時(shí)間等的設(shè)置。

主機(jī)程序流程圖如圖6所示。

3.2 手機(jī)APP軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)APP以Android操作系統(tǒng)作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用Java編程語(yǔ)言[8]，使用消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（Message Queu-ing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議[9]。程序設(shè)計(jì)主要包括用戶管理、設(shè)備管理兩大功能模塊。手機(jī)APP工作流程如下：注冊(cè)新用戶，注冊(cè)成功后填寫(xiě)用戶名和密碼登錄;添加監(jiān)測(cè)設(shè)備，輸入主機(jī)屏幕首頁(yè)顯示的24位設(shè)備ID，即可添加對(duì)應(yīng)設(shè)備到該用戶，長(zhǎng)按設(shè)備名進(jìn)人參數(shù)閾值設(shè)置頁(yè)面，設(shè)置完成點(diǎn)擊確定將閾值信息更新至服務(wù)器。

手機(jī)APP界面如圖7所示。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

服務(wù)器提供用戶與終端之間數(shù)據(jù)綁定、轉(zhuǎn)發(fā)、存儲(chǔ)和查詢等服務(wù)，其核心是數(shù)據(jù)庫(kù)。在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中建立user- name，user_devices和sensor_data三個(gè)表。us-er- name管理系統(tǒng)用戶信息，包括新用戶注冊(cè)、登錄、重命名等;user_devices管理用戶與監(jiān)測(cè)終端的對(duì)應(yīng)關(guān)系，包括用戶對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的增、刪、改等操作[10];sen-sor_data管理監(jiān)測(cè)終端數(shù)據(jù)信息，包括設(shè)備號(hào)、上傳時(shí)間、具體參數(shù)值等信息。服務(wù)器平臺(tái)工作運(yùn)行環(huán)境如圖8所示。

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

系統(tǒng)在某大型池塘中進(jìn)行了測(cè)試，取連續(xù)7 h pH值數(shù)據(jù)和一個(gè)月內(nèi)每日上午10：00數(shù)據(jù)，分別驗(yàn)證系統(tǒng)的精確度與穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)匯總后如圖9所示。經(jīng)計(jì)算，pH值的平均相對(duì)偏差低于0.7%。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠。監(jiān)測(cè)終端實(shí)物圖見(jiàn)圖10。5結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，解決了pH值測(cè)量精度低、數(shù)據(jù)接收方式不靈活等問(wèn)題。用戶可以通過(guò)日常使用的手機(jī)實(shí)時(shí)掌握監(jiān)測(cè)區(qū)域水質(zhì)情況。目前，服務(wù)器平臺(tái)已經(jīng)在阿里云部署，相關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)主從機(jī)已經(jīng)量產(chǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：張娜（1991-），女，遼寧朝陽(yáng)人，碩士研究生，助教，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂啤?/p>

楊永輝（1971-），男，遼寧鞍山人，碩士生導(dǎo)師，教授，研究方向?yàn)橹悄芸刂啤?/p>