陳博行，馬 俊，方衛(wèi)強，劉承橋

(青海師范大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，青海 西寧 810008)

0 引言

隨著工業(yè)化和信息化進程的加快，自然資源過度開發(fā)利用，生產(chǎn)生活用水不斷增加[1]，致使地下水位下降、水污染加劇、自然災(zāi)害頻發(fā)，生態(tài)環(huán)境保護和治理問題日益突出[2]。如何對水環(huán)境作出科學(xué)、合理的評估，以保護人類生命財產(chǎn)安全，已經(jīng)成為當前水環(huán)境保護研究的熱點問題。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測大多采用人工實地采樣或串口通信的方式[3-4]，雖然可以在一定程度上解決以上問題，但存在覆蓋范圍低、布線難和成本高等缺點[5]，達不到預(yù)期的效果。本文以MSP430F149為控制核心，設(shè)計了一種水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以達到遠程實時監(jiān)測水環(huán)境信息的目的。該系統(tǒng)具有同步性好、體積小、成本低、操作簡單等特點。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。由圖1可知，系統(tǒng)由傳感器節(jié)點采集當前水環(huán)境的pH、溫度和渾濁度數(shù)據(jù)，通過GPRS將實時數(shù)據(jù)上傳至Internet后，經(jīng)服務(wù)器處理，發(fā)送至用戶手機客戶端，以達到遠程實時數(shù)據(jù)采集的目的。同時，系統(tǒng)在每個傳感器節(jié)點設(shè)計有RS-232串口，用于傳感器節(jié)點與計算機的實時交互。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計

2.1 傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點

傳感器節(jié)點由電源模塊、傳感器模塊、存儲模塊、調(diào)理電路、核心處理器和數(shù)據(jù)傳輸模塊組成[6]。傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳感器模塊包括pH、溫度和渾濁度傳感器。核心處理器選用MSP430F149芯片。該微控制器是由TI公司生產(chǎn)，具有低電壓、超低功耗和自帶12位A/D轉(zhuǎn)換等特點[7]。數(shù)據(jù)傳輸模塊采用RS-232串口和GPRS模塊。其中：GPRS模塊選用SIM900A模塊[8]，以實現(xiàn)無線傳輸功能。電源模塊由太陽能電池板與鋰電池組成，電壓選擇與穩(wěn)壓電路產(chǎn)生系統(tǒng)所需的±5 V電壓，可為系統(tǒng)在野外長時間穩(wěn)定工作提供電壓保障。此外，系統(tǒng)還增設(shè)了SD卡存儲模塊，以防止系統(tǒng)出現(xiàn)意外時造成的數(shù)據(jù)丟失。

圖2 傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

表1給出各傳感器主要參數(shù)[9]。

表1 傳感器主要參數(shù)

2.2 電源電路設(shè)計

針對數(shù)據(jù)采集終端需要長時間工作在野外的特點，設(shè)計如圖3所示的系統(tǒng)供電電路，以解決數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)野外工作時的系統(tǒng)掉電問題。

圖3 系統(tǒng)電源電路

考慮調(diào)理電路設(shè)計采用集成運放為OP07，該運放需要±5 V電源供電。因此，系統(tǒng)電源在設(shè)計時選用LM7805穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生穩(wěn)定的+5 V電壓，選用MC34063芯片產(chǎn)生的-5 V電壓，通過繼電器實現(xiàn)兩種供電方式的自動切換。在電路設(shè)計中，首先利用Multisim進行模擬仿真[10]，采用開關(guān)的閉合與打開模擬12 V與9 V電源兩種不同供電方式。仿真結(jié)果表明，兩種電源供電方式均可以得到穩(wěn)定的±5 V電壓。實際電路設(shè)計中：12 V電源可采用太陽能光伏板，9 V電源可采用鋰電池等。選用12 V工作電壓繼電器，當太陽能光伏板電壓低于12 V時，系統(tǒng)自動選擇鋰電池供電方式，以確保傳感器節(jié)點能夠長期穩(wěn)定工作。

2.3 調(diào)理電路設(shè)計

調(diào)理電路集成運放選用OP07，設(shè)計四級放大電路。第一級為電壓跟隨，用于提高輸入阻抗，同時避免前后級電壓干擾[11]；第二、三級均為反向放大電路，具有一階低通濾波作用，可避免將噪聲信號放大；第四級為二階有源低通濾波器，主要濾除噪聲信號，提高信號質(zhì)量。

假設(shè)所有電容開路，可得調(diào)理電路通帶放大倍數(shù)[12]為：

式中:Au為放大倍數(shù)。

在電路設(shè)計中，R5、R7為可變電阻，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，以增強調(diào)理電路的靈活性。

3 軟件設(shè)計

3.1 下位機程序設(shè)計

下位機采用MSP430F149作為主控芯片。該芯片具有超低功耗和靈活的時鐘系統(tǒng)，對系統(tǒng)下位機程序的設(shè)計主要是對MSP430F149的程序設(shè)計。程序開發(fā)環(huán)境選用IAR for 430，編程選用C語言。

程序設(shè)計采用模塊化編程。首先，分別完成對溫度、pH和渾濁度各個模塊的編程。以溫度為例，編寫程序包括MSP430F149的A/D轉(zhuǎn)換程序初始化和電壓值的獲取等。以下為溫度采集模塊部分程序。

if (usCRCVal != usBufferVal)

{

ucRet = 0;

}

else

{

usTemp = (uint16_t)(RxBuffer[3] << 8)| RxBuffer[4];

usPH = (uint16_t)(RxBuffer[5] << 8)| RxBuffer[6];

usTemp = Hex2Dec(usTemp,ValueTemp);

if (usTemp> 32767)

{

usTemp = 65536 - usTemp;

ucpStr[2] = '-';

}

else

{

ucpStr[2] = '+';

}}

SD卡模塊工作方式分為SD卡模式與SPI模式兩種。為減輕CPU工作負擔，本設(shè)計采用SPI總線工作模式。該總線模式下，讀取速度可達幾Mbit/s。對SD卡編程包括SPI函數(shù)的初試化，以及向SD卡發(fā)送CS片選與SCLK時鐘信號等[13]。待各模塊程序編寫完成后，在main函數(shù)中調(diào)用即可。下位機程序流程如圖4所示。

圖4 下位機程序流程圖

3.2 上位機軟件設(shè)計

LabVIEW是NI公司開發(fā)的主要用于儀器控制的編程軟件，其核心是采用數(shù)據(jù)流的圖形化編程方式，具有上手快、函數(shù)庫封裝度高以及編程周期短等優(yōu)點[14]，在工業(yè)設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用[15]。本文上位機程序采用LabVIEW編程，軟件設(shè)置有圖表顯示、動態(tài)實時顯示、數(shù)據(jù)保存、上限報警和查詢歷史等功能。

圖5為上位機軟件流程圖。程序首先進行初始化，設(shè)置各個控件的初試狀態(tài)以及為報警上限賦初值；其次是配置VISA串口接收下位機上傳采集數(shù)據(jù)，判斷是否進行數(shù)據(jù)保存，“是”則將采集數(shù)據(jù)保存為Excel文件，并以當前日期命名，以便用戶查看和分析數(shù)據(jù)。圖表顯示是將采集信息以波形圖表的形式顯示。X軸為時間軸，Y軸為幅值。用戶可以直觀地觀察水環(huán)境信息實時變化情況。上限報警是當采集數(shù)據(jù)超出設(shè)置的報警上限時，程序設(shè)置的報警信號燈點亮，提醒用戶采集參數(shù)異常。同時，上位機還設(shè)計了查詢歷史數(shù)據(jù)功能，當用戶輸入文件日期后，點擊查詢按鈕系統(tǒng)可現(xiàn)實歷史數(shù)據(jù)，供用戶分析。

圖5 上位機軟件流程圖

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)各部分開發(fā)完成后，在實驗室進行模擬測試。測試對象為自來水。將下位機與上位機通過RS-232串口連接。水質(zhì)監(jiān)測試驗數(shù)據(jù)分析曲線如圖6所示。

打開LabVIEW上位機軟件，系統(tǒng)上電，設(shè)置每間隔3 min上傳一次采集數(shù)據(jù)，將上位機保存的Excel數(shù)據(jù)在Origin2017中分析。由圖6可知，系統(tǒng)經(jīng)30 min測試后，溫度、pH值、渾濁度值變化范圍分別在0.5 ℃、0.3和0.2%內(nèi)，各組數(shù)據(jù)波動在可接受范圍，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

水質(zhì)監(jiān)測試驗數(shù)據(jù)分析曲線如圖6所示。

圖6 水質(zhì)監(jiān)測試驗數(shù)據(jù)分析曲線

5 結(jié)束語

本文采用MSP430F149，設(shè)計了一種水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對水溫、pH和渾濁度等水質(zhì)參數(shù)的采集；結(jié)合SIM900A，將采集數(shù)據(jù)以短信的方式發(fā)送至用戶手機端，可實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測；采用LabVIEW開發(fā)了系統(tǒng)上位機，并通過RS-232串口將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至LabVIEW上位機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，為系統(tǒng)調(diào)試提供了便利。電源電路可以實現(xiàn)太陽能光伏供電與鋰電池供電自動轉(zhuǎn)換。模擬仿真結(jié)果表明，兩種供電模式下均可產(chǎn)生穩(wěn)定的±5 V電壓，為系統(tǒng)在野外穩(wěn)定工作提供電源保障。同時，采用SD卡存儲模式，可避免系統(tǒng)出現(xiàn)突發(fā)狀況時引發(fā)數(shù)據(jù)丟失。最后，在實驗室對該水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行試驗。試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有適用范圍廣、可靠性高和運行穩(wěn)定等特點。

該系統(tǒng)在一定程度上實現(xiàn)了對水質(zhì)環(huán)境的現(xiàn)場和遠程實時監(jiān)測，但仍存在不足之處。后續(xù)研究可在此基礎(chǔ)上，增加采集參數(shù)、設(shè)計自組織網(wǎng)、加入云服務(wù)等；同時，可針對地域環(huán)境需要，設(shè)計適應(yīng)性更好的水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點架構(gòu)。