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基于嵌入式物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水質(zhì)檢測系統(tǒng)設(shè)計*

2020-12-21 05:43唐明佳田孝文周子鵬
關(guān)鍵詞:下位串口單片機

唐明佳,田孝文,周子鵬

(吉首大學物理與機電工程學院,湖南 吉首 416000)

目前,水源地的水質(zhì)檢測主要依靠人工操作,檢測周期短則1個星期,多則1個月.而我國幅員遼闊,水域眾多,人工檢測難以及時預(yù)防和處理突發(fā)的水污染問題.為了解決這個問題,筆者研發(fā)了一套基于微控制器STM32的水質(zhì)檢測系統(tǒng).采用該系統(tǒng)進行水質(zhì)檢測,可以實時回傳并分析檢測數(shù)據(jù),方便對污染區(qū)域作早期治污處理,避免發(fā)生重大環(huán)境污染事件.

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

本系統(tǒng)主要分為上位機和下位機兩部分,其總體框架設(shè)計如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計Fig. 1 Overall Framework Design of the System

上位機由服務(wù)器、手機APP和Web客戶端組成;下位機的主要組成為STM32微控制器、GPS定位模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊和水質(zhì)檢測參數(shù)相關(guān)的模塊等.

下位機中,通過pH值檢測模塊、溫度檢測模塊、TDS檢測模塊,采集水的pH值、溫度值、水中溶解性固體總量(TDS)等數(shù)據(jù)并傳輸給STM32單片機,GPS定位模塊提供位置信息.將整理好的數(shù)據(jù)按照預(yù)定的協(xié)議格式通過物聯(lián)網(wǎng)模塊發(fā)送至附近的移動基站,最終傳輸至服務(wù)器進行存儲和管理.上位機中的手機APP、Web端通過訪問服務(wù)器可以獲取實時數(shù)據(jù)和相關(guān)的歷史數(shù)據(jù),再由統(tǒng)計圖表獲取當前和之前某段時間內(nèi)的某一個地點的水質(zhì)情況.通過擴展,還可以查看感興趣的地區(qū)的水質(zhì)情況.

2 系統(tǒng)下位機設(shè)計

2.1 下位機測量模塊硬件設(shè)計

下位機測量端硬件主要包括pH值檢測采集傳感器模塊[1]、DS18B20溫度傳感器模塊[2]和TDS水質(zhì)檢測模塊[3].

pH值檢測模塊工作時,將pH值電極放入水中,另一頭經(jīng)BNC插口輸出電壓信號至放大器并將信號放大,信號最終接入單片機的ADC通道;單片機通過AD轉(zhuǎn)換即可讀出不同pH值對應(yīng)的電壓值,從而獲取水的pH值.

測溫模塊為DS18B20數(shù)字溫度傳感器探頭不銹鋼封裝防水型.美國Dallas半導體公司生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20,采用導熱性高的密封膠灌封,保證了溫度傳感器的高靈敏性,溫度延遲小,同時支持單總線(1-Wire)通信,可以很好地兼容單片機.測量溫度范圍-55~125 ℃,精度±0.5 ℃.在檢測水溫時,溫度探頭放入水中,與水充分接觸,另一端電源接+5 V和GND,信號線接單片機的GPIO口,與DS18B20模塊進行單總線通訊,讀取溫度值.

TDS水質(zhì)檢測采用的是TDS水質(zhì)檢測探頭和BA01芯片組合而成的模塊.BA01是一款檢測TDS的專用芯片,內(nèi)部集成高精密振蕩電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和浮點運算單元.將檢測探頭放入水中,另一頭連接BA01芯片電路,探頭傳回信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,然后通過串口通信發(fā)送給單片機,從而得到TDS值.

2.2 下位機控制模塊硬件設(shè)計

控制芯片采用的是ST(意法半導體)公司的STM32F103R8T6芯片,它是STM32F103系列中高性能、高配置Cortex-M3內(nèi)核32位處理器,主頻72 MHz,封裝LQFP64,片內(nèi)FLASH容量64 kB,SRAM容量20 kB.STM32F103R8T6芯片自帶2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換時間1 μs,輸入通道21個,轉(zhuǎn)換范圍0~3.6 V.本設(shè)計采用ADC1通道1讀取pH值模塊輸出的電壓信號,能完全滿足要求.此外,該芯片集成3個串口.串口1用于讀取TDS水質(zhì)檢測模塊的數(shù)據(jù),串口2用于將各個模塊讀取的數(shù)據(jù)發(fā)送給SIM800A模塊,串口3用于讀取GPS定位模塊的數(shù)據(jù).STM32F103R8T6芯片的原理圖如圖2所示.

圖2 STM32F103R8T6芯片的原理圖Fig. 2 Schematic Diagram of STM32F103R8T6 Chip

2.3 下位機電源模塊硬件設(shè)計

電源模塊通過鋰離子電池組進行供電,總電壓達到11.1 V.因為STM32單片機額定電壓+3.3 V,DS18B20測溫模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊、pH值檢測模塊和TDS檢測模塊的額定電壓+5 V,所以必須通過穩(wěn)壓芯片為各個模塊提供合適且穩(wěn)定的電壓.電平轉(zhuǎn)換通過ASM1117穩(wěn)壓芯片輸出穩(wěn)定的+3.3 V電壓,通過LM2940穩(wěn)壓芯片輸出穩(wěn)定的+5.0 V電壓,即可滿足要求.

2.4 下位機定位模塊設(shè)計

下位機定位模塊采用的是一款高精度RTK定位產(chǎn)品(RTK-MOUSE),定位精度可達到亞米級.支持GSM850,EGSM900,DCS1800,PCS1900多頻段通訊,能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計需求.

定位模塊集射頻、基帶、功耗管理單元、功率放大器和天線于一體,可通過GPRS網(wǎng)絡(luò)或本地串口獲取RTK高精度位置信息.設(shè)備配有數(shù)據(jù)線、防水外殼(56)、固定用螺絲孔,具有體積小、安裝使用方便和便于集成等特點.內(nèi)置天線,支持GPS和北斗定位信息.供電電源電壓+5 V,默認串口波特率115 200 bps,冷啟動低于28 s,熱啟動低于3 s,響應(yīng)快速.定位模塊實物如圖3所示,調(diào)試界面如圖4所示.

2.5 下位機數(shù)據(jù)發(fā)送模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)發(fā)送采用SIM800A物聯(lián)網(wǎng)模塊.SIM800A是SIMCOM公司推出的一款高性能工業(yè)級雙頻GSM/GPRS模塊,工作頻段雙頻為GSM90/1 800 MHz.SIM800A可以低功耗實現(xiàn)語音、DTMF、SMS(短信/彩信)、GPRS數(shù)據(jù)的傳輸,廣泛應(yīng)用于智能家居、智能集抄系統(tǒng)和遠程監(jiān)控等.本設(shè)計主要利用SIM800A的GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能.SIM800A模塊與單片機相連,通過串口將檢測到的數(shù)據(jù)按照預(yù)定格式發(fā)送給SIM800A模塊,SIM800A模塊通過已激活的SIM卡,利用GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能將數(shù)據(jù)發(fā)送到附近的移動基站,經(jīng)移動基站再發(fā)送到服務(wù)器,供上位機查詢、計算和處理等.

圖3 定位模塊實物Fig. 3 Physical Positioning Module

圖4 調(diào)試界面Fig. 4 Debugging Interface

2.6 下位機軟件部分設(shè)計

下位機軟件系統(tǒng)設(shè)計采用C語言,開發(fā)平臺為Keil 5.0,軟件源代碼編譯成功之后通過ST-LINK下載器下載到單片機中.下位機模塊上電之后,單片機進入主函數(shù),先初始化各個模塊,再進入主循環(huán),依次從pH值檢測模塊、測溫模塊、TDS模塊獲取測得的數(shù)據(jù),并進行格式轉(zhuǎn)換、打包,經(jīng)串口發(fā)送給SIM800A模塊,最終通過SIM800A模塊發(fā)送至附近的基站.下位機軟件設(shè)計程序結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 下位機軟件設(shè)計程序結(jié)構(gòu)Fig. 5 Lower Computer Structure Software

3 系統(tǒng)上位機設(shè)計

3.1 上位機數(shù)據(jù)查詢設(shè)計

手機APP、Web端通過TCP/IP通信協(xié)議與Tomcat服務(wù)器交互,獲取下位機各模塊采集的數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行儲存、分析,再形成圖表展現(xiàn).服務(wù)器會存儲水質(zhì)檢測數(shù)據(jù),用戶通過客戶端的數(shù)據(jù)搜索功能訪問MySQL數(shù)據(jù)庫,就可查詢指定時間段的水質(zhì)情況.手機APP客戶端界面如圖6所示,Web客戶端如圖7所示.

3.2 上位機GPS定位設(shè)計

Web端通過TCP/IP協(xié)議從Tomcat服務(wù)器獲取下位機GPS模塊定位的經(jīng)緯度數(shù)據(jù),將經(jīng)緯度數(shù)據(jù)存儲至MySQL數(shù)據(jù)庫.然后調(diào)用百度地圖API,采用反地理編碼方法確定下位機數(shù)據(jù)采集點位置,實現(xiàn)精準定位.GPS定位如圖8所示.

圖6 手機APP客戶端界面Fig. 6 Mobile APP Client Interface

圖7 Web客戶端界面Fig. 7 Web Client Interface

圖8 GPS定位Fig. 8 GPS Positioning

3 結(jié)語

隨著人口的快速增長,人類的日常活動導致地表、地下水體的水質(zhì)急劇惡化,做好水體水質(zhì)的實時性、準確性檢測至關(guān)重要.本系統(tǒng)能夠基本完成水質(zhì)的自動化檢測,讓相關(guān)人員的工作效率得到提升,但是也存在一些缺陷.例如,在沒有移動信號覆蓋的偏遠地區(qū),數(shù)據(jù)回傳是個難題,獲取數(shù)據(jù)之后,后臺目前只能做一些簡單的圖表分析,專業(yè)的分析方法還沒有導入.這些都是筆者下一步的研究方向.

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