馬文輝+何志琴

【摘 要】水質(zhì)監(jiān)測是水資源管理與保護(hù)的重要基礎(chǔ)，是保護(hù)水環(huán)境的重要手段。本文設(shè)計了一種基于風(fēng)光互補和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，首先介紹了系統(tǒng)整體設(shè)計方案，然后對系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行分析，最后對水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件的設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】水質(zhì)監(jiān)測；風(fēng)光互補；無線傳感網(wǎng)絡(luò)

【Abstract】Water quality monitoring is an important basis for water resources management and protection， and is an important means to protect water environment. This paper describes the design of a water quality monitoring system is based on Wind-solar？Hybrid and wireless sensor network， First of all， the overall design of the system is introduced， and then the working principle of the system is analyzed. Finally， the hardware and software of the water quality monitoring system are designed.

【Key words】Water quality monitoring； Wind-solar Hybrid； Wireless Sensor Network

0 引言

傳統(tǒng)的河流水質(zhì)監(jiān)測需耗費大量的物力和人力，對一些地理條件較差，交通不便的河道地區(qū)，需要監(jiān)測人員長期駐守管理，給檢測過程帶來諸多不便[1-3]。因而，建立水質(zhì)參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，對河流環(huán)境中的溫度、溶解氧、pH值等影響水生物生存的因素進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)控，將成為提高河流水質(zhì)水平的一個重要部分。

1 能源自給性水質(zhì)檢測系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)構(gòu)成包括：電源模塊、傳感器檢測模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。電源模塊的設(shè)計包括太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、鋰電池、風(fēng)光互補控制器以及DC/DC升降壓電路。當(dāng)陽光照射太陽能電池或者風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓并通過風(fēng)光互補控制器轉(zhuǎn)給鋰電池充電[4-5]，鋰電池通過DC/DC升降壓電路轉(zhuǎn)換為電壓滿足系統(tǒng)各部分供電要求。傳感器檢測部分包括溶解氧、PH和溫度傳感器，由于部分傳感器如溶解氧傳感器和PH探頭采集的數(shù)據(jù)較微弱，且自身的內(nèi)阻很大，因此需要設(shè)計調(diào)理放大電路處理其輸出信號，然后輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理。控制器由MSP430F149及其外圍電路構(gòu)成?？刂破髫?fù)責(zé)對傳感器檢測部分采集到的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行處理，并控制整個系統(tǒng)正常有序地工作。數(shù)據(jù)傳輸模塊包括Zigbee無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和GPRS模塊，檢測節(jié)點通過Zigbee模塊把采集的水質(zhì)參數(shù)傳輸至匯聚節(jié)點，考慮到匯聚節(jié)點到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的距離較遠(yuǎn)，Zigbee模塊無法進(jìn)行長距離傳輸，因而采用GPRS模塊將水質(zhì)參數(shù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心。遠(yuǎn)程控制中心由上位機(jī)構(gòu)成，采用C#編寫監(jiān)控界面，能夠?qū)崿F(xiàn)對檢測到的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行實時顯示、保存，便于分析。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

（1）數(shù)據(jù)采集模塊：

溫度傳感器選用PT1000，測量精度為0.1℃。PT1000是鈾熱電阻，在零攝氏度時，PT1000阻值為1000歐姆，它的阻值會隨著溫度上升而勻速增長，整體呈線性變化。

由于溫度對溶解氧會產(chǎn)生影響，故選用帶有溫度補償?shù)膫鞲衅?。選取YCS-2000溶解氧傳感器，測量范圍為0～20mg/L，測量精度：0.1mg/L，溫度補償為0～40℃。傳感器輸出電壓范圍為0～200mV，輸出信號經(jīng)過放大電路后接入單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，信號放大器采用OP07運算放大器。

pH復(fù)合電極的測量范圍：0～14，測量精度：0.02。由于其輸出信號是毫伏級別的電壓信號，因而需要利用放大調(diào)理電路對傳感器輸出信號進(jìn)行處理，才能輸入單片機(jī)，放大器采用OP07運算放大器，提高測量電路的輸入阻抗，進(jìn)行濾波放大。

（2）DC/DC升降壓電路

升降壓模塊分別采用LM1117-3.3V和LM7805兩塊穩(wěn)壓芯構(gòu)成的穩(wěn)壓電路為MSP430F149和檢測部分、無線通信部分提供穩(wěn)定的3.3V和5V電壓。

（3）數(shù)據(jù)處理模塊

本系統(tǒng)核心處理器16位MSP430F149單片機(jī)，依托其超低功耗、強大的數(shù)據(jù)處理能力等特性，可以對風(fēng)光互補輸入信號進(jìn)行有效的處理。MSP430F149單片機(jī)具有12位高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)對輸入信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換。此外，單片機(jī)系統(tǒng)還要對GPRS模塊進(jìn)行編程控制，完成連接網(wǎng)關(guān)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

（4）數(shù)據(jù)傳輸模塊

Zigbee設(shè)備選用TI公司生產(chǎn)的CC2530模塊，其工作溫度為-40℃～125℃，靈敏度為-110dBm，頻率為2.4G。傳感器檢測節(jié)點將檢測到得水質(zhì)參數(shù)輸入單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換之后，經(jīng)過路由節(jié)點，傳輸至匯聚節(jié)點，完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的短距傳輸。

GPRS模塊選用型號為USR-GPRS232-730，工作電壓約5V，該模塊同時擁有RS232和RS485兩種接口，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

遠(yuǎn)程控制中心主要由上位機(jī)構(gòu)成，MSP430F149單片機(jī)通過RS232或RS485接口同上位機(jī)進(jìn)行通信，上位機(jī)界面采用C#進(jìn)行編寫能夠?qū)崿F(xiàn)對水質(zhì)參數(shù)的實時顯示和保存，有利于問題分析，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種能源自給性遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，綜合考慮實際應(yīng)用的需要，綜合利用風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)等搭建了一個遠(yuǎn)程水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)，這對保護(hù)河流水質(zhì)安全、提升河流水質(zhì)質(zhì)量以及預(yù)防河流污染，保護(hù)河流環(huán)境具有重要意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張國杰，陳凱，顏志剛，王文豪.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)研究[J]. 機(jī)電工程，2016（03）：366-372.

[2]李繼安.面向水質(zhì)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)化與綜合評估研究[D].華中科技大學(xué)，2014.

[3]趙敏華，李莉，呼娜.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)工程，2014（02）：92-96.

[4]王濤.小型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)控制器的研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[5]黃晶忠.小型獨立運行的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)[J].中國西部科技，2008（04）：24-26.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]