田 紅，李秉權(quán)，張亞彤

(1.蘭州城市供水(集團)有限公司，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué)機電技術(shù)研究所，甘肅 蘭州 730070)

水質(zhì)監(jiān)測是實現(xiàn)水資源保護與水污染控制的重要途徑?，F(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測裝置多由市電供電，為單一固定點監(jiān)測，相比較湖泊流域附近，鮮有可應(yīng)用于野外環(huán)境下，可準(zhǔn)確定位水質(zhì)異常的監(jiān)測系統(tǒng)[1]。國外在水質(zhì)監(jiān)測研究多基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控解決方案，如愛爾蘭的SmartCoast監(jiān)測系統(tǒng)是將傳統(tǒng)的單一測量改造成多傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動化檢測設(shè)備[2]，已應(yīng)用于部分湖泊流域中，得到了很好的應(yīng)用效果。但我國因地域分布廣，地形復(fù)雜等特點，水質(zhì)監(jiān)測需求大，且國內(nèi)外相關(guān)水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約不盡相同，所以全部引入國外技術(shù)是不現(xiàn)實的。而目前國內(nèi)僅對重點流域湖泊進行了水質(zhì)監(jiān)控，且系統(tǒng)體積龐大，不適用于偏遠地區(qū)等現(xiàn)實情況[3- 4]。本文介紹了一種太陽能水質(zhì)智能遠程監(jiān)測控制系統(tǒng)，以我國的水質(zhì)規(guī)約規(guī)范為開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，采用STM32嵌入式單片機為控制核心，結(jié)合驅(qū)動芯片控制繼電器，利用GPRS模塊為數(shù)據(jù)交互媒介，采用太陽能供電設(shè)備為系統(tǒng)提供正常工作電壓隨著物聯(lián)網(wǎng)以及嵌入式系統(tǒng)兩大前沿技術(shù)的發(fā)展。該系統(tǒng)能夠應(yīng)用于環(huán)境惡劣的野外，特別是在沒有常規(guī)電力供給的地方工作，能實現(xiàn)對水源水質(zhì)的定時分析，并能準(zhǔn)確、及時的切斷供給閥門或水閘等設(shè)備，防止污染水質(zhì)的進一步擴散，從而最大程度降低人身及財產(chǎn)損失。

1 總體方案

本文設(shè)計并實現(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)包括水質(zhì)監(jiān)測、閥門控制和無線通訊功能。其中以STM32嵌入式單片機作控制核心，搭配外圍元器件實現(xiàn)對水質(zhì)的智能監(jiān)控。太陽能供電設(shè)備由太陽能光伏陣列電池板、充放電控制器、蓄電池及DC-DC控制升壓電路組成。水質(zhì)監(jiān)測通常以溶解氧、濁度及pH值等參數(shù)值做為衡量水質(zhì)情況的標(biāo)準(zhǔn)[5]，因此水質(zhì)監(jiān)測單元主要通過濁度傳感器、pH值傳感器、溶解氧DO傳感器等的信息采集與上傳。閥門控制單元采用繼電器控制，配合驅(qū)動芯片及MOS管實現(xiàn)控制閥門動作。為保證本系統(tǒng)能適應(yīng)野外惡劣的環(huán)境，將硬件設(shè)備如控制核心、無線通訊模塊及供電設(shè)備等以合理的安裝距離組裝進具有防銹蝕及防潮能力的控制柜中，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力[6]。

水質(zhì)監(jiān)測傳感器將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號，通過設(shè)計的增益放大器及信號調(diào)理模塊，并引入加權(quán)平均濾波法將信號采集中的噪聲干擾降低，提高測量精度。最后通過水質(zhì)分析儀比對標(biāo)準(zhǔn)預(yù)設(shè)水質(zhì)參數(shù)信息，并以無線通訊網(wǎng)絡(luò)上傳至上位機。

為了提高本系統(tǒng)的可拓展性和實用推廣價值，在STM32單片機上額外預(yù)留多個輸入輸出端口，方便后續(xù)調(diào)試工作或擴展其他功能單元。系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計

該系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思想，其主要由控制核心、傳感器、無線通訊模塊、閥門控制單元和太陽能供電設(shè)備主板組成。本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

控制核心選用STM32系列的STM32F103RCT6芯片，該芯片功耗低，性能優(yōu)越，適用于本系統(tǒng)的功能要求[7]。GPRS模塊以規(guī)定的通訊協(xié)議格式將采集信息打包上傳至上位機，采用SIM800C型號GPRS模塊與STM32單片機連接。同時報警模塊為裝置監(jiān)測出水質(zhì)異常狀況時進行報警，并以無線通訊的方式及時上傳給上位機。

溶解氧傳感器通過增益放大器及濾波電路將微弱的電流信號精確轉(zhuǎn)換為模擬量信號，通過SPI總線與STM32連接。pH值傳感器我們選用的是上海雷磁公司生產(chǎn)的E- 201-C pH復(fù)合電極，其測量反應(yīng)快，適用于多種溶液，通過高輸入阻抗放大器將較低的電壓信號抬升到0～3V的電壓范圍，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換接口送入STM32單片機中。同時溶解氧與pH值數(shù)據(jù)還需通過溫度補償來獲取更為精確地參數(shù)數(shù)據(jù)。濁度傳感器采用GE_TS型，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由發(fā)光二極管和光敏三極管組成，通過低通濾波和信號調(diào)理電路將其信號采集進單片機中。水溫傳感器需通過信號調(diào)理單元將模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，直接輸入至單片機中。最后經(jīng)過處理計算后的不同水質(zhì)數(shù)據(jù)參數(shù)在LED屏上可以實時顯示出來，方便操作人員查看。

3 軟件設(shè)計

水質(zhì)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能主要包括實時監(jiān)測、報警管理、測站管理、統(tǒng)計查詢以及系統(tǒng)管理共五個模塊組成。軟件系統(tǒng)功能模塊圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊圖

3.1 系統(tǒng)主要功能介紹

3.1.1 實時監(jiān)測

實時監(jiān)測模塊主要是實時監(jiān)測當(dāng)前測站實時信息，測站信息有測站的類型、RTU在線狀態(tài)、更新時間、溶解氧、pH值、濁度等。這些信息主要是RTU上傳至服務(wù)器終端的監(jiān)測數(shù)據(jù)。實時監(jiān)測界面如圖4所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測界面

3.1.2 報警管理

報警管理模塊的主要功能是當(dāng)測站顯示報警信息后，管理員通知相應(yīng)的測站負(fù)責(zé)人及時預(yù)防處理相應(yīng)的問題，報警管理的信息包括：報警類型、報警值、負(fù)責(zé)人以及負(fù)責(zé)人聯(lián)系電話，報警狀態(tài)顯示負(fù)責(zé)人是否進行處理。系統(tǒng)報警管理界面如圖5所示。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)報警管理界面

3.1.3 測站管理

測站管理的主要功能是實現(xiàn)測站信息的添加、修改、刪除與查看。包括對水質(zhì)監(jiān)測點區(qū)域的添加、刪除，和控制每個測站設(shè)備，當(dāng)選擇相應(yīng)的測站后，對其進行系統(tǒng)參數(shù)、pH參數(shù)、溶解氧參數(shù)、運行參數(shù)、通訊參數(shù)等的設(shè)置，實現(xiàn)遠程監(jiān)控設(shè)備功能。

3.1.4 統(tǒng)計查詢

統(tǒng)計查詢界面主要是對水質(zhì)參數(shù)以及歷史數(shù)據(jù)的查詢和統(tǒng)計。統(tǒng)計的頻率是每天統(tǒng)計一次，得到的數(shù)據(jù)以柱狀圖、折線統(tǒng)計圖以及圖標(biāo)的形式顯示，可以直觀地反映數(shù)據(jù)走勢。系統(tǒng)查詢界面如圖6所示。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)計查詢界面

3.1.5 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理界面包括系統(tǒng)菜單管理，系統(tǒng)賬號管理，角色權(quán)限管理，區(qū)域管理，機構(gòu)管理。系統(tǒng)菜單管理包括對菜單列信息的添加、修改和刪除的操作，系統(tǒng)賬號管理是對管理員信息的管理。角色權(quán)限管理是指對角色列信息的添加、修改和刪除的操作。區(qū)域管理是指對區(qū)域列信息的添加的操作。機構(gòu)管理是對機構(gòu)信息的管理。

4 系統(tǒng)功能測試

本系統(tǒng)已應(yīng)用于某小型河流流域現(xiàn)場，構(gòu)建測試環(huán)境如圖7所示，以分段形式將河流流域劃分為3部分進行監(jiān)控。匯集數(shù)據(jù)采集、存儲、分段控制的方式實現(xiàn)不同段河流與上位機通過自行組建的傳輸路徑進行通信?，F(xiàn)場試驗表明，本系統(tǒng)對水質(zhì)參數(shù)信息監(jiān)測采集準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，閥門控制響應(yīng)時間在1s內(nèi)，持續(xù)運行發(fā)現(xiàn)河流未見顯著異常狀態(tài)發(fā)生，河流生態(tài)維持良好穩(wěn)定局面，實現(xiàn)了監(jiān)控效果。

圖7 系統(tǒng)測試環(huán)境圖

5 結(jié)語

本文設(shè)計的水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了STM32嵌入式單片機的穩(wěn)定可靠及擴展性強的優(yōu)勢，配合無線通訊與繼電器控制方式實現(xiàn)精確的水質(zhì)參數(shù)信息采集及可靠控制，不同于以往的水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)，本系統(tǒng)在續(xù)航能力引入太陽能供電方式，以及遠程遙控閥門動作實現(xiàn)在偏遠河流流域應(yīng)用的可能性，通過在小型河流流域的現(xiàn)場調(diào)試運行證明該系統(tǒng)滿足實際應(yīng)用需求，具有很好的推廣價值。