張鑫業(yè)　王振宇　胡夢晴

【摘 要】本設(shè)計基于LabVIEW的水質(zhì)檢測系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計理念，將無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)巧妙的相結(jié)合，并充分利用了STM32單片機快速靈活以及虛擬儀器功能強大的特點。硬件部分主要是由STM32F103VET6微處理器、水質(zhì)傳感器采集箱（pH、溶解氧、溫度和電導率）、無線傳輸模塊、串口通信模塊等組成。本設(shè)計實現(xiàn)水質(zhì)信息的采集以及上位機與單片機間信息的無線傳輸。上位機為 LabVIEW總控制端，實現(xiàn)信息的顯示、存儲和處理，同時設(shè)置了時間和預警模塊。本設(shè)計可實現(xiàn)多參數(shù)水質(zhì)信息實時檢測、傳感器自動收放和遠程校準功能，具有數(shù)據(jù)傳輸速度快和準確度高等優(yōu)點，在實際生產(chǎn)生活中有很大的實用價值。

【關(guān)鍵詞】水質(zhì)傳感器采集箱;STM32F103VET6;無線通信;傳感器自動收放;LabVIEW

中圖分類號： S951.2;TP212.9 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）34-0005-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.34.002

Design of Water Quality Testing System Based on LabVIEW

ZHANG Xin-ye WANG Zhen-yu HU Meng-qing

（Dalian university of technology， Panjin Liaoning 124221， China）

【Abstract】The design based on LabVIEW water quality information testing system adopts modular design concept， and combines wireless communication technology， sensor technology and computer technology together. Besides， the design makes the most use of STM32 MCU's and computer technology. The hardware part is mainly composed of STM32F103VET6 microprocessor， water quality sensor acquisition box （pH， dissolved oxygen， temperature and conductivity）， wireless transmission module， serial communication module. Further， the design ensures that water quality can be recorded and makes wireless transmission of information between host computer and single chip computer possible.The host computer is the master control of LabVIEW， which realizes the display， storage and processing of information， and sets up the time and early warning modules. Moreover， the design can realize the functions of instantaneous test of multi-parameter water quality information， automatic retracting of sensors and remote calibration. It also has the advantages of high speed and accuracy of data transmission， which has great practical value in our life.

【Key words】Water quality sensor acquisition box; STM32F103VET6; Wireless communication; ?Automatic Receiving and Playing of Sensors; LabVIEW

0 引言

水質(zhì)信息檢測是確保水域水質(zhì)質(zhì)量的有效手段，傳統(tǒng)的水質(zhì)信息采集利用人工采樣和實驗室分析處理方法，這種方法操作效率低下，不僅耗費人力和物力，而且不能確保數(shù)據(jù)的實效性和準確度，也不能連續(xù)地反映出該采樣點水質(zhì)數(shù)據(jù)的變化，因而導致檢測結(jié)果缺乏準確性、實時性和可靠性。由于計算機技術(shù)、微控制器領(lǐng)域與無線傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，以上困擾得以解決。本文設(shè)計一種基于LabVIEW的多水質(zhì)信息檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)水質(zhì)的實時檢測和信息無線傳輸，防止水體污染[1-2]。

1 水質(zhì)傳感器采集箱

1.1 水質(zhì)傳感器介紹

pH是指水中氫離子的濃度指數(shù)，通常介于0-14 之間，是衡量水質(zhì)酸性堿性程度的重要指標。pH傳感器主要由玻璃電極、參比電極與溫度電極組成[3]。溶解氧表示溶解在液體中氧的多少，與溫度有關(guān)，溫度越高則溶解氧的含量越低。溶解氧是判斷水體凈化能力的重要依據(jù)。電導率描述物質(zhì)傳輸電流的能力，水的電導率可以反映出水中電解質(zhì)的程度，是衡量水質(zhì)的重要指標。溫度是表示物體冷熱程度的物理量，是影響水中各參數(shù)的主要因素，因此是水質(zhì)檢測的基本物理量。各傳感器在使用前，都需要進行零點校準和斜率校準。傳感器技術(shù)參數(shù)如下表1所示。

1.2 傳感集成裝置

由于水域中工作環(huán)境惡劣，傳感器如果長時間浸泡在水中會對傳感器的性能產(chǎn)生影響，所以本設(shè)計中將所有傳感器集成到裝置盒中，實現(xiàn)對各個傳感器的同時收放。各傳感器用膠條卡箍固定在裝置盒中，傳感器下部與水接觸進行測量。根據(jù)傳感器外形數(shù)據(jù)，確定傳感器裝置盒的尺寸為：長 300 毫米寬 145 毫米高 54 毫米，傳感器收放裝置盒如下圖1所示。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計通過水質(zhì)傳感器采集箱（DDM-200型傳感器）測量水質(zhì)信息發(fā)送給STM32單片機，WL-4020 4G+GPS DTU無線傳輸模塊完成單片機到上位機的信息傳輸，LabVIEW完成各水質(zhì)信息數(shù)據(jù)的顯示、存儲和處理等功能?？傮w設(shè)計方案如圖2所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分由STM32單片機模塊、水質(zhì)傳感器采集箱模塊、無線傳輸模塊、串口通信模塊組成。

STM32單片機模塊又包括了STM32F103VET6芯片最小系統(tǒng)電路、電源電路、復位電路、晶振電路和水質(zhì)監(jiān)測電路。

STM32F103VET6微控制器的最高工作頻率為72MHz，不同的模塊進行分頻得到各自所需的工作晶振頻率。外部電路通常使用8M的無源晶振作為主晶振，并配備18pF的電容來提高主晶振系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。實時時鐘晶振采用32.768kHz的無源晶振，并匹配10pF的電容來提高晶振的穩(wěn)定性。

水質(zhì)傳感器采集箱模塊傳感器電源電路，由于各傳感器功耗較大，所以在傳感器不工作時需要停止供電，因此在傳感器電源線上連接一個單刀雙擲繼電器來控制電源的通電和斷電。使用SDR系列單刀雙擲繼電器，五個引腳分別對應繼電器電源輸入端VCC、地線GND、公共端COM、常閉觸點NC和常開觸點 NO。VCC 引腳連接+3.3V 電源，通過主芯片 PB6 引腳的高低電平控制PNP三極管的基極，從而控制發(fā)射極的電壓來控制VCC的輸入電壓，實現(xiàn)控制繼電器的通電或斷電。當主芯片PB6引腳為低電平時，VCC引腳有輸入電壓使繼電器通電，此時常開觸點NO閉合與公共端接通來給各傳感器供電。當主芯片PB6引腳為高電平時，VCC引腳沒有輸入電壓，繼電器不工作，此時常開觸點NO處于斷開狀態(tài)使傳感器斷電。常閉觸點NC在本電路中沒有實際用途，不進行連接。VCC引腳連接穩(wěn)壓二極管進行穩(wěn)壓，連接發(fā)光二極管來判斷繼電器是否工作。傳感器電源通斷控制電路圖如圖3所示。WL-4020 4G+GPS DTU 無線通信模塊支持多種通信協(xié)議，支持自動斷線重連，可以設(shè)置心跳包和自定義注冊包，可以通過定時任務或者短信遠程啟用網(wǎng)管，在線監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)和修改配置參數(shù)。

本設(shè)計采用RS-485完成串口通信。RS-485通訊在遠距離傳輸中具有抗干擾性強和高穩(wěn)定性等優(yōu)點，在該模塊的電路設(shè)計中利用串口3對水質(zhì)數(shù)據(jù)進行采集，并配合MAX485芯片與各個傳感器進行通訊。傳感器A和B端口利用差分信號抑制共模干擾。

4 系統(tǒng)程序設(shè)計

4.1 下位機程序設(shè)計

下位機是由STM32單片機來控制。采用keil5進行程序的編寫。單片機的主要功能是接收上位機傳輸指令并進行指令解析、對水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸，分別與水質(zhì)傳感器采集箱和GPS DTU 無線通信模塊通過485接口相連，程序流程圖如圖4所示。

4.2 上位機軟件設(shè)計

上位機為 Labview 總控制端，設(shè)計包括登錄模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、連通顯示模塊、數(shù)值顯示模塊、時間顯示模塊和預警模塊，其中數(shù)據(jù)存儲模塊與數(shù)據(jù)庫連接，數(shù)據(jù)庫與 Web 網(wǎng)站連接。

LabVIEW編程中用于串行通信的常用控件是VISA節(jié)點?？刂艻/O接口儀器的通用程序可以通過對設(shè)備不同參數(shù)的設(shè)置，調(diào)用VISA控件編寫完成。首先對串口參數(shù)進行配置，以與對應串口COM口通信;進入平鋪式順序結(jié)構(gòu)進行延時設(shè)置以便串口完成初始準備; VISA清空I/O緩沖區(qū)，以輸出輸入新的串口數(shù)據(jù);之后采用VISA寫入控件，根據(jù)寄存器數(shù)據(jù)格式調(diào)用不同的傳感器通道的地址，對具體要采集的數(shù)據(jù)種類寫入指令，根據(jù)傳感器信息幀格式編寫具體的調(diào)用指令字符串，由于數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的傳輸形式是以十六進制顯示的字符串形式傳輸?shù)?，而在上位機內(nèi)部數(shù)據(jù)處理需要正常顯示的十六進制字符串，所以需要運用數(shù)值轉(zhuǎn)換子VI程序進行轉(zhuǎn)換，這是對接收數(shù)據(jù)處理，如果是發(fā)送命令則相反。在數(shù)據(jù)處理模塊，首先將數(shù)據(jù)形式從正常顯示的十六進制轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)據(jù)，再利用條件結(jié)構(gòu)分別對水質(zhì)數(shù)據(jù)的編寫處理，最終得到正確的數(shù)值。而對于上位機命令發(fā)送，為了保證命令傳輸安全性，還需要一步是CRC16校驗，這里將它設(shè)計為一個單獨的子VI。

上位機操作中心是對系統(tǒng)的終端設(shè)計，針對水質(zhì)數(shù)據(jù)的人機交互界面進行設(shè)計，使水質(zhì)數(shù)據(jù)以數(shù)值及歷史數(shù)據(jù)曲線的形式顯示在本地PC的VI前面板界面及遠程PC的Web瀏覽器界面，并針對水質(zhì)數(shù)據(jù)讀取的需要在界面設(shè)置了眾多的操作按鈕，可在界面執(zhí)行選擇傳感器通道、開啟、中斷及停止程序運行等操作。同時創(chuàng)建數(shù)據(jù)存儲模塊，四組數(shù)據(jù)共同組成數(shù)組，經(jīng)過電子表格字符串轉(zhuǎn)換為TXT文件可以識別存儲的格式，寫入文本文件，同時可修訂文件名稱，將文件設(shè)置成open or create，如果已經(jīng)存在此文件，則在保留原文件數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上繼續(xù)存儲數(shù)據(jù)，若指定文件不存在則創(chuàng)建此文件并進行數(shù)據(jù)存儲。寫入完畢后，關(guān)閉文件，如果有存儲數(shù)據(jù)相關(guān)的錯誤，會在前面板的文件存儲錯誤輸出簇有所顯示，可以更加方便快捷地解決問題。上位機界面如圖5所示。

5 結(jié)束語

本文主要設(shè)計了基于LabVIEW的多水質(zhì)信息采集系統(tǒng)，可以遠程無線檢測水的pH、溶解氧、溫度和電導率。通過多水質(zhì)傳感器采集箱進行水質(zhì)信息的采集，STM32單片機起到控制收發(fā)的作用，GPS DTU完成遠程無線傳輸，同時，上位機通過串口接收云端實時數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)顯示、存儲和處理。本設(shè)計的優(yōu)點在于提高了采集系統(tǒng)的可控制性和靈活性，方便實時采集和檢測，同時使用WL-4020 4G+GPS DTU無線通信模塊大大提高信息的傳輸速度和安全可靠性，在維護和擴展方面都很方便。使用LabVIEW編寫上位機，除了本身豐富的工具包外，如今大多數(shù)主流的測試儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備都擁有專門的LabVIEW驅(qū)動程序，使用LabVIEW可以非常便捷的控制這些硬件設(shè)備。

【參考文獻】

[1]李燕.基于LabVIEW的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].科技視界，2017（4）.

[2]譚穗妍，林芳，姚堯，et al.水質(zhì)檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測試，2019，413（08）：20-21.

[3]劉林.水質(zhì)在線檢測及自動標定系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].