劉 碩

（江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212100）

0 引 言

隨著世界現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題逐漸惡化，其中水資源的處理更是成為了環(huán)境問(wèn)題中的重要一項(xiàng)。水資源在人類生存發(fā)展過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，不論是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還是人們的日常生活都離不開(kāi)水資源，尤其水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)對(duì)水質(zhì)有著更為苛刻的要求。但目前水質(zhì)檢測(cè)大多仍依靠傳統(tǒng)的化學(xué)滴定方法完成，而該方法精度較低且操作復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)一套智能自動(dòng)化水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)尤為重要[1]。

水質(zhì)檢測(cè)需結(jié)合控制技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)等，采用多種傳感器才能獲取pH值、氨氮值、重金屬含量等重要的水質(zhì)數(shù)據(jù)。文中基于便捷性、準(zhǔn)確性等因素，借助單片機(jī)嵌入式微處理器與通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一款智能水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)水質(zhì)檢測(cè)，從而提高水質(zhì)檢測(cè)的自動(dòng)化水平與檢測(cè)效率[2]。

1 智能水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

智能水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)主要以STM32單片機(jī)為系統(tǒng)的主控核心，通過(guò)與通信模塊、水質(zhì)傳感器等的有效結(jié)合，組成了一套智能化水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)。STM32單片機(jī)作為主控單元，需要不斷對(duì)各類傳感器進(jìn)行A/D采樣，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、轉(zhuǎn)換等處理，之后再通過(guò)無(wú)線通信模塊將采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，便于工作人員實(shí)時(shí)掌握當(dāng)前水域的水質(zhì)情況[3]。若當(dāng)前水質(zhì)變化情況較大或者某一指標(biāo)超標(biāo)，可通過(guò)上位機(jī)及時(shí)傳遞報(bào)警信息。智能水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 智能水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)框架

智能水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)主要分為兩部分。第一部分主要通過(guò)A/D模塊采集多個(gè)水質(zhì)傳感器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，之后將輸出結(jié)果傳輸給顯示屏進(jìn)行顯示；第二部分主要采用無(wú)線通信方式將檢測(cè)結(jié)果上傳給上位機(jī)，經(jīng)處理后將數(shù)據(jù)顯示在上位機(jī)界面，同時(shí)判斷水質(zhì)質(zhì)量，并繪制水質(zhì)變化圖。若水質(zhì)某項(xiàng)指標(biāo)超過(guò)閾值則會(huì)通過(guò)上位機(jī)顯示。

2 智能水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

STM32F407系列芯片的工作頻率為168 MHz，通信接口為15個(gè)（包括USART、SPI、I2C、CAN、SDIO），含有2個(gè)12位DAC和3個(gè)12位ADC，以及17個(gè)定時(shí)器，是一款極具性價(jià)比的高性能微處理器。

水質(zhì)檢測(cè)需要檢測(cè)多項(xiàng)水質(zhì)內(nèi)容，因此水質(zhì)檢測(cè)對(duì)單片機(jī)運(yùn)行速度要求較高。為保證數(shù)據(jù)采集的效率，文中選擇STM32F407ZET6作為智能水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)的主控芯片，實(shí)物如圖2所示。

圖2 STM32F407ZET6芯片

2.2 水濁度傳感器

通常，水中含有懸浮物和膠體物，例如無(wú)機(jī)物、土壤、浮游生物等，這些物質(zhì)會(huì)使水變得渾濁，影響溶質(zhì)分子對(duì)光的吸收以及懸浮物對(duì)光的散射[4]。散射光和透射光之比與濁度呈線性關(guān)系。當(dāng)光通過(guò)時(shí)，對(duì)于一定量的水，水污染越嚴(yán)重，則透射的光越少。光接收端將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流，透射的光越多，電流就越大，反之電流越小。通過(guò)在接收端測(cè)量電流即可計(jì)算出水域的污染程度。濁度傳感器由IR958和PT958封裝的紅外對(duì)管組成，實(shí)物如圖3所示。

圖3 濁度傳感器

2.3 pH傳感器

溶液中氫離子的總數(shù)同總物質(zhì)的量的比值即為pH值。為了能夠?qū)H值進(jìn)行較為精準(zhǔn)、快速的測(cè)定[5]，本文選取了如圖4所示的具有效率高、無(wú)污染、數(shù)字化等特點(diǎn)的pH傳感器。

圖4 pH傳感器

pH傳感器的測(cè)量原理可理解為原電池系統(tǒng)，使化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，電池的端電壓被稱為電極電位；電位由2個(gè)半電池構(gòu)成，其中一個(gè)稱為測(cè)量電極，測(cè)量時(shí)被測(cè)溶液與緩沖溶液中的氫離子相互交換產(chǎn)生電勢(shì)差，從而得到pH值。

2.4 溶解氧傳感器

溶解氧的含量與水的溫度和空氣中氧的分壓密切相關(guān)。作為衡量水體自凈能力的指標(biāo)，溶解氧的含量也是影響水生物生存的重要因素。消耗水中的溶解氧，若水體花費(fèi)較短時(shí)間便恢復(fù)至初始狀態(tài)，表明水體具有很強(qiáng)的自凈能力，或者水體污染不嚴(yán)重，否則，意味著水體被嚴(yán)重污染，自凈能力較弱，甚至喪失了自凈能力[6]。

溶解氧傳感器基于水中氧氣的氧化還原反應(yīng)將化學(xué)變化轉(zhuǎn)化為電能變化，以此測(cè)量水中的含氧量。含氧量數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)采集后，通過(guò)無(wú)線通信模塊上傳至上位機(jī)并顯示[7]。

2.5 氨氮傳感器

氨氮作為水中的營(yíng)養(yǎng)元素，如果含量過(guò)高會(huì)致使水體富營(yíng)養(yǎng)化，對(duì)魚(yú)類及某些水生生物有毒害，因此及時(shí)測(cè)量出水體中的氨氮含量尤為重要。氨氮傳感器可將氨氮含量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并可將電信號(hào)放大后通過(guò)串口發(fā)送到單片機(jī)進(jìn)行處理[8]。

2.6 其他水質(zhì)傳感器

除常規(guī)的pH值、水濁度、化學(xué)需氧量等參數(shù)外，綜合水質(zhì)檢測(cè)還包括總磷、硫化物、重金屬等內(nèi)容。為提高設(shè)備的便捷性，本系統(tǒng)只將常規(guī)的傳感器設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中，如若需要測(cè)量某一特殊物質(zhì)的含量，可通過(guò)單片機(jī)的預(yù)留接口增加測(cè)量種類，使用方便。

3 水質(zhì)檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)傳感器采集水體中的pH值、水濁度、含氧值等主要水質(zhì)信息后，借助無(wú)線通信模塊將采集的數(shù)據(jù)上傳到基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的上位機(jī)（通過(guò)電腦串口接收數(shù)據(jù)）[9]。在智能水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)中，上位機(jī)可以顯示水體當(dāng)前pH值、水濁度、含氧值等信息，也可以根據(jù)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，并判斷水質(zhì)情況，如是否超出測(cè)量范圍等。上位機(jī)還可以將一段時(shí)間內(nèi)測(cè)量的數(shù)據(jù)繪制成以時(shí)間為橫坐標(biāo)的相關(guān)水質(zhì)參數(shù)變化曲線圖，為工作人員提供實(shí)時(shí)的水質(zhì)信息參考，提高工作人員的測(cè)量效率。水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)界面如圖5所示。

圖5 水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)界面

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著水質(zhì)資源形勢(shì)的不斷惡化，人們對(duì)水資源的保護(hù)意識(shí)逐漸增強(qiáng)。文中利用單片機(jī)微控制處理器設(shè)計(jì)的智能水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與處理，以及數(shù)據(jù)顯示、繪圖、報(bào)警等功能，不僅提高了水質(zhì)檢測(cè)的自動(dòng)化程度，還提高了水質(zhì)檢測(cè)的效率與準(zhǔn)確性。