基于物联网的污水监测系统

0 引 言

“工业 4.0”时代促进了工业生产的迅速发展，但与此同时，工业废水排放量却日益增加且愈加难以控制，对水域造成了严重污染。废水中的有毒物质会通过食物链危害生物健康，其中的挥发性物质亦会通过空气循环和水循环破坏生态平衡。

目前，许多地区主要依靠人工监测手段进行不定期的污水监测，或使用基于有线通信的污水监测系统。人工监测存在数据采集难度大，精确度不高等问题 ；有线通信则存在施工量大、成本高、调节不便、监测范围有限等问题，无法满足我国污水区域的监测需求。

物联网技术作为国家重点发展的高精技术之一，已被广泛应用于监测等领域。开发者可以应用智能系统速率高、实时性强、稳定高效等特点，将污水监测与物联网相结合，改善生态环境，实现环境协调与可持续发展 [1]。

1 系统设计

1.1 数据采集设计

本文系统通过 pH 值传感分析仪、电导率传感器、浑浊度传感器采集 pH 值、电导率、浑浊度信息，所采集的信息经过相应模块电路后，会以模拟信号的形式输入 ZigBee 节点的 ADC 通道，进行数据处理分析和无线传输。综合考虑成本、精度等因素后，传感器选型如下 ：

E-201-C pH 电极配合 pH 采集电路模块，其检测范围为0 ～ 14，功耗＜ 0.2 W，带有温度补偿功能，能以模拟电压或串口输出。pH 标准曲线如图 1 所示。

GE-TS 浑浊度传感器配合相应电路模块，带有温度补偿功能，以 0 ～ 4 V 模拟电压形式输出，电压与浊度的特性曲线如图 2 所示，图中 Y 轴为浊度，1 NTU=1 mg/L。

TDS 电导率探头配合相应电路模块，灵敏度高，能以TTL 串口或以模拟电压形式输出，适用于不同场合的水质。

1.2 数据传输设计

系统框架及传输路径如图 3 所示。ZigBee 对比 WiFi、蓝牙具有低功耗、低成本、多节点的优势，因此选用 ZigBee 作为系统的无线传输层 [2-4]。ZigBee 模块选择 TI CC2530 芯片。ZigBee 是基于 IEEE802.15.4 标准的无线通信组网技术， 经过 ZigBee 联盟对 IEEE802.15.4 的改进， 形成了 ZigBee 协议（Z-Stack）。ZigBee 的传输速率为 20 ～ 250 kbit/s，ZigBee 节点间的距离可扩展到几百米，最多拥有 255 个网络节点。

各节点采集到相应的指标，经数据处理后，利用 ZigBee 协议栈组网技术实现 ZigBee 多节点之间的无线数据传输。本文系统采集三个指标，因此组网需要设计三个终端节点和一个协调器节点。三个终端节点负责采集数据，经过数据处理分析后，把信息通过组网无线传输至协调器，协调器负责接收并汇总信息，再通过 USART1 传输给嵌入式终端，嵌入式终端利用 USART2 将数据发送给 PC 端应用程序。

1.3 数据处理分析

数据处理分析将 CC2530 和 STM32F103 作为控制处理芯片 [5]，CC2530 分析自节点数据，STM32 接收、分析、汇总、传输所有节点数据。

由于各传感器采集到的并非可用电信号，因此需要经过一定的驱动和转换电路处理，将其转换为可用模拟信号后才能输入到 ZigBee 节点的 ADC 通道中。ADC 转换器读取信号时，需要经过数据采样去噪和滤波算法，以减小偶然性及误差。

各节点的 ADC 通道读取到电信号后，经过转换，再参考分辨率和参考电压关系，把电信号转换为具体模拟量。只需推出传感器电压和指标对应关系式，即可把模拟量转换为具体指标值。而关系式可以借助传感器说明书参数进行推导， 如 pH 传感器满足线性关系，输出电压 0.4 ～ 2 V 对应 pH 值0 ～ 14，由此推导出 pH 值 0 对应电压 0.4 V，pH 值 14 对应2 V。令 pH为 y，电压为 x，可得关系式 ：

y=8.75x-3.5

关系式也可以依据其他参数、特性曲线进行推导。由于环境及其他因素干扰，仍需测试大量数据进行数据拟合，以提高准确度。

各指标标准范围制定参考《地面水环境质量标准》（GB3838-02）《污水综合排放标准》（GB8978-1996），并参考实际测试情况进行制定。系统将测量值与标准值范围进行对比，判断各指标是否异常并提示。

1.4 软件设计

1.4.1 ZigBee 无线传感网络设计

ZigBee 实现无线通信须经过各层的初始化、进入操作系统、运行操作系统、组网与加入网络、发送与接收数据等过程 [6-7]，组网流程如图 4 所示。

发送与接收数据的格式可根据具体要求定义，以确保数据的正确传输。如编写 SampleApp_SendPeriodicMessage（void）为发送函数，SampleApp_MessageMSGCB（afIncoming MSGPacket_t*pkt）为接收函数，并在函数中定义数据传输格式。

1.4.2 监控界面设计

系统各节点和 STM32 终端以 LCD 屏进行显示。汉字显示需要借助 PCtoLCD2002，把汉字转换为索引和点阵形式的代码才能被识别并正确显示 [8]。此外，系统使用 VS2015 开发工具设计了可以在 PC 机运行的程序，该应用通过串口与STM32 终端通信，只需选择串口号和波特率即可。应用链接 MySQL 数据库，保存历史数据，方便查询、管理和分析。应用可以查看所有节点的指标数据，并能够准确分析数据是否在标准范围内，从而决定是否发出预警。

2 结 语

本文实现了速率高、实时性强、稳定高效的物联智能监测系统，可同时采集和显示数据并预警，解决了依靠人工监测或有线通信的污水监测系统的数据采集难度大、数据精确度不高、实时性不强、监测效率低、安装施工量大、成本高、调节不便、监测范围小等问题，大大简化了污水监测过程。