基于物联网的水质实时在线监测系统

引 言

目前，中国的水资源具有两大突出问题，即蓄水量大与人均水资源少。随着社会的进步和工业的快速发展，工业废水无法得到有效处理，城乡生活污水的排放导致地表水和地下水的水质恶化。由于国内大部分人的生活用水和饮用水直接来自地下，一旦地表水质受到污染，就会直接威胁人类和生物的健康 [1]。据调查，中国地下水水质较好的水体仅占全部水体的 40%，约 60%的水体水质不容乐观。为了深化人们的用水意识，加强对水源的保护，不仅中国正在减少水源污染，加强水污染防治，世界上许多国家都在加入水质改善的行列 [2]。因此，国家环保部门提出了一系列排放水污染的化工企业污水排放指导原则，其中就包括“污水标准排放， 严格控制总量”[3]。

随着科技的进步，一些结合计算机技术和自动化工艺设计的可自动监测水质状况的机器逐渐面世。然而，这种设备价格高昂，且基站难以定位，一旦建成就很难移动，无法及时监测水质污染源的排放。综合上述不足，本文设计了一套基于物联网的水质实时在线监测系统，该系统结合 STM32 单片机、传感器、无线通信和 C# 软件开发的优点进行自动化整合 [4]。系统可实现对基站水质参数变化的实时在线监测，并提出了更高水平的工业污染物监管，体现了生态环境作为国家基本国策的重要性。因此，该系统的实用性和经济性较好。

1 系统整体设计及工作原理

系统分为三个部分，即以 STM32 为核心的数据采集系统、基于 GPRS 的无线数据传输系统、中心数据管理系统平台。

下位机的运用以 CPU 为中心，在考虑浑浊度、pH 数值以及水流量的基础上进行工作。数据采集系统借助传感器对两个所需直流电压进行实时检测与记录，并将其转换成计算机能够处理的电信号。此外，使用 LCD 液晶屏，用动态连接的方式进行数据的实时显示。PC 端数据采集可以使用串口调试助手进行调试，由主机对下位机采集的数据进行正确显示 [5] ；另一方面，STM32 MCU 将数据输出到 USART 串行端口。GPRS 无线模块接收数据并通过内部通信功能将数据发送到数据中心管理平台。对于数据的传输、处理和储存问题，即在 STM32 单片机的基础上，根据 TCP 网络协议， 运用 GPRS 模块把实时采集的数据无线传输到数据终端平台 [6]。工作人员可以使用基于 C# 软件工作的操作平台进行人机操作。该操作平台的数据库使用 SQL 开发，软件使用C# 语言，将传感器采集的数据进行实时处理和储存，便于工作人员检查和监测。该监测系统的使用，减少了环保局工作人员前往一线勘察的次数，提高了环保局的工作效率。系统模型结构如图 1 所示。

2 系统硬件设计

2.1 下位机基站系统设计

下位机基站系统以 STM32 为核心。单片机实时采集传感器信号，通过数据转换处理后由 LCD 显示屏显示采集的数据，同时还可以通过串口将数据上传至计算机。为了实现各部分功能，下位机数据采集系统根据相关要求和技术规范， 将整体分为两个主要部分，即数据采集系统和 STM32 最小系统。STM32 最小系统运用 ARM Cortex-M3 骨架的低功耗处理器，即运用功能齐全的主控芯片 STM32F103C8T6[7]，该芯片上集成有多路 ADC，可以在同一时间实现多路数据的采集和转换，极大程度地提高系统的数据处理能力。与此同时， TIM 能够实时记录相关水流量数据，并借助 USART 将 ADC 处理的数据通过串行口送入计算机，计算机可以将接收到的数据进行实时显示。最小系统与各传感器结构如图 2 所示。

图 2 最小系统与各传感器结构框图

2.2 无线通信系统设计

GPRS 为集成化产品，主要包含四个模块，即控制端口、射频天线端口、外设及 SIM 卡槽。设计思路 ：软件开发使用户的功能模块化，根据功能的不同，将整体划分为多个模块， 对每个模块分别设计，大幅提高软件开发效率，降低系统的开发周期和开发难度。该系统使用的通信方式通信范围广， 通信速度快，并且有着极高的抗干扰能力和保密程度。基于众多的优点，GPRS 成为目前较为流行的通信方式。根据TCP/IP 网络协议，远程连接服务器后可将数据通过 Internet 进行实时传输至中心数据管理中心 [8]。随着 5G 时代的到来， 该技术也能够极大程度地提高数据传输的稳定性及安全性。

3 系统软件设计

3.1 pH和浑浊度数据采集

STM32 内部拥有许多 ADC 和定时器，在 ADC 工作时， 能够根据实际情况的不同，对扫描方式进行选择性设置，例如单次扫描或者多次扫描。此外，在进行数据传输时，ADC 外设还可以将处理的数据按照以左对齐或者右对齐的方式存储到相关存储单元中。本次设计指定使用 ADC1 的 11 和 12 通道分别采集水资源的浑浊度和 pH 数值，并将传感器采集的数据送至 ADC 转换器，按照相关存储规则将采集的数据送至 ADC_DR 数据寄存器中。在操作过程中可以使用多通道数据采集方式，以连续转换方式对接收的数据进行实时转换，在转换过程中开启 ADC 时钟，完成相关参数设置。由于采集的两个数据输出均为模拟信号，因此仅使用 ADC1 中的两通道就可以实现全部功能。

3.2 水流量数据采集

在实际情况中，水的流动会使水资源周边的磁性产生变化，为了监控这种变化，可以使用霍尔传感器将此种状况以脉冲和频率的方式展现，输出的脉冲信号经霍尔传感器内部转换电路后用输出线输出，经数据转换，可计算出转速 [9]。对照相关科学曲线，可进一步算出涡轮的转速、水流量以及电压。按照科学的公式计算，流出 1 L 的水，大约能够生成450 个脉冲，由此可计算出水的流速。由于不同的水速会输出不同频率的脉冲方波，因此 STM32 单片机可以运用定时器 TIM2 对脉冲时刻计数， 并且借助 TIM2 中的 TIM_CCR 实现对脉冲方波信号的检测，内部的 TIM_CNT 计数器可以记录脉冲方波信号发生反转的次数，从而计算出整体的脉冲数。

3.3 中心数据管理系统设计

系统以应用软件编写为核心，利用数据库的优点，提高了软件开发的效率，更方便用户使用。另外，借助 SQL 技术开发的数据库，运用 C# 软件可以提高数据的存储周期， 并借助技术的优越性，设计出简单易懂的紧急交互界面，降低了系统整体设计的难度，提高了软件开发的工作效率，减少了整体应用开发时间。在使用过程中，工作人员可根据实际情况的需要，登录软件对相关数据进行阈值设置，如果该数据大于系统设定的阈值，则系统会发出警报，快速警告监管的工作人员。结合 .NET 平台下的 WinForm 软件与 SQL Server 数据库，用 VS 环境设计了一个完整的数据管理中心平台 [10]。系统可以时刻接收远程无线上传的数据并进行精确显示，同时应用 Chart 窗体控件开发的曲线图也可以更加形象地呈现出该天某监测地的水质情况。

4 实验结果与分析

4.1 上位机数据显示测试

远程服务器端运行 C# 程序软件，根据实际使用情况进行程序的修改和调试，提高软件运行的安全性及稳定性。由图 3 可知，通过系统检测的数据，即 pH 值、浑浊度和水流速（电导率与溶氧量作为后期扩展应用）在一定范围内波动， pH 值在 7 ～ 8 范围内波动，浑浊度保持在 4 NTU 左右，而水流量在 2 L/s 左右浮动。

4.2 数据查询测试

远程连接服务器启动系统保持长时间运行，实时接收数据使得系统存储了大量数据，这些存储的数据大多保存在 C 盘中，工作人员可以通过查询历史数据查看之前一段时间内检测的完整数据。该界面详细记录了数据采集的具体时间， 方便后期进行大数据分析，显示效果如图 4 所示。

5 结 语

本文提出了一套新型的基于物联网的水质实时在线监测系统方案。该系统可以做到提前预防，防止污染进一步扩散，提升水质监测管理的科学性和高效性，为相关部门提供应对策略和管理措施，具有极强的实践适用性。使用目前较为流行的 4G 通信不仅可以提高通信效率，同时还能够保障通信安全，对于一些复杂的检测环境而言，可以降低通信网络对资源的需求，在无电无网的情况下，系统也能够安全稳定运行。此外，系统还能够提高数据流量速度、数据传输效率和安全性。