李　響，宋洛林

（莆田學(xué)院，福建　莆田　351100）

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一種實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李響，宋洛林

（莆田學(xué)院，福建莆田351100）

摘要：隨著嘉陵江航電樞紐的梯級(jí)開發(fā)，江水流速減慢，壩前水深加大，污染物滯留時(shí)間變長等不利因素都加劇了水體的污染.因此建立水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)嘉陵江水資源的管理和保護(hù)具有重要的意義.目前的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方案主要以人工取樣監(jiān)測(cè)為主，這種監(jiān)測(cè)方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力、不利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)水體的突發(fā)污染.針對(duì)上述問題提出一種實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)方案，該方案以STC12C5A32S2單片機(jī)為主控制器，以SV6500無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā).采用該方案的智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)便、全天候工作、響應(yīng)快速、更低人力成本、較高可靠性等優(yōu)點(diǎn).

關(guān)鍵詞：水質(zhì)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；多節(jié)點(diǎn)

嘉陵江是南充境內(nèi)最大的水系，又是沿江城鎮(zhèn)生產(chǎn)和生活的重要水源.保護(hù)嘉陵江水體的水質(zhì)具有重要的意義.但是嘉陵江流域沿河堆積生活垃圾的現(xiàn)象較為普遍，每逢汛期，大量的垃圾被沖入嘉陵江，水體污染十分嚴(yán)重，部分小城鎮(zhèn)和較大城市的老城區(qū)污水處理設(shè)施不夠完善，大量生產(chǎn)生活廢水直接排放進(jìn)入嘉陵江的支流.特別是隨著嘉陵江航電樞紐的梯級(jí)開發(fā)，嘉陵江干流的水資源環(huán)境發(fā)生了很大變化，產(chǎn)生一系列不利影響，如江水流速減慢，污染物的遷移與稀釋擴(kuò)散能力都大為降低；壩前水深加大，污染物滯留時(shí)間變長，水體自凈能力降低等等.這些不利因素都進(jìn)一步加劇了壩前水體的污染.因此建立壩前水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)嘉陵江水資源的管理和保護(hù)具有重要的意義.

國內(nèi)外比較成熟的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方案大都采用人工取樣監(jiān)測(cè)：實(shí)驗(yàn)員在待測(cè)水體的不同區(qū)域取回水樣，帶回實(shí)驗(yàn)室利用化學(xué)方法定量分析［1］.這種方法準(zhǔn)確度較高且成本較低，因此得到了廣泛的使用［2］.但是它也有很大的缺點(diǎn)：費(fèi)時(shí)費(fèi)力、水樣的采集運(yùn)輸過程中可能存在二次污染，并且河流等水體的水質(zhì)狀態(tài)是動(dòng)態(tài)變化的，人工抽查的方式不利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)水體的突發(fā)污染［3］.為了動(dòng)態(tài)的了解水體的各類參數(shù)，盡早獲取水體的污染信息，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)較為嚴(yán)謹(jǐn)可靠、可以在各類環(huán)境中使用的智能型實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng).

1　水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

參考國內(nèi)外的研究，動(dòng)態(tài)的水質(zhì)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)水溫、溶解氧、pH值、電導(dǎo)率、濁度、氨氮、硝酸鹽氮，以及水深、流速等項(xiàng)目.其中水溫、PH值、濁度、電導(dǎo)率等［4］具有較成熟的檢測(cè)方法.根據(jù)我國《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）的規(guī)定，在考慮到性價(jià)比的前提下本系統(tǒng)中選擇的檢測(cè)項(xiàng)目有：水溫、PH值、溶解氧（DO）、電導(dǎo)率（EC）.

溫度是反映水質(zhì)狀況的重要參數(shù).當(dāng)水溫異常的時(shí)候，往往反映水體中的營養(yǎng)鹽、藻類繁殖狀況的異常［5］.PH值反映了水中的酸堿度，通常健康的水體的酸堿度應(yīng)該是中性、弱酸或弱堿性，酸堿度異常往往反映了水體中存在酸污染、重金屬污染或藻類爆發(fā)［5］.電導(dǎo)率也能反映出污染狀況：水質(zhì)的硬度、溶解性離子的濃度都能對(duì)電導(dǎo)率產(chǎn)生影響.濁度反映了水體中的懸浮物、雜質(zhì)顆粒的含量，當(dāng)水體發(fā)生嚴(yán)重污染的時(shí)候，水體中透明度度將會(huì)快速降低.當(dāng)水體富營養(yǎng)化的時(shí)候，水藻繁殖茂盛，懸浮顆粒增加，透明度下降.溶解氧、氨氮主要反映水體的富營養(yǎng)化問題.當(dāng)水體中的N、P等元素增加，藻類將會(huì)過度的繁殖，水中的溶解氧將會(huì)下降［6］.

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)由若干臺(tái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)和一臺(tái)主機(jī)組成，測(cè)量節(jié)點(diǎn)分布于大壩前水體中，主機(jī)位于大壩旁邊的機(jī)房中.

2.1測(cè)量節(jié)點(diǎn)方案設(shè)計(jì)

各測(cè)量節(jié)點(diǎn)由多參數(shù)水質(zhì)傳感器、信號(hào)處理電路、接口電平轉(zhuǎn)換電路、MCU、大功率無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊組成.水質(zhì)傳感器不斷測(cè)量出該區(qū)域水溫、PH值、溶解氧、濁度、電導(dǎo)率等參數(shù)，利用信號(hào)處理模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，該信號(hào)通過接口電平轉(zhuǎn)換電路傳送至單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)信號(hào)解碼后，通過串口將數(shù)據(jù)傳輸至無線收發(fā)模塊SV6500，經(jīng)天線將檢測(cè)得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī).測(cè)量節(jié)點(diǎn)組成框圖如圖1所示.

圖1　測(cè)量節(jié)點(diǎn)組成框圖

2.2主機(jī)系統(tǒng)組成

主機(jī)由單片機(jī)、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊、按鍵模塊、時(shí)鐘模塊組成.其工作原理是：無線收發(fā)模塊接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳送至MCU，MCU對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算分析，并進(jìn)行存儲(chǔ).如果水質(zhì)參數(shù)不超標(biāo)，只將檢測(cè)得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上；如果參數(shù)超標(biāo)，還將發(fā)出報(bào)警信號(hào).主機(jī)組成框圖如圖2所示：

圖2　主機(jī)組成框圖

3　水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由電化學(xué)傳感器、CPU、無線信號(hào)發(fā)射裝置、無線信號(hào)接收裝置、報(bào)警電路、時(shí)鐘電路、顯示模塊、按鍵模塊組成.

3.1微控制器的選型

隨著單片機(jī)的快速發(fā)展，各家單片機(jī)廠商競(jìng)相推出各具特色的單片機(jī)芯片，功能不斷完善，性能不斷提高，功耗不斷降低，價(jià)格逐漸下降.因此可供選擇的單片機(jī)較多.根據(jù)系統(tǒng)需求，為了盡量減少單片機(jī)以外的電路元件，提高各區(qū)域控制器的穩(wěn)定性，并且考慮到本系統(tǒng)需要較大的存儲(chǔ)空間，最終使用STC12C5A32S2單片機(jī)作為主機(jī)和各測(cè)量節(jié)點(diǎn)的控制器.

該型號(hào)單片機(jī)具備串口下載、AD轉(zhuǎn)換、高達(dá)2M的EEPROM等優(yōu)點(diǎn)，且具有較高的性價(jià)比，功能十分的豐富.STC12C5A32S2單片機(jī)的工作電壓較為寬泛，可達(dá)3.3V-5.5V.它是一種單時(shí)鐘/機(jī)器周期的單片機(jī)，可以將程序通過P30、P31串口直接寫入到芯片內(nèi)部.其具有速度快、可靠性高、優(yōu)良的抗靜電、抗干擾性能.STC12C5A32S2單片機(jī)的儲(chǔ)存空間較大，其EEPROM具有56個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)512字節(jié).在擦除時(shí)，沒有字節(jié)擦除，只有扇區(qū)擦除.其具有較快的AD轉(zhuǎn)換能力，最高可達(dá)30萬次每秒，最高精度可達(dá)10位，轉(zhuǎn)換通道最多可達(dá)8路.

采用STC12C5A32S2單片機(jī)可以減少AD轉(zhuǎn)換和EPROM存儲(chǔ)等外圍元件的個(gè)數(shù)，這樣不僅可以減少硬件開發(fā)時(shí)布線的難度而且可以減少成本. STC12C5A32S2單片機(jī)是新一代8051單片機(jī)，完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)的指令代碼.其內(nèi)部集成了復(fù)位電路、8路高速10位AD轉(zhuǎn)換，2路PWM，能抗強(qiáng)干擾.

3.2檢測(cè)傳感器的選型

經(jīng)過比較分析，考慮性價(jià)比，水質(zhì)傳感器采用國產(chǎn)ICF-2多參數(shù)水質(zhì)傳感器，該傳感器功耗較低，具有較高的準(zhǔn)確性，可以實(shí)現(xiàn)多種水質(zhì)參數(shù)的測(cè)量.與國外品牌相比具有突出的性價(jià)比優(yōu)勢(shì).它的主要監(jiān)測(cè)參數(shù)包括溫度、溶解氧、電導(dǎo)率、PH值、濁度等.其中，氧傳感器模塊采用了熒光法原理，不需要更換膜片，該傳感器自帶清洗裝置，極大的減少了維護(hù)工作量.該多參數(shù)水質(zhì)傳感器的主要參數(shù)見表1.

表1　水質(zhì)傳感器參數(shù)

該傳感器與STC12C5A32S2單片機(jī)之間通過RS485電平轉(zhuǎn)換進(jìn)行連接.

3.3其它硬件的選型

考慮到壩前水域的水質(zhì)采樣點(diǎn)到機(jī)房的距離都在1km以內(nèi)，并且很空曠無阻擋物，以及后期的使用成本和維護(hù)難度，本系統(tǒng)選擇SV6500無線傳輸模塊用于水質(zhì)數(shù)據(jù)的傳輸，如圖3所示.

SV6500采用了Silicon Lab Si4432射頻芯片，具有卓越的無線傳輸性能，可以進(jìn)行超遠(yuǎn)距離的無線數(shù)據(jù)收發(fā).其輸出的最大功率可以達(dá)到5W，在空曠的條件下傳輸距離可以達(dá)到8000米.SV6500具有40個(gè)信道可選，可供選擇的工作頻段有4個(gè)：433/470/868/915 MHz，具有4字節(jié)可配置網(wǎng)絡(luò)ID和雙字節(jié)可配置節(jié)點(diǎn)ID，數(shù)據(jù)傳輸率也有多種可供選擇.天線可自動(dòng)匹配及雙向開關(guān)控制.具有TTL /RS232/RS485等多種接口.其靈敏度高達(dá)-121dBm，工作電壓9～18V，工作溫度范圍：-40C～+85℃.各項(xiàng)參數(shù)能滿足本系統(tǒng)的要求.SV6500無線傳輸模塊已經(jīng)被成功應(yīng)用于無線遙控遙測(cè)、遠(yuǎn)程抄表、安防系統(tǒng)、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、家庭自動(dòng)化遙測(cè)、個(gè)人數(shù)據(jù)記錄、無線TTL/232/485數(shù)據(jù)通信、樓宇小區(qū)自動(dòng)化與安防、門禁系統(tǒng)、機(jī)器人控制等方面.

圖3　SV6500無線傳輸模塊實(shí)物

考慮到本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求以及性價(jià)比，最終使用DS1302作為時(shí)鐘芯片.DSl302也是較為常用的時(shí)鐘芯片，它是由Dallas公司生產(chǎn)的一種串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片，它具有較高的性價(jià)比，具有寫保護(hù)功能、具有寬泛的工作電壓.

4　軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件編寫是在Keil Uvision2開發(fā)環(huán)境中完成的，采用C語言編寫.通信調(diào)試時(shí)，通過串口助手結(jié)合硬件板調(diào)試程序.本系統(tǒng)中的程序都采用模塊化設(shè)計(jì)，具有過程簡(jiǎn)潔、結(jié)構(gòu)清楚的優(yōu)點(diǎn).

4.1各區(qū)域水質(zhì)測(cè)量節(jié)點(diǎn)軟件流程的設(shè)計(jì)

圖4　水質(zhì)測(cè)量節(jié)點(diǎn)程序流程圖

各區(qū)域水質(zhì)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的主要功能是測(cè)量水質(zhì)參數(shù)并且等待主機(jī)讀取.其具體過程為：首先讀取時(shí)鐘芯片DS1302的時(shí)鐘數(shù)據(jù)，然后通過水質(zhì)傳感器測(cè)量出該區(qū)域水溫、PH值、溶解氧、濁度、電導(dǎo)率等參數(shù)，單片機(jī)讀取水質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存，再判斷主機(jī)是否讀取數(shù)據(jù).如果主機(jī)需要讀取數(shù)據(jù)就將水質(zhì)參數(shù)無線發(fā)送到主機(jī).延時(shí)300s后重新檢測(cè).至此測(cè)量節(jié)點(diǎn)的程序完成一次循環(huán).每一臺(tái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)采用相似的軟件流程.軟件流程圖見圖4.

4.2主機(jī)軟件流程的設(shè)計(jì)

主機(jī)的主要功能有：按編號(hào)順序讀取各區(qū)域控制器的測(cè)量數(shù)據(jù)，顯示、儲(chǔ)存水質(zhì)參數(shù)，判斷水質(zhì)參數(shù)是否正常，如果異常則報(bào)警.

主機(jī)的程序流程如下：首先對(duì)系統(tǒng)各部分進(jìn)行初始化，然后按照編號(hào)順次讀取各水質(zhì)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存.主機(jī)判斷水質(zhì)數(shù)據(jù)是否超標(biāo)，如果水質(zhì)超標(biāo)，則控制報(bào)警模塊發(fā)出報(bào)警信號(hào)，紅色LED警告燈亮起.如果數(shù)據(jù)正常，則將數(shù)據(jù)顯示在NOKIA5110液晶屏上.主機(jī)將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在存儲(chǔ)模塊中，以便以后查詢.軟件流程圖如圖5所示.

圖5　主機(jī)程序流程圖

5　結(jié)語

實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重要發(fā)展方向，本水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)便、全天候工作、響應(yīng)快速、更低人力成本、較高可靠性等優(yōu)點(diǎn).該水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壩前水質(zhì)變化，如果發(fā)生突發(fā)污染，可以快速的報(bào)警，避免給下游生活生產(chǎn)用水造成更大的損失.但是這種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方式不能完全替代實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)取樣檢測(cè)，在運(yùn)行過程中需要定期采用實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn).

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中圖分類號(hào)：TN98

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-260X（2016）05-0171-03

收稿日期：2016-03-22

基金項(xiàng)目：福建省教育廳A類科技一般項(xiàng)目（JA13277）；莆田學(xué)院校級(jí)項(xiàng)目（2015031）