摘要：針對(duì)傳統(tǒng)水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)存在實(shí)時(shí)性差、靈敏度低、成本高等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于STM32單片機(jī)及多種水質(zhì)傳感器的智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地表水溫度、酸堿度、溶解氧、濁度、電導(dǎo)率等水質(zhì)參數(shù)，能實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)水質(zhì)數(shù)據(jù)，最后通過(guò)GPRS通訊模塊將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)浙江省臨安苕溪河、臨安東湖村水庫(kù)及浙江農(nóng)林大學(xué)東湖3個(gè)地點(diǎn)的水質(zhì)，表明水質(zhì)優(yōu)劣程度，浙江農(nóng)林大學(xué)東湖優(yōu)于東湖村水庫(kù)和臨安苕溪河，該水質(zhì)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：地表水；STM32單片機(jī)；水質(zhì)傳感器；智能監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：S273.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）16-4283-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.16.054

中國(guó)是人均淡水資源貧國(guó)，水資源可用量、人均和單位面積的水資源數(shù)量極為有限[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工廠廢棄物直接排放到河流中，導(dǎo)致水質(zhì)污染日益嚴(yán)重，因此保護(hù)水環(huán)境迫在眉睫，浙江省政府為確保水質(zhì)安全推出“五水共治”的政策[2]，該政策主要為了治理自來(lái)水、江水、河水等的污染問(wèn)題。而水質(zhì)監(jiān)測(cè)就是對(duì)水環(huán)境中的污染物及污染因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其目的是評(píng)價(jià)污染物產(chǎn)生的原因及污染途徑為防治污染提供技術(shù)支持[3]。因此監(jiān)測(cè)水質(zhì)的必要性不言而喻，依靠水質(zhì)監(jiān)測(cè)手段可以確定水環(huán)境控制目標(biāo)及改善水環(huán)境質(zhì)量狀況的效果[4]。

目前，水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法主要有兩種方式：人工采集[5]和水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站。人工方式勞動(dòng)強(qiáng)度大，檢測(cè)周期長(zhǎng)，不能實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，難以全面準(zhǔn)確反映水質(zhì)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站建設(shè)周期長(zhǎng)投資成本高，覆蓋水域有限，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)范圍小，不能同時(shí)對(duì)多點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[6]。若出現(xiàn)極端突發(fā)情況，水質(zhì)受到嚴(yán)重污染，如工業(yè)廢水傾倒，甚至受到二次污染，則傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線反映水質(zhì)動(dòng)態(tài)情況。因此，本研究設(shè)計(jì)了表水水質(zhì)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)家水質(zhì)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[7]，包括溫度、pH、溶解氧（DO）、化學(xué)需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、總磷（以P計(jì)）等項(xiàng)目。主要對(duì)地表水物理特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確定將溫度、酸堿度、溶解氧、濁度和電導(dǎo)率5個(gè)參數(shù)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)5個(gè)參數(shù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，在LCD顯示屏上實(shí)時(shí)顯示采集的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，同時(shí)本地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過(guò)GPRS通訊模塊上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

根據(jù)上述功能要求，系統(tǒng)主要由單片機(jī)主控模塊、傳感器模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、液晶顯示模塊和通訊模塊組成，系統(tǒng)框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由主控模塊、傳感器檢測(cè)模塊、存儲(chǔ)模塊和顯示模塊以及其他模塊組成。水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)傳感器模塊采集水質(zhì)參數(shù)，由主控模塊處理采集到的水質(zhì)參數(shù)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于存儲(chǔ)模塊中，并且把結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在LCD顯示屏上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)水質(zhì)參數(shù)。

2.1 最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)包括單片機(jī)及電源、時(shí)鐘、復(fù)位等部分組成[8]，其中單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)控制中心。該系統(tǒng)采用STM32系列閃存微控制器作為主控模塊，該模塊采用ARM公司最新的Cortex-M3內(nèi)核架構(gòu)，具有高性能、低功耗、性價(jià)比高的特性[9]，最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)采樣模塊

數(shù)據(jù)采樣模塊是水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)重要部分[10]，按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，該系統(tǒng)需實(shí)時(shí)采集pH、溫度、溶解氧、濁度、電導(dǎo)率5個(gè)參數(shù)。系統(tǒng)采用的水質(zhì)傳感器型號(hào)分別為ZA-TU-A101型濁度傳感器、ZA-CDT-A101-485型電導(dǎo)率傳感器、ZA-DO-A101-485溶解氧傳感器的型號(hào)是、ZA-PH-A101-485型酸堿度傳感器。

除濁度傳感器采用12位的A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)進(jìn)行通訊外，其余傳感器均采用MODBUS協(xié)議，通過(guò)RS485接口與單片機(jī)進(jìn)行通訊。傳感器接口電路見圖3～圖7。

2.3 存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)模塊是采集器的關(guān)鍵模塊，要求存儲(chǔ)可靠，寫入速度快、容量大，實(shí)現(xiàn)本地備份防止數(shù)據(jù)無(wú)故丟失[11]。系統(tǒng)采用SD卡（Secure digital memory card）作為存儲(chǔ)模塊[12]。每小時(shí)發(fā)送N組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)有5個(gè)參數(shù)，每個(gè)參數(shù)大小為8 bit，則一天發(fā)送的數(shù)據(jù)為N×24×5×8 bit。當(dāng)N=3時(shí)，采用128 Mb的SD卡，那么SD卡約能存儲(chǔ)一年的數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了系統(tǒng)的可調(diào)行。

SD卡與單片機(jī)通訊模式可分為SD卡模式與SPI模式[13]，系統(tǒng)采用SD卡模式，該模式需要4條數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，各個(gè)引腳功能如表1所示，存儲(chǔ)模塊的硬件電路如圖8所示。

2.4 液晶顯示模塊

LCD液晶顯示模塊主要是為了實(shí)時(shí)顯示水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)、采集時(shí)間、采集點(diǎn)，系統(tǒng)采用ILI9341型號(hào)液晶屏[14]。為了提高顯示圖片速度和圖像質(zhì)量，該系統(tǒng)采用16 bit并行接口與單片機(jī)通訊，接口電路如圖9所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件開發(fā)環(huán)境

STM32軟件的開發(fā)基于IAR embedded workbench開發(fā)平臺(tái)[15]，整個(gè)軟件開發(fā)、調(diào)試和仿真都在Window7操作系統(tǒng)下完成。

3.2 系統(tǒng)主程序流程

系統(tǒng)工作時(shí)首先要進(jìn)行初始化，需要初始化的模塊包括USART、GPGS、DS1302、KEY、GPIO、LCD等。系該統(tǒng)主要包括3個(gè)模塊，分別為MODBUS協(xié)議模塊、按鍵模塊、GPRS模塊，系統(tǒng)主程序流程圖如圖10所示。

3.3 系統(tǒng)主要模塊

按鍵模塊，按下鍵同時(shí)調(diào)節(jié)參數(shù)，根據(jù)按鍵功能不同操作進(jìn)入數(shù)據(jù)界面。模塊中包含以下功能鍵：選擇、確認(rèn)、加和減。開始進(jìn)入IP地址調(diào)試，通過(guò)選擇、確認(rèn)、加和減的功能鍵調(diào)試，然后對(duì)時(shí)間點(diǎn)及測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)。

MODBUS協(xié)議模塊，主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，通過(guò)RS485將數(shù)據(jù)發(fā)送給傳感器，然后置于接收狀態(tài)，傳感器接到主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)返回給主機(jī)，最后將數(shù)據(jù)傳到液晶的數(shù)據(jù)口并顯示。

GPRS模塊經(jīng)過(guò)IP和端口數(shù)據(jù)讀取后，進(jìn)行串口初始化，發(fā)送，等待接受。GPRS模塊首先配置APN進(jìn)入TCP功能，打開一條TCP連接，每隔1 h發(fā)1次，每次發(fā)3組數(shù)據(jù)到TCP終端，直至1 h后關(guān)閉GPRS。

3.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心模塊

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的地址為http：//60.190.216.49：8002。

4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備及過(guò)程

系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試地點(diǎn)分別選取浙江農(nóng)林大學(xué)東湖、臨安苕溪河、臨安東湖水庫(kù)。時(shí)間分別于2015年1月27-29日、1月30日、2月2日對(duì)3個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)實(shí)物如圖11所示。

上電開機(jī)并完成設(shè)備初始化后，設(shè)備每隔1 min定時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)并通過(guò)LCD液晶屏實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)打包封裝后通過(guò)GPRS模塊上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。為了系統(tǒng)備份的需要，采集的數(shù)據(jù)同時(shí)存儲(chǔ)于本地SD卡中。根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心獲得的數(shù)據(jù)用Excel軟件進(jìn)行分析處理后可得表2。

4.2 數(shù)據(jù)分析與討論

本試驗(yàn)主要對(duì)水質(zhì)的濁度、酸堿度、溫度、溶解氧、電導(dǎo)率5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值以及地表水水域環(huán)境功能和保護(hù)目標(biāo)可知[16]。由表3可知，浙江農(nóng)林大學(xué)東湖水質(zhì)符合Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)，臨安東湖村水庫(kù)和臨安苕溪河水質(zhì)符合Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，根據(jù)臨安苕溪河濁度大于東湖水庫(kù)的濁度。結(jié)果表明，浙江農(nóng)林大學(xué)東湖的水質(zhì)優(yōu)于東湖村水庫(kù)、臨安苕溪河。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究開發(fā)了一種能檢測(cè)水質(zhì)溫度、酸堿度、溶解氧、濁度、電導(dǎo)率5個(gè)水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能在液晶顯示屏上實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，本地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。通過(guò)對(duì)浙江農(nóng)林大學(xué)東湖、臨安東湖村水庫(kù)、臨安苕溪河3個(gè)地點(diǎn)的河流水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，處理水質(zhì)數(shù)據(jù)，表明浙江農(nóng)林大學(xué)東湖的水質(zhì)優(yōu)于東湖村水庫(kù)、臨安苕溪河。該系統(tǒng)試驗(yàn)過(guò)程中運(yùn)行穩(wěn)定，具有低功耗、低成本、配置靈活、應(yīng)用范圍廣、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊林林，楊培嶺，任樹梅.可持續(xù)發(fā)展中的再生水回用[J].前線，2004（1）：42-43.

[2] 浙江省治水辦課題組.為有源頭活水來(lái)——從開化實(shí)踐看“五水共治”的多重效應(yīng)[J].政策瞭望，2014（12）：38-41.

[3] 武萬(wàn)峰，徐立中，徐 鴻.水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)綜述[J].水利信息化，2004（1）：14-18.

[4] 高 娟，華 珞，滑麗萍，等.地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀分析與對(duì)策[J].首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，27（1）：75-80.

[5] 李建輝.基于GPRS水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2009.

[6] 鄭巨雙.智能水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)的研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2006.

[7] 郭曉茆，陳建江.執(zhí)行GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的思考[J].環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，2002，14（4）：30-32.

[8] 勾慧蘭，劉光超.基于STM32的最小系統(tǒng)及串口通信的實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2012，25（9）：26-28.

[9] 張 旭，亓學(xué)廣，李世光.基于STM32電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2010，33（11）：90-93.

[10] 于 強(qiáng).水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].遼寧大連：大連理工大學(xué)，2007.

[11] 王連波.數(shù)據(jù)采集記錄設(shè)備的存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)[J].科技傳播， 2013（14）：228.

[12] 孫天佑，李宏毅.基于C8051單片機(jī)的大容量SD卡存儲(chǔ)系統(tǒng)的研究[J].科技信息（科學(xué)教研），2007（31）：70.

[13] 司新生.51單片機(jī)SD卡SPI模式操作[J].教育教學(xué)論壇， 2010（29）：192-193.

[14] 任志敏.一種基于OV7725圖像實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].福建電腦，2013，29（1）：128-130.

[15] 童 剛，李 萍.基于STM32F103VB單片機(jī)的串口通信程序設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化信息，2010（9）：48-49.

[16] 王菲菲，李 琴，王先良，等.我國(guó)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》歷次修訂概要及啟示[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014，39（1）：28-31.