許克杰，何金龍

(中國計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，杭州 310018 )

基于物聯(lián)網(wǎng)的城市河道酸堿度遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

許克杰，何金龍

(中國計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，杭州 310018 )

隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市河道水環(huán)境受到了嚴(yán)重的污染和破壞，其中水質(zhì)的酸堿度是水質(zhì)污染的一個重要指標(biāo);由于城市河道水質(zhì)污染的不確定性，一套能夠在野外無人看管的環(huán)境下，多節(jié)點(diǎn)多范圍對河道水質(zhì)酸堿度實(shí)時檢測系統(tǒng)成為一種需求;系統(tǒng)中每個采集節(jié)點(diǎn)連有pH傳感器，采集的pH值數(shù)據(jù)通過Zigbee模塊傳給基站，基站將每個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)與時間和地點(diǎn)信息綁定存儲到云端數(shù)據(jù)庫;管理人員可以通過網(wǎng)頁隨時隨地了解當(dāng)前各區(qū)域的水質(zhì)酸堿度情況，如一旦水質(zhì)出現(xiàn)污染，管理人員可以通過后臺了解水質(zhì)污染的擴(kuò)散情況和污染源頭，可以及時采取措施降低損失；該系統(tǒng)的運(yùn)用與傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場取樣帶回實(shí)驗(yàn)室分析的方法相比，不但極大地提高了預(yù)警能力而且還大幅降低人力成本。

物聯(lián)網(wǎng)；酸堿度傳感器；城市河道；污染

0 引言

在我國各型城市都遍布著各種各樣的河道，有的是為交通運(yùn)輸服務(wù)的運(yùn)河，有的是改善城市景觀，維持生態(tài)平衡，承擔(dān)著防洪排澇的河流。但是在城市化進(jìn)程中，大量的城市生活污水和工業(yè)廢液的排入，超出了河道本身的自凈能力，打破河道的生態(tài)平衡，導(dǎo)致河道水質(zhì)污染嚴(yán)重，出現(xiàn)黑臭等情況。

酸堿度是水質(zhì)等級評價中一個重要的指標(biāo)，以pH來表征。在河道中，但凡涉及到河水污染都會使pH值發(fā)生變化，所以在對水質(zhì)污染監(jiān)測系統(tǒng)中，對水環(huán)境的pH值測量尤為重要[1]。目前管理部門對河道酸堿度的檢測大多都采用人工現(xiàn)場取樣，帶回實(shí)驗(yàn)室用檢測儀器分析的方法，也有檢測人員利用便攜式pH傳感器在河道現(xiàn)場測量。若需要多點(diǎn)多區(qū)域采樣，以上測量方法則要花費(fèi)大量的人力和時間，而且檢測結(jié)果具有滯后性，因此基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)一套能夠遠(yuǎn)程實(shí)時檢測河道酸堿度，且覆蓋多點(diǎn)多區(qū)域的系統(tǒng)有很大需求[2-4]。管理部門不需要到現(xiàn)場，就能實(shí)時了解當(dāng)前各個區(qū)域的河道水質(zhì)的pH值，一旦pH超過正常值，管理部門可以立刻采取措施，降低損失。另外，還可以通過歷史數(shù)據(jù)尋找污染源頭，了解擴(kuò)散程度。綜上所述，整個系統(tǒng)不但可以減少人力成本，還極大提高了河道污染的預(yù)警能力。

1 總體結(jié)構(gòu)及原理

基于物聯(lián)網(wǎng)的城市河道酸堿度遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)的整體框架如圖1所示，是由多個節(jié)點(diǎn)、一個基站和網(wǎng)頁端組成。每個節(jié)點(diǎn)每隔20 s采集一次pH值，根據(jù)自定義協(xié)議構(gòu)建數(shù)據(jù)包，通過Zigbee發(fā)給基站，基站負(fù)責(zé)接收每個節(jié)點(diǎn)傳輸過來的信息，整理分類后并與當(dāng)前時間和節(jié)點(diǎn)位置信息一同保存到云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。網(wǎng)頁后臺每隔20 s會從數(shù)據(jù)庫中取每個節(jié)點(diǎn)當(dāng)前最新的pH值并在前端顯示。

圖1 總體框架

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

整個節(jié)點(diǎn)采用一塊2 000 mAh鋰電池進(jìn)行供電，選用Arduino Pro mini作為控制器，并與pH傳感器相連接，AD采集傳感器數(shù)據(jù)后通過Zigbee無線模塊發(fā)送給基站。整個節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)

控制器每20 s采集一次pH值，每個節(jié)點(diǎn)每次所發(fā)送的數(shù)據(jù)包采用自定義的協(xié)議格式，其中包括包頭、自身節(jié)點(diǎn)編號、pH值數(shù)據(jù)、crc校驗(yàn)及包尾等。

2.1.1 pH采集

目前工業(yè)上檢測pH值運(yùn)用最廣泛的是電極式傳感器，由指示電極與參比電極構(gòu)成。當(dāng)溶液中的氫離子濃度發(fā)生變化時，兩個電極之間的電勢差也隨之變化[5]。本系統(tǒng)中的pH傳感器采用玻璃電極作為指示電極，銀-氧化銀電極作為參比電極。在pH值0～14范圍內(nèi)，輸出為模擬量，由于pH復(fù)合電極自身內(nèi)阻很高(108Ω～1010Ω)，所以電極間輸出的電壓非常小，需要對信號進(jìn)行放大處理，以滿足微控制器對其的AD采樣需求。并在放大電路后加上濾波電路過濾掉一些高頻的雜波，使信號更加穩(wěn)定。信號放大濾波電路[6]如圖3所示。

圖3 pH電極信號處理電路

接著對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，用HCl和NaOH溶液配置pH值為1～13的緩沖溶液，采集傳感器在不同的pH值溶液中輸出的電壓值，并且每個pH值取多次求平均，并對該組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合[7]。圖4的曲線為最終擬合標(biāo)定出來的曲線，由關(guān)系圖可知，pHi(i=1，2，…，n)與Ei(i=1，2，…，n) 基本滿足線性關(guān)系E=-0.269 2·pH+3.807 7。

圖4 pH值與電壓線性擬合曲線

2.1.2 無線傳輸

Zigbee無線技術(shù)非常適合應(yīng)用在野外或者煤井等惡劣條件下的監(jiān)測系統(tǒng)中[8-9]。本系統(tǒng)每個節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過zigbee無線透傳模塊發(fā)送給基站，該模塊已經(jīng)封裝好不同模式的協(xié)議棧，分為主機(jī)(Coordinator)、路由設(shè)備(Router)、終端設(shè)備(EndDevice)。一個 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的建立是由主機(jī)發(fā)起的，當(dāng)主機(jī)建立起網(wǎng)絡(luò)之后，路由設(shè)備與終端設(shè)備即可以自由加入網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)基站的Zigbee使用主機(jī)模式，負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，所有節(jié)點(diǎn)的Zigbee模塊則使用路由模式。由于Zibgee是一種短距離傳輸方式，如果節(jié)點(diǎn)離基站距離過遠(yuǎn)，導(dǎo)致信號衰竭，路由設(shè)備則可以跳轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)，只要遠(yuǎn)距離的節(jié)點(diǎn)與基站之間還有傳輸范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)，就可以通過他們成功的將數(shù)據(jù)傳給基站。

2.2 基站設(shè)計(jì)

基站的主機(jī)采用的是預(yù)裝了Linux操作系統(tǒng)的Raspberry Pi，Zigbee模塊選用的是主機(jī)(Coordinator)模式，收集所有節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，通過串口轉(zhuǎn)USB傳給主機(jī)，主機(jī)解析數(shù)據(jù)包，如果數(shù)據(jù)包校驗(yàn)不對則直接拋掉，將校驗(yàn)正確的數(shù)據(jù)包解析后加上時間信息存到數(shù)據(jù)庫。

2.3 網(wǎng)頁功能設(shè)計(jì)

網(wǎng)頁端能夠?qū)崟r顯示當(dāng)前每個節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域的pH值，方便管理人員實(shí)時監(jiān)控。網(wǎng)頁端還有一個自動報(bào)警功能，當(dāng)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)超過設(shè)定的某個范圍，會第一時間發(fā)送郵件和短信給相關(guān)人員，以便他們迅速采取措施，減少損失。在此期間他們可以通過數(shù)據(jù)了解污染的范圍和污染源頭，為他們提供可靠的信息保障。最后，網(wǎng)頁還可以利用以往的歷史數(shù)據(jù)繪制報(bào)表和曲線，供相關(guān)部門研究其周期性變化。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)部分的軟件設(shè)計(jì)基于C語言，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以主程序?yàn)楹诵脑O(shè)置了很多功能模塊子程序。

節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)的主要思想是利用Arduino Pro mini微控制器對pH傳感器濾波放大后輸出的模擬信號進(jìn)行AD采樣，該控制器有六路模擬輸入A0到A5,每一路具有10位的分辨率。傳感器連入微控制器其中一個模擬輸入口，利用庫函數(shù)中的AD采樣函數(shù)，連續(xù)采集10組數(shù)據(jù)，去掉最大和最小值求得平均值，然后根據(jù)參考電壓求得實(shí)際電壓，之后利用上文標(biāo)定函數(shù)計(jì)算出pH值。微處理器會將計(jì)算出的pH值賦值到自定義協(xié)議數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體對應(yīng)變量上，并根據(jù)具體數(shù)據(jù)構(gòu)建校驗(yàn)字節(jié)段和整個數(shù)據(jù)包，接著微處理器從數(shù)據(jù)包的包頭地址每8位依次發(fā)送數(shù)據(jù)包，最后進(jìn)入的休眠模式以降低功耗。整個節(jié)點(diǎn)程序結(jié)構(gòu)就是在相應(yīng)初始化后，循環(huán)進(jìn)行AD采集、處理數(shù)據(jù)、構(gòu)建數(shù)據(jù)包、發(fā)送數(shù)據(jù)、休眠20 s，程序流程圖如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)程序流程圖

3.2 基站軟件設(shè)計(jì)

基站的Zigbee透傳模塊從采集節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后從串口引腳輸出，通過PL2303串口轉(zhuǎn)USB模塊將其連接到Raspberry Pi主機(jī)的USB口，主機(jī)的軟件設(shè)計(jì)基于Python語言，以獨(dú)立進(jìn)程的形式在安裝Linux操作系統(tǒng)的主機(jī)上運(yùn)行。程序的主要思想是循環(huán)監(jiān)視主機(jī)上的USB端口，一旦Zigbee透傳模塊收到數(shù)據(jù)并通過PL2303將數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)的USB口，程序便監(jiān)視到USB口有數(shù)據(jù)，跳出循環(huán)，判斷是否為包頭數(shù)據(jù)，如果是則繼續(xù)接收，直到接收到包尾數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)監(jiān)視USB端口。主機(jī)接收到完整的數(shù)據(jù)包之后，程序開始通過校驗(yàn)字節(jié)段解析數(shù)據(jù)包內(nèi)所含數(shù)據(jù)是否正確，如果正確，則取出數(shù)據(jù)包中的pH值數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)編號并添加時間戳和地點(diǎn)信息，存入云端數(shù)據(jù)庫相應(yīng)表中，否則，拋掉不正確的數(shù)據(jù)包，繼續(xù)監(jiān)視USB端口，基站程序流程如圖6所示。

圖6 基站程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)針對杭州某河道部署該遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)，沿著河道分別放置A、B、C、D四個檢測節(jié)點(diǎn)。于上午9時和下午3時，分別在4個節(jié)點(diǎn)邊河水取樣，選用米科傳感(Asmik)公司的型號為MIK-PH100便攜式pH傳感器測量得到數(shù)據(jù)后與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中相同時間段對應(yīng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)做比較，分別如表1和表2所示。

表1 上午9時數(shù)據(jù)對比

表2 下午3時數(shù)據(jù)對比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的城市河道酸堿度遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)在保證精度良好的前提下，能夠適應(yīng)野外無人看管環(huán)境，并且實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測河道多點(diǎn)多區(qū)域的水質(zhì)酸堿度參數(shù)。

5 結(jié)束語

為預(yù)防河道污染并實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測河道水質(zhì)酸堿度，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套河道水質(zhì)酸堿度遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)，實(shí)時掌握每個檢測點(diǎn)水質(zhì)酸堿度情況。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)檢測手段相比，還具備人力成本低，預(yù)警能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，并在發(fā)生水質(zhì)污染的情況下，能為尋找污染源和了解污染范圍提供可靠信息。

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Design of Remote Monitoring System of pH of Urban River Based on IOT

Xu Kejie，He Jinlong

(College of Mechanical and Electrical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

With the development of urban economy, the water environment of the city river is seriously polluted and destroyed, and the pH of the water quality is an important indicator of the water pollution. Because of the uncertainty of the water pollution in the city river, a set of real-time detection system for the multi node and multi range of the river urban pH is becoming a requirement under the condition of the field unattended. Each detection node connected with a pH sensor, collects data and transmits to the system base station through the Zigbee wireless module, and the base station stores the each node data with its position information and time information to the cloud database. Managers can use the web site to kown the current situation of the water quality of the every region, if the river is polluted, managers can also be aware of the diffusion of water pollution and pollution sources through the data informations, take measures to reduce the loss in time. Compared with the traditional method of artificial field sampling and laboratory analysis, the application of the system not only greatly improve the early warning ability but also reduce the cost of manpower.

IOT; pH sensor; urban river; pollution

2016-11-15；

2016-11-29。

浙江省自然科學(xué)基金(Y14F010075)。

許克杰(1992-)，男，浙江臺州人，碩士研究生，主要從事pH傳感器方向的研究。

1671-4598(2017)04-0031-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.010

TP212

A