劉玉蘭+宋健男+王彥卿+劉洋

摘 要：本文設(shè)計了一個基于ARM9的泳池水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對泳池水質(zhì)的監(jiān)測，現(xiàn)場可以采集泳池各項數(shù)據(jù)，通過ARM9網(wǎng)關(guān)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)端，實現(xiàn)了現(xiàn)場和遠(yuǎn)程都能對泳池環(huán)境的監(jiān)測和控制。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)監(jiān)測；zigbee；物聯(lián)網(wǎng)；ARM9

一、設(shè)計背景

隨著天氣的轉(zhuǎn)暖，很多人走進(jìn)了游泳館。隨之而來的是對泳池衛(wèi)生問題的重視。水質(zhì)不好，不僅影響游泳心情，更多的是會對身體健康造成危害。我國私立游泳池大多數(shù)都有監(jiān)管不嚴(yán)，對于水質(zhì)問題上得過且過，泳池長期不換水導(dǎo)致泳池中pH值不穩(wěn)，細(xì)菌過多，游離性余氯過量，甚至尿液過多。這些對人體的皮膚、眼睛和呼吸系統(tǒng)都會造成不理影響，甚至引發(fā)頭發(fā)干枯、皮膚發(fā)干起蘚等癥狀，危害了泳民的身體健康。針對目前的情形，泳池管理方和衛(wèi)生監(jiān)督部門也在加強(qiáng)對泳池水質(zhì)的監(jiān)測工作，但完全靠人力根據(jù)世界來控制泳池的潔凈度，很顯然存在很多漏洞，首先是不能及時更換新水，其次是一旦更換新水就意味著泳池暫時停用，工人加班等一系列問題。本項目就是在這個背景下提出的，具有一定市場前景和應(yīng)用價值。

二、研究內(nèi)容

用智能，集成，且功能強(qiáng)大的ARM9為控制中心，設(shè)計出一套泳池水質(zhì)自動平衡循環(huán)系統(tǒng)，安裝在泳池各種讀取水質(zhì)數(shù)據(jù)的傳感器，通過大范圍多個傳感器的檢測實時監(jiān)控泳池綜合水質(zhì)檢測值是否超過額定值，若超過額定值則啟動循環(huán)平衡系統(tǒng)，若沒有超過額定值則繼續(xù)監(jiān)測。主要檢測水溫、pH值、游離性余氯、渾濁度、尿素、細(xì)菌含量等相關(guān)泳池環(huán)境指標(biāo)。同時將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的ZigBee終端上以實時無線的方式傳至ZIGBEE協(xié)調(diào)器，再經(jīng)由ZIGBEE協(xié)調(diào)器傳輸數(shù)據(jù)到主控芯片上。以上設(shè)計通過和平衡循環(huán)系統(tǒng)聯(lián)動以保證泳池水質(zhì)合格。

三、系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)中對于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的定義，可將本設(shè)計分為三層結(jié)構(gòu)，分別是：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

3.1感知層設(shè)計

感知層處于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的底層，主要是對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)最底層的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取。一般采用相關(guān)傳感器、攝像頭、RFID和條形碼等采集底層世界的數(shù)據(jù)，然后通過現(xiàn)場總線、藍(lán)牙、WIFI、紅外等短距離傳輸技術(shù)傳遞數(shù)據(jù)。使人們可以通過數(shù)據(jù)與底層物體交流，分析和監(jiān)測現(xiàn)場狀態(tài)。本設(shè)計中對泳池水質(zhì)的實時監(jiān)測就是處于感知層。通過在泳池內(nèi)分布的多個傳感器來感知泳池的水質(zhì)狀態(tài)。其中熱電偶傳感器用來監(jiān)測水溫；PH傳感器用來監(jiān)測水的酸堿度；濁度傳感器用來監(jiān)測水中渾濁濃度；尿素傳感器用來監(jiān)測水中尿液能雜志的濃度。這些傳感器為ZIGBEE節(jié)點(diǎn)，所采集到的泳池水質(zhì)參數(shù)將會送往ZIGBEE協(xié)調(diào)器。

3.2網(wǎng)絡(luò)層

通過ZIGBEE協(xié)議棧來處理泳池內(nèi)安裝的各種相關(guān)傳感器傳送來的數(shù)據(jù)，并通過項目網(wǎng)關(guān)進(jìn)行現(xiàn)場顯示監(jiān)測和PC機(jī)遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測。設(shè)計中采用ARM9核心芯片來作為網(wǎng)絡(luò)層的核心處理器，也就是項目網(wǎng)關(guān)。ARM9網(wǎng)關(guān)可以接收來自ZIGBEE協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)處理后，通過TCP/IP協(xié)議上傳至服務(wù)器端。在本層中采用廣泛使用的液晶觸摸屏作為顯示裝置。通過觸摸屏可以進(jìn)行現(xiàn)場的凈水設(shè)備的開啟和關(guān)閉。

3.3應(yīng)用層

感知層采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層傳送到應(yīng)用層，需要進(jìn)行有效地整合與利用。在本設(shè)計中，應(yīng)用層分為云端的服務(wù)器和用戶端的APP，在泳池循環(huán)系統(tǒng)確保游客安全的情況下，可以手動操控系統(tǒng)的運(yùn)行，當(dāng)人無法手動控制時，ARM9出于人性化，優(yōu)先級會高于客戶端，進(jìn)行自動凈化水質(zhì)，在泳池嚴(yán)重污染時會對游客和管理者發(fā)出警告并驅(qū)散人群。并且本設(shè)計有夜間自動修復(fù)功能，當(dāng)進(jìn)入夜間并確認(rèn)無人時，本系統(tǒng)會自動將所有的水快速循環(huán)，將各種有害數(shù)值降低到最低值并開啟臭氧消毒功能，以保證第二天水質(zhì)的潔凈。

四、凈水系統(tǒng)設(shè)計

凈水系統(tǒng)包含三個部分，分部是水過濾模塊、消毒模塊和水替換模塊。整個凈水系統(tǒng)的設(shè)計遵循了以人為本的原則。

4.1水過濾模塊

在保證人身安全的情況下水過濾模塊過濾池水，過濾口采用多層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與游客隔離的同時減緩流水速度，安裝單向閥和紅外傳感器，當(dāng)檢測到有物體靠近過濾口時水泵停止運(yùn)行，防止游客無意靠近造成人身危險。過濾部分采用多介質(zhì)過濾罐，能降低對人有害的物質(zhì)含量。

4.2消毒模塊

消毒模塊采用臭氧消毒，因為臭氧實際上是由氧原子構(gòu)成的，和我們呼吸的氧氣是同種構(gòu)成，所以使用完之后的副產(chǎn)物仍是氧氣，不會對人體造成危害，同時還可以凈化游泳池周圍的空氣。殘留物更不會刺激游泳者的皮膚、眼睛和鼻腔，也不會產(chǎn)生化學(xué)品污染，提高了水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和周圍環(huán)境質(zhì)量。

4.3水替換模塊

過濾和消毒能夠改善泳池水質(zhì)，但長時間后使用后的泳池水也是需要更換的，在保證水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，本設(shè)計還增加了隨時進(jìn)行水替換的功能模塊。當(dāng)感應(yīng)到水質(zhì)污染偏大時將通過布置在泳池進(jìn)水位置的電機(jī)和水泵開始工作，同時污染水質(zhì)的排水口也打開，對泳池內(nèi)的水進(jìn)行部分更換，從而更好的保證泳池的水質(zhì)安全。

五、結(jié)束語

本設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)，采用強(qiáng)大的嵌入式ARM9芯片為主控，結(jié)合ZigBee協(xié)議棧技術(shù)進(jìn)行傳感器的數(shù)據(jù)采集和組網(wǎng)，通過TCP/IP上傳到服務(wù)器，并通過上位機(jī)讀取實時數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和控制，同時泳池自身也可以在保證游客安全的情況下通過水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的自動過濾池水?；谶@種結(jié)構(gòu)所設(shè)計出的應(yīng)用具有高效率，易開發(fā)，可擴(kuò)展，高性能等優(yōu)勢。本項目是在不影響我國現(xiàn)有凈水體系下對泳池水質(zhì)自動凈化，極大減少對于人力的消耗，并對游客的人身安全實時的負(fù)責(zé)，在節(jié)約資源的同時正是相應(yīng)了我國以人為本的政策。系統(tǒng)成功安裝后消費(fèi)者可對泳池環(huán)境進(jìn)行透明性監(jiān)督，得到一個健康消費(fèi)。對于商家則可以以透明的，健康的消費(fèi)理念等特點(diǎn)作為主體去做，可以吸引廣大的消費(fèi)者去進(jìn)行消費(fèi)，從而拉動經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]弓雷，ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)詳解[M]，清華大學(xué)出版社 2014

[2]趙昕.游泳池規(guī)程CJJ 122-2008技術(shù)探討系列二——無氯游泳池技術(shù)，給水排水。2009

作者簡介：

劉玉蘭：哈爾濱石油學(xué)院 講師

宋健男、王彥卿、劉洋：哈爾濱石油學(xué)院 學(xué)生；