黃漢卿，徐 建，劉 佳，蘇和平，彭世賢

（湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000）

近年來(lái)，我國(guó)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的發(fā)展導(dǎo)致水污染的范圍不斷擴(kuò)散，程度也不斷加深。許多城市出現(xiàn)水質(zhì)的富營(yíng)養(yǎng)化、鐵錳超標(biāo)等問(wèn)題，因此對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的工作提出了更高的要求。pH，電導(dǎo)率，溫度，濁度和溶解氧是影響水質(zhì)的關(guān)鍵因素，而傳統(tǒng)的水質(zhì)檢測(cè)主要是依靠經(jīng)驗(yàn)或者化學(xué)試劑來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，這些方法既浪費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力，又不能對(duì)被檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。隨著物聯(lián)網(wǎng)和傳感器的快速發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也被應(yīng)用在水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面。系統(tǒng)通過(guò)傳感器將水質(zhì)參數(shù)轉(zhuǎn)換成易于處理和傳輸?shù)碾娦盘?hào)，通過(guò)GPRS完成數(shù)據(jù)的傳輸，滿足水質(zhì)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無(wú)線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以Cotex M4為主控制器，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GPRS無(wú)線傳輸技術(shù)對(duì)被檢測(cè)水域的pH，溫度，濁度，溶氧，電導(dǎo)率這些參數(shù)進(jìn)行采集和實(shí)時(shí)管理，系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)調(diào)理部分、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸部分和監(jiān)測(cè)終端4部分組成。系統(tǒng)的總體框如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框

水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分是數(shù)據(jù)的采集和傳輸，利用GPRS模塊建立起自組織網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)完成不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸，傳感器模塊和Cotex M4控制器是組成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵部分，對(duì)水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和匯總。最后以數(shù)據(jù)包的形式通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，最后移動(dòng)通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)，方便監(jiān)管部門(mén)進(jìn)行統(tǒng)一管理。同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)能對(duì)工廠排污是否超標(biāo)提供可靠的依據(jù)，當(dāng)被監(jiān)測(cè)水域出現(xiàn)污染時(shí)系統(tǒng)馬上啟動(dòng)聲光報(bào)警裝置。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集的核心組成部分，系統(tǒng)需要對(duì)被監(jiān)測(cè)水域的pH，溶氧，溫度，電導(dǎo)率，濁度等多種參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因此需要各種不同類(lèi)型的傳感器。系統(tǒng)放置多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，對(duì)不同位置的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[1]。將采集得到的物理信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后通過(guò)AD轉(zhuǎn)換電路將原模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)放大、濾波電路調(diào)理之后傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)器中，每隔一段時(shí)間將不同節(jié)點(diǎn)數(shù)字信息傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯總處理。傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2.2 溶氧參數(shù)采集模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用薄膜電極法來(lái)測(cè)量水中氧氣的溶解量，采用DO-952型溶解氧電極。其陰極由4 mm的黃金片組成，陽(yáng)極參比電極為銀片，兩極之間充以電解液。當(dāng)兩極之間加0.7 V左右的極化電壓后，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氧分壓電流，無(wú)氧時(shí)，兩極之間沒(méi)有電流，有氧時(shí)，溶解氧會(huì)以電流的方式被送入調(diào)理電路[2]。

溶解氧檢測(cè)電路設(shè)計(jì)如圖3所示。激勵(lì)源采用+12 V供電，D1為2.5 V穩(wěn)壓，將輸出的電流信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大，由于電極的內(nèi)阻比較大，因此前置放大器需要采用具有較高輸入阻抗的CA3410直流運(yùn)算放大器防置信號(hào)的衰減，并進(jìn)行電流的一級(jí)放大，第二級(jí)采用TL082進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換，并調(diào)理到單片機(jī)能夠處理的電壓范圍[3]。

圖3 溶氧檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

2.3 電導(dǎo)率參數(shù)采集模塊設(shè)計(jì)

電導(dǎo)率的檢測(cè)目前市場(chǎng)上并沒(méi)有推出集成的傳感器模塊[4]，因此本系統(tǒng)采用的是電極測(cè)量法來(lái)測(cè)量電導(dǎo)率，利用MAX038產(chǎn)生正弦波激勵(lì)信號(hào)，然后將產(chǎn)生的正弦波信號(hào)加到相互絕緣的兩個(gè)電極上，通過(guò)測(cè)量?jī)蓸O的電壓和通過(guò)兩極的電流的有效值，利用電流的有效值除以電壓的有效值就等于電導(dǎo)率。該方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，測(cè)量數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。電導(dǎo)率檢測(cè)電路如圖4所示。

圖4 電導(dǎo)率檢測(cè)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始工作的時(shí)候，首先要完成系統(tǒng)組網(wǎng)過(guò)程。該過(guò)程由協(xié)調(diào)器完成，包含網(wǎng)絡(luò)初始化、網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)的配置和傳感器節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)3個(gè)步驟，協(xié)調(diào)器完成組網(wǎng)之后啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，并開(kāi)始管理其他的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)信標(biāo)幀進(jìn)行任務(wù)的分配[5]。系統(tǒng)組網(wǎng)流程如圖5所示。

3.2 GPRS軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器之后，GPRS利用移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)把獲得的數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，相對(duì)于其他的通信方式而言，GPRS通信具有傳輸距離遠(yuǎn)、實(shí)時(shí)性好、可控性強(qiáng)等特點(diǎn)[6]。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)流程如圖6所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)結(jié)合了嵌入式技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)參數(shù)的遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)，解決了傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的問(wèn)題和不足。系統(tǒng)采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，具有價(jià)格便宜、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)采用Cotex M4處理數(shù)據(jù)，GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能幫助監(jiān)管部門(mén)更加實(shí)時(shí)、高效地對(duì)被監(jiān)測(cè)水域進(jìn)行管理。

圖5 系統(tǒng)組網(wǎng)軟件流程

圖6 GPRS數(shù)據(jù)傳輸流程

[1]申慶祥，張宇華.生命周期最大化的無(wú)線水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)化研究[J].軟件工程，2017（9）：45-48.

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[4]呼娜.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2012.

[5]李惠英，徐柳娟，楊啟堯.基于GIS的便攜式無(wú)線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（4）：28-33.

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