張娜 楊永輝

摘要：為了提高水質監(jiān)測系統(tǒng)中pH值的采樣精度，并解決定時定點采集數(shù)據(jù)耗費人力物力問題，設計并實現(xiàn)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水質監(jiān)測系統(tǒng)。首先，為了提高pH值的測量精度，硬件電路上使用AD8603進行前級調理，AD7792進行高精采樣，軟件設計上采用中值濾波和滑動濾波算法。其次，搭建水質監(jiān)測服務平臺，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過ZigBee傳輸?shù)街鳈C，在經(jīng)由GPRS發(fā)送到服務器，用戶使用手機APP或Weh可以遠程監(jiān)控每臺設備的數(shù)據(jù)。結果表明，所提方法提高了監(jiān)測設備的pH值測量精度，監(jiān)控平臺運行穩(wěn)定可靠。

關鍵詞：水質監(jiān)測;pH值精度;物聯(lián)網(wǎng);服務器平臺;數(shù)據(jù)傳輸;遠程監(jiān)控

中圖分類號：TN931+.3-34;TP277

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X（ 2019） 24-003 8-04

0 引言

水是人類生存息息相關的重要資源，無論是飲用水還是養(yǎng)殖用水，水質的好壞直接影響人類的生產和生活[1]。尤其近年來重大水質污染事件頻發(fā)[2]，水質狀況不容樂觀，因此，實時準確掌握水質參數(shù)狀況顯得十分重要[3]。傳統(tǒng)的水質監(jiān)測方法存在諸多問題，如采集精度低[4]，數(shù)據(jù)查看方式不靈活，需要固定人員定時巡檢，人工記錄數(shù)據(jù)，工作量大且存在人為因素誤差等。

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的水質監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對多監(jiān)測點水質信息實時在線監(jiān)測?？梢酝ㄟ^本地LCD彩屏、手機APP、Web網(wǎng)頁客戶端三種方式在線查看水質監(jiān)測點數(shù)據(jù)、設置報警閾值。

1 系統(tǒng)架構概述

水質監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集終端、服務器和客戶端三部分組成。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。本系統(tǒng)主要利用傳感器測量水系統(tǒng)中水的pH值、溫度、液位高度、水流速這些指標，數(shù)據(jù)采集終端將主、從機傳感器采集到的數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)包，通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送到服務器[5]，存儲到數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中。用戶可以通過手機APP或者Web客戶端訪問服務器，接收或查看監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，設置監(jiān)測點的報警閾值。服務器每隔30 min向手機APP推送數(shù)據(jù)信息，水質參數(shù)異常時服務器則立刻向手機推送報警信息，手機端以通知欄消息形式進行報警。

2 系統(tǒng)硬件設計

數(shù)據(jù)監(jiān)測終端由主機和從機組成，主從機差別為是否有GPRS聯(lián)網(wǎng)功能。主機硬件電路由電源管理電路、GPRS模塊電路、ZigBee/CAN組網(wǎng)電路、傳感器采集電路、人機交互電路等組成。硬件結構圖如圖2所示。

2.1 電源管理電路

由于監(jiān)測點經(jīng)常布置在偏遠地區(qū)，只采用市電供電，當停電時系統(tǒng)會停止工作，不能保證監(jiān)測的實時性。為解決這一問題，以TP5410電池管理芯片為核心設計了電源管理電路。當外部停電時自動切換到內部3.7 V鋰電池繼續(xù)供電。使用TL431設計了掉電監(jiān)測電路，監(jiān)控DC 12 V電源輸入，電源停止輸入后進行斷電報警，如圖3所示。

2.2 主從機組網(wǎng)電路設計

主從機之間可以通過CAN總線或ZigBee方式組網(wǎng)。使用有線組網(wǎng)時，總線損壞或者串人高電壓，有可能影響總線上的其他設備[6]。為了避免此類情況發(fā)生，設計了CAN總線電磁隔離電路，將總線驅動與MCU斷開電氣連接，降低因總線損壞對其他設備的影響，如圖4所示。

2.3 GPRS模塊電路設計

由于水質監(jiān)測點需求量大，考慮到網(wǎng)絡流量和模塊成本，這里選擇安信可公司的A6 GPRS模塊，該模塊支持物聯(lián)網(wǎng)卡，價格低廉。由于A6模塊開機時連接網(wǎng)絡峰值電流很高，所以直接通過串聯(lián)二極管降壓。

2.4 pH值調理電路

由于pH電極自身內阻較大，容易產生失調誤差，因此采用AD8603進行前級調理，如圖5所示。AD8603具有較低輸入偏置電流，典型值為200 fA，電極內阻為250 MΩ時，根據(jù)能斯特方程，誤差為0.05 mV（0.000 85 PH）。因此，該調理電路能夠有效地提高系統(tǒng)的測量精度。能斯特方程為：式中：E為氫電極電壓，活性未知;a=+30 mV為零點容差;T為環(huán)境溫度（單位：℃）;n=1價（25℃）;F=96 485為法拉第常數(shù);R=8.314為阿伏加德羅氏數(shù);pH為未知溶液的氫離子濃度;PHiso=7為參比氫離子濃度。

由于pH電極輸出為雙極性，而A/D轉換芯片為單極性供電，因此，應將傳感器的輸出電壓偏置到地以上。采用AD7792特有的210 μA恒流源流過5 kΩ 0.1%精密電阻，來產生偏置電壓，該偏置電壓還同時作為AD7792的基準電壓。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)程序由數(shù)據(jù)監(jiān)測終端、云服務器端、手機APP/Web客戶端三部分組成。硬件終端主要負責數(shù)據(jù)采集并轉發(fā)到服務器。用戶通過客戶端將報警閾值寫入到服務器中。服務器轉發(fā)數(shù)據(jù)到監(jiān)測終端，達到在線設置報警閾值的目的。

3.1 監(jiān)測終端軟件程序設計

由于監(jiān)測終端從機軟件設計與主機類似，這里以主機軟件設計為例。首先初始化系統(tǒng)參數(shù)，確定從機組網(wǎng)模式，然后開始連接云端服務器，由于網(wǎng)絡環(huán)境和信號強度問題，可能造成連接服務器失敗，此時系統(tǒng)會重新連接，當超出最大連接次數(shù)時系統(tǒng)自動復位。

系統(tǒng)啟動后每1 min周期性采集主機和從機的傳感器數(shù)據(jù)[7]。讀到的傳感器數(shù)據(jù)與設置的報警閾值進行比較，如果超出閾值馬上將報警信息發(fā)送到服務器，并聲光報警，提醒巡檢人員。在沒有報警信息時，30 min推送一次采集到的數(shù)據(jù)。為了確保主機與服務器能實時連接，定時向服務器發(fā)送心跳包，防止鏈接斷開。通過人機交互界面可以對終端設備的溫度、pH值進行標定和補償，也可以對離線狀態(tài)下的設備進行對報警門限、時間等的設置。

主機程序流程圖如圖6所示。

3.2 手機APP軟件設計

手機APP以Android操作系統(tǒng)作為開發(fā)環(huán)境，采用Java編程語言[8]，使用消息隊列遙測傳輸（Message Queu-ing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議[9]。程序設計主要包括用戶管理、設備管理兩大功能模塊。手機APP工作流程如下：注冊新用戶，注冊成功后填寫用戶名和密碼登錄;添加監(jiān)測設備，輸入主機屏幕首頁顯示的24位設備ID，即可添加對應設備到該用戶，長按設備名進人參數(shù)閾值設置頁面，設置完成點擊確定將閾值信息更新至服務器。

手機APP界面如圖7所示。

3.3 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設計

服務器提供用戶與終端之間數(shù)據(jù)綁定、轉發(fā)、存儲和查詢等服務，其核心是數(shù)據(jù)庫。在MySQL數(shù)據(jù)庫中建立user- name，user_devices和sensor_data三個表。us-er- name管理系統(tǒng)用戶信息，包括新用戶注冊、登錄、重命名等;user_devices管理用戶與監(jiān)測終端的對應關系，包括用戶對應監(jiān)測設備的增、刪、改等操作[10];sen-sor_data管理監(jiān)測終端數(shù)據(jù)信息，包括設備號、上傳時間、具體參數(shù)值等信息。服務器平臺工作運行環(huán)境如圖8所示。

4 試驗及結果分析

系統(tǒng)在某大型池塘中進行了測試，取連續(xù)7 h pH值數(shù)據(jù)和一個月內每日上午10：00數(shù)據(jù)，分別驗證系統(tǒng)的精確度與穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)匯總后如圖9所示。經(jīng)計算，pH值的平均相對偏差低于0.7%。測試結果表明，系統(tǒng)監(jiān)測精度高、運行穩(wěn)定可靠。監(jiān)測終端實物圖見圖10。5結語

本文設計的基于物聯(lián)網(wǎng)的水質監(jiān)測系統(tǒng)，解決了pH值測量精度低、數(shù)據(jù)接收方式不靈活等問題。用戶可以通過日常使用的手機實時掌握監(jiān)測區(qū)域水質情況。目前，服務器平臺已經(jīng)在阿里云部署，相關監(jiān)測點主從機已經(jīng)量產。

參考文獻

[1] YANG L，HE J，LIU Y. et al_Characteristics of change in wa-ter quality along reclaimed water intake area of the ChaobaiRiver in Beijing， China [J]. Journal of environmental sciences，2016. 50（ 12）：93.

[2]顧紅明，區(qū)域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡優(yōu)化及評價考核方法研究[J]中國環(huán)境監(jiān)測，2017，33（3）：118-125.

GU Hongming. Study on regional water environment monitoringnetwork optimization and evaluation method [J]. Environmentalmonitoring of China. 2017. 33（3）： 118-125.

[3] LIU Y， ZHENG B H， WANG M， et al.Optimization of sam-pling frequency for routine river water quality monitoring [J].Science China chemistrv. 2014， 57（5）： 772-778.

[4] ZHONG D H. CUI B. LIU D H. et al.Theoretical research onconstruction quality real-time monitoring and system integrationof core rockfill dam [J]. Science in China， 2009. 52（11）：3406-3412.

[5]丁承君，李宗奎，朱雪宏，等.基于GPRS的智能彎箍機檢測控制系統(tǒng)開發(fā)[J]現(xiàn)代電子技術，2018 .41（5）：159-162.

DING Chengjun， LI Zongkui， ZHU Xuehong. et al.Develop-ment of intelligent bending machine detection and control svs-tem based on GPRS [J]. Modern electronics technique， 2018，41（5）：159-162.

[6]于赫，秦貴和，孫銘會，等.車載CAN總線網(wǎng)絡安全問題及異常檢測方法[J]吉林大學學報（工學版），2016，46 （4）：1246-1253.

YU He， QIN Guihe， SUN Minghui，et al.Network securityproblem and anomaly detection method for vehicle CAN hus[J]. Journal of Jilin University （Engineering and technology edi-tion）， 2016， 46（4）： 1246-1253.

[7]黃建清，王衛(wèi)星，姜晟，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡的水產養(yǎng)殖水質監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)與試驗[J]農業(yè)工程學報，2013. 29（4）：183-190.

HUANG Jianqing， WANG Weixing， JIANG Sheng， et al.De-velopment and test of aquaculture water quality monitoring sys-tem based on wireless sensor network [J]. Transactions of theChinese society of agricultural engineering， 2013. 29（4）： 183- 190.

[8]吳晨，湯躍，湯玲迪，等.基于安卓系統(tǒng)的水渦輪特性參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)[J].排灌機械工程學報，2017. 35（4）：362-368.

WU Chen， TANG Yue， TANG Lingdi， et al.Wireless monitor-ing system for water turbine characteristic parameters based onAndroid system[J].Journal of drainage and irrigation engineer-ing， 2017， 35（4）： 362-368.

[9]楊志剛，劉繼文.基于手機的建筑用窗遠程開關控制系統(tǒng)的研究[J].電子技術應用，2018 ，44（5）：82-84.

YANG Zhigang， LIU Jiwen. Research on remote switch controlsystem of building window based on mobile phone [J]. Electron-ic technology applications， 2018， 44（5）：82-84.

[10]高學平，王振江，張晨，等，基于B/S模式的水質監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)研究[J].水利水電技術，2016，47（5）：101-104.

GAO Xueping. WANG Zhenjiang， ZHANG Chen. et al.Re-search on water quality monitoring data management systembased on B/S mode [J]. Water resources and hydropower engi-neering， 2016， 47（5） ： 101-104.

作者簡介：張娜（1991-），女，遼寧朝陽人，碩士研究生，助教，主要研究方向為智能控制。

楊永輝（1971-），男，遼寧鞍山人，碩士生導師，教授，研究方向為智能控制。