摘 ?要：陜北地區(qū)是黃土高坡，地形多是千溝萬壑，雨情分布不均勻，時有干旱和暴雨發(fā)生，這樣的水情影響生活。因此，結(jié)合綜合氣象信息的水情監(jiān)測系統(tǒng)十分重要。該設(shè)計以STC89C52單片機(jī)為主控制中心，pH傳感器、水位壓力傳感器、溫度傳感器及藍(lán)牙模塊等主要硬件設(shè)計，對蓄水池的主要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)信息，預(yù)測未來降雨情況，對水位超限進(jìn)行及時預(yù)警處理，運(yùn)用藍(lán)牙技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水情參數(shù)的手機(jī)APP便攜式遠(yuǎn)程監(jiān)測。通過系統(tǒng)測試，該設(shè)計可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，對水情災(zāi)害的預(yù)防具有參考意義。

關(guān)鍵詞：氣象信息;水位傳感器;水情監(jiān)測;藍(lán)牙模塊;手機(jī)APP

中圖分類號：TP274 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）21-0033-04

Abstract： Northern Shaanxi region is the loess plateau， the terrain is thousands of gullies， the rain is unevenly distributed， and drought and rainstorm occur from time to time. Such water regime affects the local peoples life. Therefore， the water regime monitoring system combined with comprehensive meteorological information is very important. This design takes STC89C52 single-chip microcomputer as the main control center， and the main hardware includes pH sensor， water level pressure sensor， temperature sensor and Bluetooth module. It carries out real-time monitoring of the main parameters of the reservoir， predicts the future rainfall in combination with meteorological data information， carries out timely early warning treatment for water level out of limit， and uses Bluetooth technology to realize the portable remote monitoring of water regime parameters with mobile APP. The test results show， the design can achieve the expected function， which has reference significance for the prevention of water disaster.

Keywords： meteorological information; water level sensor; water regime monitoring; Bluetooth module; mobile APP

0 ?引 ?言

我國地處北溫帶，亞熱帶季風(fēng)區(qū)，地形復(fù)雜，氣候多變，降水年際變化很大[1，2]，嚴(yán)重的水情將會直接影響人們的生命安全、財產(chǎn)安全以及身心健康問題，因此需要對當(dāng)?shù)厮畮斓囊何?、水質(zhì)以及降雨量對水庫的水情影響等因素進(jìn)行在線監(jiān)測。而陜北地區(qū)農(nóng)業(yè)、自動化技術(shù)相對落后，水情測量工作仍舊存在些困難[3]。水情自動監(jiān)測系統(tǒng)的研究自九十年代以后，世界上大量家公司推出了功能強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣的產(chǎn)品。在國外，如美國，荷蘭等國較早將水情監(jiān)測列為重點(diǎn)工程，以先進(jìn)的技術(shù)手段進(jìn)行快速發(fā)展[4，5]。在我國，水情監(jiān)測系統(tǒng)的研究起始于20世紀(jì)70年代中期。80年代的中期階段，我國用自己的硬實(shí)力和軟實(shí)力建成了一些屬于自主研發(fā)的水情自動監(jiān)測系統(tǒng)[6，7]。目前主流的水質(zhì)監(jiān)測方法及設(shè)備主要分為三類：人工采樣實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)，移動監(jiān)測和監(jiān)測站，水情監(jiān)測的方法和設(shè)備基本算是半成熟[8]。目前市場上的水情監(jiān)測系統(tǒng)功能齊全、精度較高，但是其成本整體較高、體積較大，為了滿足水情監(jiān)測系統(tǒng)的小體積、便攜式及非現(xiàn)場監(jiān)測等需求，本設(shè)計基于當(dāng)前流行的藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP便攜式監(jiān)測水情的功能。

1 ?系統(tǒng)方案設(shè)計

本次設(shè)計主要包含按鍵模塊、LCD1602顯示模塊、pH水質(zhì)/水位/溫度等檢測模塊、藍(lán)牙傳輸模塊等硬件設(shè)計。軟件設(shè)計中系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測水情的情況，通過LCD1602和手機(jī)APP進(jìn)行線下和線上的實(shí)時監(jiān)測，并超限預(yù)警功能。系統(tǒng)整體方案設(shè)計如圖1所示。

1.1 ?主控制器

考慮到成本和體積因素，本設(shè)計選用價格便宜、操作簡便的STC89C52單片機(jī)作為主控制器，該控制器具有功耗低、運(yùn)行速度快以及抗干擾強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，指令代碼完全兼容8051單片機(jī)，操作簡單易實(shí)現(xiàn)[9，10]。

1.2 ?水位檢測模塊

選用松下D3B水位壓力傳感器，其結(jié)構(gòu)簡易，便于攜帶，性價比高。D3B水位壓力傳感器里面裝有應(yīng)變片，測量范圍為0 mm～1 000 mm的水柱高度，傳感器上面凸起的部分有個小孔，水會由于重力因素進(jìn)入小孔，水位高度不同，感應(yīng)到的重力也不同，通過感應(yīng)到的重力參數(shù)轉(zhuǎn)換成輸出的電壓信號，輸出電壓信號范圍是0.23 V～4.9 V，由于D3B水位壓力傳感器輸出是模擬信號，故其輸出信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊處理后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號流入控制器，由主控制器的進(jìn)行分析與處理。

1.3 ?PH檢測模塊

由于工業(yè)上的pH傳感器非常昂貴，市面上的pH測試筆是成熟產(chǎn)品，無法進(jìn)行二次設(shè)計開發(fā)，且pH 復(fù)合電極輸出mV級的電壓信號，單片機(jī)無法直接進(jìn)行識別處理，所以選擇簡易pH傳感器模塊。該模塊價格便宜、使用方便、測量精度高且性價比高、可直接輸出0 V～5 V或0 V～3 V模擬電壓信號。該模塊通過BNC接頭與pH復(fù)合電極進(jìn)行連接，其拓展板上附帶有DS18B20溫度傳感器的接口，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單便攜。

1.4 ?溫度檢測模塊

考慮到系統(tǒng)的體積影響，選用3引腳封裝的DS18B20數(shù)字溫度傳感器DS18B20[11]。其傳感器可以直接跟單片機(jī)通信發(fā)送和接收溫度數(shù)據(jù)，不需要A/D轉(zhuǎn)換，傳感器的溫度采集界限是-55 ℃到+125 ℃，當(dāng)所測水情的溫度為-10 ℃到+85 ℃時，水溫的測量誤差為±0.5 ℃。

1.5 ?藍(lán)牙傳輸模塊

考慮的系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，本設(shè)計采用型號為 BT-HC05的藍(lán)牙模塊。BT-HC05藍(lán)牙模塊尺寸比較小，TTL電平，兼容3.3 V/5 V單片機(jī)，通信距離 10 米，且該模塊靈敏度高，便攜，性價比高，功能強(qiáng)大，可以滿足設(shè)計需求[12]。

1.6 ?顯示報警模塊

考慮到系統(tǒng)體積的大小以及功耗，本設(shè)計選用低電壓低功耗的LCD1602線下顯示，以及手機(jī)APP線上遠(yuǎn)程監(jiān)測。當(dāng)檢測到的液位、水質(zhì)pH、水溫等參數(shù)超出預(yù)設(shè)值時，且與天氣降雨情況綜合分析，及時發(fā)出聲光預(yù)警信號，通知到水情監(jiān)控人員進(jìn)行警醒提示。

2 ?硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)主要硬件電路包括最小系統(tǒng)單元、檢測電路模塊、線下顯示模塊、聲光預(yù)警模塊及藍(lán)牙模塊，其硬件電路如圖2所示。

2.1 ?最小系統(tǒng)

為了水情監(jiān)測系統(tǒng)的正常運(yùn)行，以STC89C52單片機(jī)為核心，電源模塊、晶振電路和復(fù)位電路為輔助構(gòu)成本設(shè)計的最小系統(tǒng)。電源部分采用5 V電源圓形接口，由SW1按鍵作為系統(tǒng)的總開關(guān);復(fù)位電路采用手動復(fù)位，與主控制器RST口相接;由12 M晶振、大小為30 P的兩電容相結(jié)合，構(gòu)成本設(shè)計的晶振電路，與控制器XTAL1口和XTAL2口相接。

2.2 ?檢測模塊

為了水情信息的多樣性，本設(shè)計的檢測信息主要包含壓力液位檢測、水質(zhì)pH檢測和水溫檢測，其檢測電路如圖2所示。

（2）壓力液位檢測模塊，選用松下D3B水位壓力傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單易操作，只有三個引腳，接地端GND、輸出端O接口和輸入端I接口，其中，I口接+5 V電壓信號使傳感器穩(wěn)定工作，輸出O口接ADC0832的CH1口，I接口與O接口之間加載2.2 K電阻，壓力液位信息轉(zhuǎn)換成電壓信號，最后通過O口輸出，與ADC0832的CH1口相接，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

（2）水質(zhì)pH檢測模塊，簡易pH傳感器，有6個引腳。其中5 V電壓VCC 供電，2.5 V基準(zhǔn)電壓輸出口，0 V～5 V的模擬信號輸出端PO，測量溫度較小，0℃～60℃，模擬信號可進(jìn)入ADC0832的CH0端口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理。

（3）溫度傳感器，考慮到水質(zhì)pH檢測模塊的水溫范圍較小，本設(shè)計增設(shè)了數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其測溫范圍可達(dá)-55℃～+125℃。其結(jié)構(gòu)接單，只有三根線，VCC供電端，GND接地端，TO為數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳與主控制器的P35口直接相連，無須AD轉(zhuǎn)換。

2.3 ?按鍵顯示報警電路

（1）按鍵電路，考慮的水情監(jiān)測情況復(fù)雜，需對預(yù)警信號的閾值進(jìn)行設(shè)置，故設(shè)計了按鍵電路，進(jìn)行調(diào)節(jié)監(jiān)測參數(shù)的上下限閾值，方便用戶使用。同時為了滿足水情監(jiān)測需要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計備用鍵，進(jìn)行后期功能的附加。其中：S2為系統(tǒng)設(shè)置鍵，接單片機(jī)的P32口，用以設(shè)置監(jiān)測參數(shù)的上限值，S3為加（+）鍵，接單片機(jī)的P33口，目的是調(diào)大監(jiān)測參數(shù)的限數(shù)，S4為減（-）鍵，接單片機(jī)的P34口，為了調(diào)小監(jiān)測參數(shù)的上下限數(shù)。

（2）顯示電路，通過傳感器將所測的水情狀況數(shù)據(jù)（PH、水位、溫度）采集，然后經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后傳送給單片機(jī)計算，最后將所測的數(shù)據(jù)在LCD1602上實(shí)時顯示出來，硬件電路部分通過RS與單片機(jī)P2.5口相接，可以通過電位的高低進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)或顯示指令的切換。R/W接單片機(jī)的P2.6口，其中 RS與R/W可相互配合完成具體的指令功能，D0～D7作為數(shù)據(jù)端接單片機(jī)的P0.0～P0.7口。EN接入單片機(jī)P2.7口，高電平寫入數(shù)據(jù)，讓LCD1602顯示水情監(jiān)測參數(shù)信息。

（3）報警電路，當(dāng)水情危機(jī)時，進(jìn)行及時預(yù)警，聲光報警電路不可少。當(dāng)監(jiān)測參數(shù)超過或者低于手動所調(diào)節(jié)的參數(shù)閾值，就會引發(fā)聲光報警。本設(shè)計采用了5個LED燈（紅、綠、橙、藍(lán)、黃色），分別為pH上限、pH下限、水位上限、水位下限、溫度上限指示燈。指示燈模塊分別接主控制器的P13、P14、P15、P16、P17口，蜂鳴器接主控制器P36口，當(dāng)超出參數(shù)閾值，指示燈相應(yīng)的端口以及蜂鳴器控制端口輸出低電平，發(fā)出聲光信號，從而達(dá)到預(yù)警的目的。

2.4 ?藍(lán)牙模塊

BT-HC05藍(lán)牙傳輸模塊，只有6個引腳，其中2引腳VCC與電源相連進(jìn)行模塊供電，3引腳GND與地相連，TXD、RXD分別連接在主控制器的P30口和P31口，當(dāng)藍(lán)牙模塊工作時，先打開手機(jī)系統(tǒng)內(nèi)置的藍(lán)牙，再打開APP串口助手與藍(lán)牙模塊進(jìn)行配對，最后通過APP串口助手直接發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控操作。

3 ?軟件設(shè)計

首先，系統(tǒng)通電初始化;其二確定是否按下總開關(guān)按鍵，當(dāng)按下時，系統(tǒng)進(jìn)入工作模式;其三確定是否有設(shè)置按鍵按下，當(dāng)按下時，系統(tǒng)進(jìn)入設(shè)置pH、溫度、水位參數(shù)閾值模式，具體操作為：當(dāng)按下設(shè)置鍵時，LCD顯示設(shè)置界面，當(dāng)按下1次設(shè)置鍵時，系統(tǒng)進(jìn)行pH上下限設(shè)置，按下2次設(shè)置鍵時，系統(tǒng)進(jìn)行水位上下限設(shè)置，按下3次設(shè)置鍵時，系統(tǒng)進(jìn)行溫度上限設(shè)置，通過“+”“-”鍵來調(diào)節(jié)所測參數(shù)的閾值上下限;其四，設(shè)置完后，系統(tǒng)自動進(jìn)入pH、溫度、水位的信號采集，然后經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換在經(jīng)過主控制器計算后，最終顯示在LCD顯示器和手機(jī)APP上，當(dāng)沒有按下設(shè)置鍵時，系統(tǒng)進(jìn)入起初的工作模式。最后，系統(tǒng)正常運(yùn)行時，當(dāng)監(jiān)測到pH、水位、溫度參數(shù)超過手動所調(diào)節(jié)的閾值時，同時模擬分析到氣象信息近三天有連續(xù)降雨或者當(dāng)水位低于閾值時，分析到氣象信息近期三天都無雨水時，觸發(fā)聲光報警電路，進(jìn)行聲光預(yù)警提示。從而對當(dāng)?shù)厮檫M(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，提前人工干預(yù)，進(jìn)行防洪防旱，從而提高人們的生命安全系數(shù)以及財產(chǎn)安全保障。系統(tǒng)主流程如圖3所示。

4 ?系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)硬件調(diào)試非常重要，是整個系統(tǒng)的根本。按照上述硬件和軟件設(shè)計，搭建硬件平臺，下載程序進(jìn)行調(diào)試。首先，系統(tǒng)上電，觀察LCD和手機(jī)APP是否顯示正常，確保整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行。其中Temp代表溫度，pH為酸堿度指示，WL代表水位。為了模擬水庫情況，結(jié)合實(shí)際情況，以普通水瓶為研究對象，對各參數(shù)進(jìn)行逐一調(diào)試。調(diào)試中，將pH傳感器、溫度傳感器、水位傳感器布置安裝布置到實(shí)物上，然后打開硬件總開關(guān)，設(shè)置完成pH、溫度、水位參數(shù)閾值后，系統(tǒng)進(jìn)入工作模式，然后經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換在經(jīng)過單片機(jī)計算后，最終顯示在LCD顯示器和手機(jī)APP上，監(jiān)測結(jié)果分別如圖4所示。顯示溫度為17.2 ℃，實(shí)測自來水溫度17.1 ℃，pH酸堿度為7.5，符合自來水的pH酸堿度（6.5 ～ 8.5），水位為17 cm，而實(shí)際水位為17.6 cm，這是因?yàn)長CD1602顯示字符長度有限，所以水位測量結(jié)果顯示只保留整數(shù)部分。為了避免系統(tǒng)的偶然性，實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性和準(zhǔn)確性，進(jìn)行了二次水情監(jiān)測，和前者不同的是：首先，二次監(jiān)測用pH緩沖粉和250 mL自來水配置了pH為4的水溶液;其次，將水放置室溫環(huán)境中隔夜監(jiān)測，目的是使溶液水溫達(dá)到室溫，最后，變化水位高度。步驟與前者監(jiān)測相同。測試結(jié)果如表1所示，顯示溫度為26.3 ℃，符合常溫下自來水溫度，pH酸堿度為3.9，與配置溶液的pH酸堿度4.0誤差2.5%，符合pH傳感器的誤差范圍，水位為10 cm，實(shí)際水位為10.2 cm，由于LCD1602顯示字符長度有限，只顯示為10 cm整數(shù)部分，且線上與線下顯示一致。當(dāng)水位高于預(yù)設(shè)值，且分析近三日會有降雨天氣，系統(tǒng)報警提示;當(dāng)水位低于預(yù)設(shè)值，分析到近三日又無降雨情況，則觸發(fā)聲光報警，從而達(dá)到了考慮氣象信息下的水情的遠(yuǎn)程監(jiān)測功能。測試結(jié)果表明，兩次測試結(jié)果與參考值相比較，其均方根誤差分別為0.46和0.22，滿足系統(tǒng)測試誤差范圍，且該系統(tǒng)運(yùn)行可靠、體積小，操作便攜。

5 ?結(jié) ?論

本設(shè)計以STC89C52主控器為核心，水壓檢測、水質(zhì) pH檢測和水溫檢測、液晶顯示、按鍵電路以及聲光報警等主要硬件設(shè)計，運(yùn)用藍(lán)牙通信技術(shù)、手機(jī)APP等主流通信設(shè)備，綜合考慮氣象信息的軟件設(shè)計，針對陜北雨情四季分布不均，夏秋多雨或暴雨天氣，直接影響人們的生命安全及財產(chǎn)安全等情況，實(shí)現(xiàn)水情的遠(yuǎn)程自動監(jiān)測功能，及時預(yù)警防護(hù)，避免損失。綜合測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)操作簡單、監(jiān)測便攜、運(yùn)行誤差較小，對人們的生活質(zhì)量有一定的幫助，具有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔡沁男.氣候變化對中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響及發(fā)展對策 [J].農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備，2021（6）：121-122.

[2] 劉蕓蕓，王永光，龔振淞，等.2020年汛期氣候預(yù)測效果評述及先兆信號分析 [J].氣象，2021，47（4）：488-498.

[3] 劉曉瓊，陳云莎，劉彥隨，等.1974—2012年陜西省榆林市氣候變化統(tǒng)計特征 [J].中國沙漠，2017，37（2）：355-360.

[4] 張秋艷，張俊霞，白瑩.一種低功耗多功能的水情監(jiān)測器設(shè)計 [J].國外電子測量技術(shù)，2018，37（11）：125-129.

[5] 杜兆東.污染源水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用 [D].長沙：中南大學(xué)，2009：3.

[6] 張歡.地下水水情動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 [D].太原：太原理工大學(xué)，2010：3-4.

[7] 佟以軒.多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備及多層監(jiān)測站研究 [D].大連：大連理工大學(xué)，2019：2-3.

[8] 戴華芹.極低功耗水質(zhì)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā) [D].上海：上海第二工業(yè)大學(xué)，2018：1-6.

[9] 胡顯桂，秦飛舟.基于STC89C52單片機(jī)的遙控小車設(shè)計 [J].電子測量技術(shù)，2019，42（24）：6-11.

[10] 金勝超，張思揚(yáng).基于AT89C52安全用電隱患報警系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) [J].電子測量技術(shù)，2018，41（23）：87-92.

[11] 宋佳，王艷麗，呂海翠.基于電力載波技術(shù)的糧倉溫度監(jiān)測系統(tǒng) [J].電子測量技術(shù)，2020，43（21）：173-176.

[12] 馬旭旭，許新.一種具有藍(lán)牙功能的IC卡預(yù)付費(fèi)電能表設(shè)計 [J].電氣技術(shù)，2016（6）：160-163.

作者簡介：高平安（1984.12—），男，漢族，陜西榆林人，工程師，碩士，研究方向：氣象學(xué)、防雷檢測等。