多传感器无线智能水质监测系统设计及应用

王文华，岳维光，王宇飞，谷伟豪，赵太飞

（1.西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西西安710048；2.桓台县实验中学山东淄博256400）



多传感器无线智能水质监测系统设计及应用

王文华1，岳维光2，王宇飞1，谷伟豪1，赵太飞1

（1.西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西西安710048；2.桓台县实验中学山东淄博256400）

摘要：该多传感器无线智能水质监测系统以STC12C5A60S2型号单片机作为主控芯片实现对PH值、温度、浊度等水质参数的远程实时监测，并将数据通过GSM模块进行无线传输。该系统能够将数据快速、准确、实时的采集和传递，有效地减少人力、财力的支出。该系统运用PH传感器、浊度传感器、温度传感器快速、准确的测量水体PH、浊度、温度3个重要参数，并通过AD转换对数据进行采集，LCD1602进行显示，与以前的人工监测方式不同，对于偏远地区有很好的应用前景。

关键词：多传感器；STC12C5A60S2；远程实时监测；无线传输

随着国家综合国力的提升，矗立在各个地区的工厂逐渐增多，工业废水，生活废水，正在一步步危害我们的生活。水体污染严重，水资源匮乏，必须引起我们的注意。环保观念的深入人心和水质污染的日趋扩大，全面、实时和准确的监测水体质量已是大势所趋。对于水质的如何监测和处理是我们正面临的重大问题。现如今，水质参数对时效性有着很高的要求，尤其是水质预警预报要求快速、准确、实时的采集和传递。

因此，我们采取的水质监测与传统的人工检测的不同，提出了一种多传感器无线智能水质监测系统［1 -3］，以STC12C5A60S2型号单片机作为主控芯片实现对PH值、温度、浊度等水质参数的远程实时监测，并将数据进行传输与保存，依据设定参数便能对水质进行分析判定。应用此多传感器无线智能水质监测系统可有效地减少人力、财力的支出。运用传感器［4］（温度，浊度，PH）来使测量结果更加精准，采用无线传输解放了人力，能够实时的对水质进行监测，对于偏远地区有很好的应用前景。

1　系统硬件设计

该系统从外部看是一个黑盒子外加一个1602显示屏，黑盒子内的主控芯片为STC12C5A60S2单片机，系统由温度传感器模块、PH传感器模块、浊度传感器模块、SIM300模块、显示模块、存储模块、电源模块等7个模块组成，水质监测的硬件框图如图1所示。

从框图中我们可以看出，系统的硬件部分主要由12个部分组成，其包括主控芯片STC12C5A60S2，7个模块（包括PH传感器模块、浊度传感器模块、温度传感器模块、显示模块、存储模块、电源模块、SIM300模块），AD转换，反馈装置（包括升温、降温装置）以及手持终端。

这12个部分互相协调，就可以实现对水质PH、浊度以及温度的检测，并作出反馈。

图1　系统的硬件框图

2　系统功能及原理

2.1水质的PH值检测

PH值是衡量水质酸碱度的标准之一，是生活用水、工业用水、养殖水体的重要标准，PH值6～9之间为国家允许的标准。我们采用的PH值检测仪是龙戈电子PH传感器，模块上集成了PH传感器和水温传感器，便于我们计算PH值时考虑系统温度补偿。该产品的检测温度范围为0～80℃，工作电流为5～10 mA，PH值检测范围为0～14。选用的电极是雷磁E-201-C PH复合电极，使用之前需要对PH值进行校准，此电极可以测量低导电率的水样，如自来水，河水、雨水等。

通过PH传感器模块和PH电极对水质酸碱度的测量与采集，经单片机的AD转换和显示就可以得到水体的酸碱度。

2.2水质的浊度检测

无论是何种水体都离不开对水体浑浊的判定，浊度的国家标准范围是0.14～0.93NTU，我们采用的浊度传感器是GE浊度传感器TS型，模块上含有防水探头，能安全的测量水体的浊度。该产品的最大工作电流是30 mA，信号输出电流信号，操作温度为-30～80℃。

浑浊度的传感器的测量实质是通过测量水中悬浮颗粒的多少来判定水体的浊度，其原理是利用一束光线通过水样时，由于水体中悬浮颗粒对光线的散射以及反射，使得到达接收端的光线和发射端的光线强度有所减弱，其减弱的大小与浑浊度一一对应［5］。同PH传感器，对于水体浊度的采集和显示需要经单片机的AD转换。

2.3水质的温度检测

温度是最常用的物理指标之一。由于水的许多物理特性、水中进行的化学过程和生物过程都与温度有关，所以它是必须加以测定的。天然水的温度因水源的不同而异；地表水的温度与季节气候条件有关，其变化范围大约在0.1～30℃；地下水的温度则比较稳定，一般变化于8～12℃左右；而海水的温度变化范围为-2～30℃。

我们采用的是DS18B20数字温度传感器探头，该温度传感器，有较高的灵敏性，极小的温度延迟。主要参数有：测量温度范围为-55～125℃，温度以“一线总线”的数字方式传输，工作电压为3～5 V。提高了系统的抗干扰性。在中控芯片STC12C5A60S2的控制下，可以采集温度并显示。

2.4无线传输模块

无线传输［6-12］采用SIM300模块通过短信实现，无线数传模块具有复杂度低、成本低、功耗低等特点，在实现实时控制方面具有很大的优势。在任何有移动网络的地方，都可以实现远距离的实时监测水质的PH、浊度和温度这3个参数，并作出反馈。中央控制芯片利用STC12C5A60S2，终端到上位机的无线传输部分利用无线数传模块，传输文字与图片等信息或者是利用基于SIM300模块的移动通信将数据发送到手机、平板等移动终端［13］。

2.5报警装置

水体的温度，PH，浊度高于（或低于）国家标准范围时需要系统进行报警［14］，报警采用3种不同颜色的发光二极管（红，绿，黄）以及蜂鸣器来通知用户。如果不在国家标准范围，对应参数的发光二极管发光（温度-红，PH-绿，浊度-黄），同时蜂鸣器报警，让用户不仅可以及时的收到报警信息，而且也能通过人工或是系统的自身反馈对相应的参数作出调节使其达到国家标准范围。

3　系统软件编程

3.1上位机软件

上位机多传感器无线智能水质监测人机界面是基于C#高级语言软件编写［15］的，具有显示、控制以及存储数据的功能。该界面可以对采集到的PH值、温度、浊度进行显示，并显示各个水质参数数值的浮动范围以及最近数据变化趋势。

3.2下位机编程

下位机是基于C语言的STC12C5A60S2单片机开发，单片机通过I/O口与各传感器的连接进行AD转换来采集数据。串口1与无线数传模块连接实现与上位机之间的通信。当水质采集模块开始正常工作后，单片机将采集到的100次数据求平均值后通过无线数传模块发送到用户终端，实现水质参数的实时监测和传送。具体流程如图2所示。

如图2所示，是水质监测系统的流程图，主要有数据采集、数据显示、数据存储、数据传输、报警模块等算法流程。数据采集的算法流程又包含了电压值——PH、电压值——浊度的AD转换算法流程和DS18B20的返回值——温度的算法流程；报警模块的将采集值与设定值比较以决定是否报警的算法流程。

4　结果显示

利用此水质监测系统对实验水质进行实时检测，可以通过LCD1602显示出当时的水质参数，如图3所示。

将实验水质的参数调节到MCU设置的正常范外，则报警模块的3个灯会根据采集到的数据与设定好的数据的偏离程度而有不同程度的亮灭。

通过对3种实验水质的监测结果的记录和分析，可以得出表1。表1所示为3种不同实验水质的监测结果。

图2　水质监测系统算法流程图

图3　LCD1602显示数据

表1　3种不同水质的监测结果

将表1所得的数据与实际数据比较，得出温度测量的误差较小，与实际温度十分接近；而PH值因为与温度有关，3种水质的PH误差也不尽相同，但总体与实际的PH值还是相符合的，可以成功地监测水质酸碱度。

为了使结果更加明确，更有对比性，我们分别作了不同温度下的自来水（表2）、醋（表3）、洗衣粉水（表4）的水质参数（PH值、浊度）变化。

表1　不同温度下自来水的监测结果

这3种水体水质的PH值随温度变化较为缓慢；浊度随温度的变化，只有自来水的浊度变化较为缓慢，醋和洗衣粉水的浊度变化明显。

表1　不同温度下醋的监测结果

表1　不同温度下洗衣粉水的监测结果

5　结束语

多传感器无线智能水质监测系统将会给水质监测带来全面革新，使得多水域、全方位覆盖监测成为可能，同时使我国的水质监测问题得到缓解。现如今，水质信息对时效性有着很高的要求，尤其是水质预警预报要求快速、准确、实时的采集和传递。而以前的人工监测方式显然无法满足这一高要求、高标准，因此研究一种多传感器水质监测系统势在必行。本文研究的水质监测系统在水环境监测及水污染治理方面的作用将不可忽视，在渔类养殖业也会创造巨大的经济价值。

参考文献：

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Wlreless and lntelllgent water quallty monltorlng system deslgn and aPPllcatlon wlth multl-sensor

WANG Wen-hua1，YUE Wej-guang2，WANG Yu-fej1，GU Wej-hao1，ZHAO Taj-fej1
（1.Faculty of Automation and Information Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，China；2.Huantai Experimental Middle School，Zibo 256400，China）

Abstract:The mu1tj-sensor wjre1ess jnte11jgent water qua1jty monjtorjng system to STC12C5A60S2 mode1 as the master chjp mjcrocontro11er for pH，temperature，turbjdjty and other water qua1jty parameters of remote monjtorjng. The data were transmjtted through GSM. The system can reduce the expendjture of human and fjnancja1 resources. The system uses PH sensors，turbjdjty sensors，temperature sensors fast，PH water bodjes，turbjdjty，temperature，three jmportant parameters to accurate1y measure，and the data co11ected by the AD converter，LCD1602 djsp1ay，wjth the prevjous manua1 monjtorjng jn djfferent ways. For remote areas have good prospects.

Key words:mu1tj-sensor；STC12C5A60S2；remote monjtorjng；wjre1ess transmjssjon

中图分类号：TN99

文献标识码：A

文章编号：1674-6236（2016）07-0135-03

收稿日期：2015-11-18稿件编号：201511173

基金项目：国家自然科学基金委员会-中国民航局民航联合研究基金资助（U1433110）；西安市科学计划项目（CXY1435（4））；全国大学生创新创业基金支持（251051558）

作者简介：王文华（1996—），女，陕西宝鸡人。研究方向：通信。