水质氨氮参数监测系统设计

苏 朗，黄伟军*，张少华，李长才

（1.苏州科技大学 电子与信息工程学院，江苏 苏州215009；2.苏州市智能测控工程技术研究中心，江苏 苏州215009）

水质氨氮参数监测系统设计

苏 朗1，2，黄伟军1，2*，张少华1，2，李长才1，2

（1.苏州科技大学 电子与信息工程学院，江苏 苏州215009；2.苏州市智能测控工程技术研究中心，江苏 苏州215009）

提出了一种基于STM32微处理器和TC35i无线传输模块的水质氨氮参数智能采集与传输设计方案，实现了对水质氨氮参数的采集、处理、显示以及各模块间的通信，并结合GSM无线网络技术，实现了数据准确、实时地远程传输。实验测试表明：该系统监测准确、运行稳定，能全面实现对水质氨氮参数的监测。

STM32；氨氮；TC35i；GSM无线通信

在地表水中，氨氮是以铵盐或游离氨的形式存在。水体中的氨氮浓度直接影响水生物的生存和生长指标，也是水质污染检测的一个重要指标。水体中氨氮含量过高会对鱼虾产生不利影响甚至导致水中鱼虾死亡，对人体也有一定的危害［1-2］。因此，在水质在线监测中，氨氮浓度的检测是非常重要的。文中采用氨气敏电极法进行氨氮检测，与传统的水质氨氮检测方法例如纳氏试剂光度法、蒸馏-滴定法等方法相比较，氨气敏电极法具有操作简单，响应速度快等优点，并且不需要在检测前对样品做预处理，对于在线检测与分析更有优势。通过目前流行的具有配置丰富灵活、性价比高、功耗低等优点的STM32控制器对数据进行智能采集后，送入到TC35i无线传输模块中进行传输和通信，实现了水质氨氮信号的监测。

1 系统总体结构设计

系统主要由数据采集模块、STM32微处理器模块、GSM无线通信模块和电源模块四部分组成。系统总体框图如图1所示。数据采集模块包括氨氮传感器和信号调理电路，其中氨氮传感器负责采集监测水域内的氨氮参数信息，并将这些物理量和化学量转变成电信号送入信号调理模块，经过放大和去噪处理后，使其适合A/D转换。然后采集到的信号通过A/D转换成数字量，便于处理器进行运算处理。微处理器模块负责控制整个数据的采集和传输，该系统是以STM32作为主控器，无线通信模块实现数据传递，将采集到的数据实时传送到计算机设备进行显示、保存和反馈。

图1 系统框图

2 系统硬件设计

2.1 传感器数据采集模块

传感器数据采集模块主要用于水质氨氮参数的实时数据采集。系统需要监测pH值和氨氮等多种水质参数。在传统的纳氏试剂分光光度法中，光电探测器常选择易受样品色度和浊度干扰的高速硅光电二极管，而且环境温度和湿度等条件的变化对光度法影响很大，所以，文中氨氮参数采集是依据氨气敏电极法，选择上海雷磁公司的PNH3-1型氨气敏电极作为探测器，它使用简单、不受色度、浊度等因素的干扰，抗干扰能力较强，无需额外补偿，水中氨氮含量与所测得的电压值呈一定的线性关系。在恒定的离子强度下，水中氨氮含量可以依据所测得的电压值来确定。监测传感器所测得的信号为弱信号，经过信号调理电路对其放大、去噪等处理后，得到0～5 V的电压信号。STM32内部集成2个12位16通道模数转换器（ADC），得到的电压信号通过芯片内部ADC12_IN16输入引脚送入ADC进行A/D转换，用于后续的信息传输与通信。

2.1.1 氨氮传感器工作原理

2.1.2 氨氮采集电路

由于电极内阻很高，所以信号采集电路的前置放大器采用输入阻抗较高的LF347进行阻抗匹配，LF347还有输入偏置电流小以及高速、带宽、低噪声的优点，可以很好的实现电流的一级放大，并且有效的防止信号衰减。为得到更理想的氨氮数据，达到A/D转换输入的要求，采用SGM8554构成的差分放大电路进行I/V转换以及电压程控可变倍数放大。SGM8554放大器具有超低失调、漂移和偏置电流的特点，有利于减少测试的误差源。信号调理电路如图2所示。由于外界噪声干扰会影响信号的准确采集，主要是50 Hz工频干扰，所以对信号进行去噪处理，在电路中加入50 Hz带阻陷波电路。硬件电路图如图3所示，调节电位器Rw使得阻带中心频率为50 Hz，阻带带宽在2 Hz以内，可以消除50 Hz工频干扰。

图2 信号调理电路

图3 50 Hz工频陷波电路

2.2 GSM无线传输模块

GSM即全球数字移动通信网络，GSM系统目前在移动通信体制中最成熟完善并且应用最广泛［8］。该设计无线传输通过收发短消息实现，采用西门子公司的TC35i模块。通过STM32进行软件开发，设计中文点对点双向收发，STM32模块与GSM模块通过RS232串口相连，为保证串口通信，在两个模块之间接入MAX232芯片进行电平转换。TC35i模块与STM32的接口电路如图4所示。

图4 TC35i和STM32模块接口电路

2.3 上位机数据处理与分析

上位机即网络监控中心，传感器节点采集的数据经过STM32处理后通过GSM模块发送给监测中心进行存储、显示和处理，便于工作人员进行数据的对比分析，实时掌握水质情况。同时监测中心还负责将采集命令发送给下位机数据采集模块，并且当数据分析结果超出范围时，进行指示报警。

2.4 电源模块

STM32微处理器模块使用3.3 V电源进行供电，TC35i使用供电范围为3.3～4.8 V的电源供电，为使其不因受到外界干扰而自动复位，一般使用4.2 V电源供电。对于TC35i模块，除电源电压保持在4.2 V左右，还要保证在启动入网时电流接近2 A，否则TC35i模块不会进入联网状态，其信号灯会以600 ms间隔闪烁。

2.5 系统抗干扰

系统中电源和信号线会引入传输干扰，元器件和电路之间存在的电磁场会引起系统的内部干扰，这些干扰会使信号出现延时、衰减。为了提高系统的可靠性，减小各种线路之间的电磁场耦合，应尽量将模拟信号输入线与交直流电源线、继电器等感性负载控制线分开，将交流地和直流地严格绝缘。

3 系统软件设计

系统软件部分主要是对系统参数和各模块进行初始化，实现对传感器的数据采集和处理，STM32通过串口将数据传送到GSM数据传输模块，再将数据通过GSM公共网络以短信的方式发送出去。系统软件设计包含主程序、数据采集程序以及数据传输与通信部分，下面主要介绍了主程序和数据采集程序。

3.1 主程序

主程序设计中首先初始化系统变量参数和各个模块。STM32的串行通信方式有轮询和中断两种，该系统不对端口进行重映射，即将STM32的PA9、PA10和PA2、PA3引脚分别作为UART的Tx/Rx管脚。串行口初始化包括GPIO串行通信端口初始化，设置波特率、停止位、数据位、奇偶校验位，设置串口中断和中断优先级。TC35i模块是利用AT指令发出控制命令，采用SMS方式传输数据。SMS信息发送短消息有两种模式：PDU模式和TEXT模式。其中，TEXT模式虽然操作简单但无法发送和接收中文短信，PDU模式可以收发多种字符集，该系统利用可支持中文短信的PDU模式，消息文本通过十六进制编码后进行发送。GSM模块初始化主要是发送AT指令并设置短信模式。表1列出了与SMS收发短信有关的部分AT指令［9］。

表1 部分AT指令

主程序流程图如图5所示。

3.2 数据采集程序

数据采集程序包括采集、处理和发送水质数据，MCU分配的采集定时时间到达后，STM32控制器发送采集命令，水质传感器进行初始化，启动AD转换器，开始进行数据采集。当入网成功后，记录传感器采集的数据，比较数据与上次采集到的数据是否一样，若是则控制器进入休眠状态，为减小功耗，设定4 h采集发送一次，定时唤醒；若与上次数据不一样，则发送数据。图6为信号采集流程图。

图5 主程序流程图

图6 信号采集流程图

4 系统测试与结果

系统测试前，首先要校正氨氮电极。将溶液pH值调高到11后，对电极进行空白校验，如果所测电压值大于-20 mV则表明氨氮电极正常，否则应该重新对电极进行检查以保证电极正常测试工作。文中在5种浓度不同的铵离子标准溶液中做了测试，表2为测得的电极电位与不同氨氮浓度的关系。

表2 标准氨氮浓度与测量电压值（pH值为12±0.2时）

通过实际测量值与理论值对比，可以看出用氨气敏电极检测水中氨氮含量具有较高的准确度和良好的精密性。测试表明，当氨氮浓度较低时，氨气敏电极所测得的电位值误差相对于高浓度时比较大，误差原因是受运放电路误差影响，低浓度响应时间比较长。

我国在《地表水环境质量标准》中根据氨氮浓度限值不同将地表水分为I～V类，具体限值见表3。

表3 《地表水环境质量标准》氨氮标准限值

笔者对苏州新区某河流的水质进行了定点监测，对整个监测系统进行了5次测试，并对5次测试的结果进行了误差计算。测试结果见表4。

表4 苏州新区某河流氨氮含量监测结果

由表4可知，该系统对氨氮进行现场检测运行稳定，准确度较高。根据表3进行氨氮值分析比较可知，该河流氨氮含量偏高，属于第III类水质。由于生活污水的排放，使得河流受到污染，造成水体富营养化，需要进行治理。

5 结语

该系统以STM32作为控制核心，并且利用了GSM网络覆盖范围广、传输速度快、价格低廉、不占用语音通信通道等优点，实现对水质多参数信号的采集、存储和传输。系统设计了合理的信号调理电路，并考虑了系统抗干扰问题，较好的保证了信号采集的准确性。该系统能实时监测数据，监测稳定并能实时远程传输数据，对于水质其他参数例如溶解氧、pH值、温度、电导率等的测量也有一定的参考价值。随着水资源保护力度加大以及对水质监测的自动化水平提高，该系统具有很好的实用性，市场应用前景广阔。

［1］杨航涛，王双保，王成龙.基于分光光度法的水质氨氮检测系统设计［J］.测控技术，2012，31（5）：49-52.

［2］唐锟.水质氨氮检测系统的设计与制作［D］.武汉：华中科技大学，2011.

［3］温丽云，范朝，袁倬斌.我国环境监测中的氨氮分析方法［J］.中国环境监测，2005，21（4）：28-32.

［4］陈雨艳，钱蜀，张丹，等.氨气敏电极法测定废水中的氨氮［J］.辽宁化工，2010，39（7）：783-785.

［5］HAMLAOUI M L，KHERRAT R，MARRAKCHI M，et al.Development of an ammonium ISFET sensor with polymeric membrane includingzeolite［J］.Mater Sci Eng，C，2002，21：25.

［6］王成龙.基于纳氏试剂分光光度法的水质氨氮检测与数据分析［D］.武汉：华中科技大学，2011.

［7］俞凌云，赵欢欢，张新申.水样中氨氮测定方法研究［J］.西部皮革，2010，32（5）：27-33.

［8］宋维.一种基于STM32的SMS短消息收发系统［J］.电脑知识与技术，2012，8（20）：4800-4802.

［9］蔡红娟，翟晟，蔡苗.基于STM32的GSM智能家居控制系统设计［J］.自动化技术与应用，2013，32（8）：37-40.

责任编辑：艾淑艳

Parameter detection system for water ammonia nitrogen

SU Lang，HUANG Weijun，ZHANG Shaohua，LI Changcai
（1.School of Electronic&Information Engineering，SUST，Suzhou 215009，China；2.Suzhou Intelligence Control Engineering Technology Center，Suzhou 215009，China）

This paper puts forward a parameter intelligent acquisition and transmission module design for water ammonia nitrogen detection based on microprocessor STM32 and the wireless communication module TC35i.The system implements the acquisition，processing and display of the ammonia nitrogen parameters，and the communication among all the modules.Combined with Global System for Mobile communication technology，the accurate and real-time remote transmission of the data is realized.Experimental tests show that the monitoring system is accurate and stable.It can fully realize the ammonia nitrogen signal monitoring and is of high practical value.

STM32；ammonia nitrogen；TC35i；GSM wireless communication

TP368.1

A

1672-0687（2016）02-0051-04

2015-05-26

住房与城乡建设部科学技术计划项目（341420014）；苏州科技学院科研基金资助项目（341311604）

苏 朗（1993-），女，湖南长沙人，硕士研究生，研究方向：智能测控技术。

*通信联系人：黄伟军（1966-），男，副教授，硕士，硕士生导师，E-mail：wj_huang@126.com。