基于STM32的水质数据采集系统

长江水利委员会长江科学院 武汉长江科创科技发展有限公司 张 慧 贾宝良 罗 熠

1.引言

目前，我国的水质监测体系的自动化程度和信息化程度不足，随着计算机网络、通信及自动化技术的飞速发展，设计并建立全方位水质数据实时采集系统有着重大意义[1]。STM32处理器和无线传感器网络具有快速灵活部署、成本低、功耗低、节点体积小、抗干扰性强，适用于实时连续监测等优点，克服了传统方法主观性强、监测范围小和难以应对突发性水污染事件等缺点，能够提供更快的实时响应，缩短信息传播周期，实现数据的共享[2]

本文基于STM32处理器，将无线传感器布置于被监测水域，实现实时数据采集、数据存储控制，使用网关进行协议转换后通过互联网把采集数据传输到用户中心，实现水质数据的实时采集、实时处理和发布，为水质评价和管理决策提供了科学依据。

2.系统原理

2.1 STM32处理器

本设计中选用基于ARM Cortex-M3 内核的STM32处理器。STM32微处理器具有Cortex-M3多项新型的增强架构，性能优异、功耗超低，集成度高，拥有复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC 振荡器等，并提供丰富的外设和USB 接口，便于进行USB 开发， STM32 固件库提供易用的函数可以使用户方便地访问STM32的各个标准外设[3]。

2.2 无线传感器网络

无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）包括传感器节点、IP网关、互联网、路由器、用户管理端，大量的传感器节点被部署在监测区域内，它们通过自组织和多跳的方式构成的分布式网络，传感器节点采集到的数据信息经过网关发送至路由器，路由器通过互联网或卫星等方式将所有数据信息发送给用户管理端[4]。

3.系统设计

3.1 硬件设计

本系统选用WQ系列的水质传感器，美国GLOBALWATER公司生产的专门应用于水环境测量的WQ系列水质传感器具有很高的精度和测量准确性，安全可靠，而且价格比其他公司生产的水质传感器要低，满足水质监测的需要。本系统所选用的传感器的部分型号和参数如表1所示。

STM32处理器拥有32位的Cortex-M3内核，最高工作频率达到72 MHz．内部集成了512Kbytes Flash存储器和64Kbytes SRAM，并且拥有丰富的外设。强大的处理能力能够满足无线网络传感器协议与TCWIP协议之间的转换。ENC28J60是兼容IEEE802．3标准的以太网控制器，内部集成MAC和10 BASE-T PHY，8KB发送/接收数据包双端口SRAM，最高可达10Mb/s的SPI端口。ENC28J60通过SPI接口与处理器进行数据交换。无线网络传感器模块是装有无线网络传感器通信协议的CC2530的最小系统。无线网络传感器模块通过UART接口与处理器进行数据交换。本设计网关硬件框图如图1所示，主要由STM32处理器、DTU和无线网络传感器无线模块组成。

表1 部分传感器参数表Table 1 Part of the sensor parameter table

图1 网关硬件框图Figure1 Hardware block diagram of gateway

在系统开发设计包括数据采集、数据存储以及数据传输三个功能模块。数据采集考虑的性能指标是采集精度和采集速度，因此选择A/D芯片时主要考虑采样位数（分辨率）、采样率和采样通道，同时考虑成本。数据存储设计中存储容量和速度是关键。高速、实时、连续采集和存储的情况下，一方面要求系统不间断地进行信号采集，同时还要进行数据的实时存储，否则会造成数据丢失，本设计采用双缓冲区交替存储模式。数据传输采用通用串行总线USB、232 485串口通讯相结合，及时观察和调试程序运行的状态，同时还提供一些外围功能模块，如JTAG 调试接口、LED 指示灯，电源模块、复位模块等。

传感器输出的信号为模拟电流信号，这些信号需要经过信号调理电路的滤波、放大后转换为电压信号，A/D转换器转换为数字信号。信号处理与射频模块采用CC2530芯片，它是应用于IEEE802.15.4无线网络传感器和RF4C的片上系统解决方案。该芯片集成了高性能的RF收发器，符合工业标准的增强型8051控制器，在系统可编程的flash和多达8KB的RAM。

3.2 软件设计

网络协议采用Z—stack协议栈，完成无线网络传感器网络维护和节点与节点之间的数据通信。数据采集触发条件限定为：定时器时间间隔到达；接收到数据采集命令，可以在满足数据采集要求的前提下减少数据采集的次数，最大限度节约能量，数据采集流程图如图2所示。

图2 数据采集流程图Figure 2 Flowchart of data acquisition

无线网络传感器与以太网通过UC/OS—II提供的消息队列进行通信，完成无线网络传感器协议到TCP/IP协议之间的数据交换，与无线网络传感器通信相关的Task（）和与以太网通信相关的任务Ethernet Task（），两个任务通过串口进行数据交互。

4.结束语

高性能低价位的处理器不断推出也为水质监测系统终端数据采集的发展提供了动力和保障，本文对现阶段我国水质监测存在人工采集，采样间隔时间长，难以连续监控水质等缺点，提出了基于STM32的水质数据采集系统，具有功耗低、高可靠性、抗高过载、抗干扰能力强等特点。该系统将无线传感器网络节点布置于所监测水域，利用传感器协议实时采集和传输数据，使用网关进行协议转换后，通过互联网把采集数据传输到用户监控中心，本系统全面提升了监测自动化水平，能够实现水质监测数据的实时采集、实时处理和发布，对水质进行评价和预测，为管理决策提供了科学依据。

[1]杜晓明．多参数水质在线监测系统设计与实现[D]．大连理工大学,2015．

[2]王斐,赵牛杰．基于STM32与FPGA的信号采集电路设计[J]．江苏大学学报(自然科学版),2018(01)．

[3]李志广．基于STM32单片机的四旋翼无人机姿态的数据采集研究[D]．安徽理工大学,2017．

[4]Cao X．H．,J．M．Chen,Y．Zhang．Development of an integrated wireless sensor network micro-environmental monitoring system．ISA Transactions．2008．