基于无线传感器的水质监测系统

李一峰 樊海红

摘要

本文提出了一种基于无线传感器的水质监测系统。无线传感器监测系统是传感器、计算机和通信技术相结合的产物，具有数据采集、传输功能的无线传感配合无人船载体协作组成。将Wi-Fi网络与NRF网络技术相融合，NRF双向无线发射可克服其传输距离短、水环境电磁波影响通讯的缺点，从而进一步拓展其在湖泊水质监测应用的可靠性。

【关键词】水质监测 无线传感器 STM32

1引言

无线传感器水质监测系统是传感器、计算机和通信技术相结合的产物，具有数据采集、传输功能的无线传感配合无人船载体协作组成。基于Wi-Fi技术和NRF技术具有低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率和低成本等特性，尤其适合应用于布线困难、人工难以到达的区域。将Wi-Fi网络与NRF网络技术相融合，NRF双向无线发射可克服其传输距离短、水环境电磁波影响通讯的缺点，从而进一步拓展其在湖泊水质监测应用的可靠性。

2基于无线传感器网络的水质监测系统设计方案

2.1系统的功能说明

本系统具有以下功能：

（1）控制载体在湖面实现前进、后退以及左右转动功能;

（2）远距离接收和发送水质监测数据;

（3）将水质监测数据反馈到OneNET平台，实现数据分析;

（4）检测水质量重要的三个参数：浑浊度、PH值、水温;

（5）指示灯反馈传感器工作状态;

（6）液晶显示屏可显示水质监测实时数据;

2.2系统的组成说明

此监测系统由以下四部分组成：驱动系统、控制系统、通讯系统以及水质监测传感器。其内容如下：

2.2.1驱动系统

驱动系统由两部分组成，一是由12V蓄电池为无人船载体（载体设计图见附录一）供电，并通过双电机速度和转动方向实现差速调节;二是由2节18650电池为传感器检测模块和通讯模块供电。

2.2.2控制系统

控制载体在湖泊的运动状态以及水质监测传感器工作起停状态。

2.2.3通讯系统

通过NRF和Wi-Fi技术实现接收板和控制板的通讯以及OneNET平台的数据上传。

2.2.4无线水质监测系统

分别检测水质的三个参数并通过双向传输返回到网上ONENET检测平台。

2.3系统的检测内容

本系统通过三类检测模块组成检测系统。其检测内容是PH值，电导率，温度。表1是检测内容的说明。

3系统硬件的详细介绍

将温度模块、TDs模块、PH模块等检测数据通过发送模块、接收模块、传输到显示模块中，当接通电源，通过显示系统显示出检验水质的参数。

电路的工作原理：每个传感器单独为一个模块，其通讯方式都有自己的特点。由温度模块通过单总线、TDs模块通过RS232以及PH值模块通过ADC方式得到数据，然后变成了主从机之间的通信，通过程序算法，向主机发送从机信号，数据转换和处理后，温度值、电导率值以及PH值，通过液晶OLED显示和OneNet平台。图l为系统（检测部分）整体设计结构图。

3.1 STM32F103C8T6芯片的控制模块

STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。本系统采用了STM32F103C8T6芯片，是STM32的增强型子系列。广泛用于系统监控与测量等实际应用，適合本次无线传感器水质监测系统使用。

3.2电源模块设计

本系统选择三端稳压集成电路常用的LM317-5.0和LM317-3.3芯片，此芯片经过电容滤波，此芯片输出线性度较好的5V直流电压来作为电源提供动力，不仅为这个系统中节省了资源还降低了成本。输入12V电压，因为芯片和温度工作电压为3.3V，PH值计和TDs工作电压为5V。因此，工作电压由12V降至SV，再由5V降至3.3V。如图2所示。

3.3通讯模块设计

本系统采用NRF24L01作为通讯模块。NRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz-2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。NRF具有4线SPI通讯端口，通讯速率最高可达8Mbps。其数据包每次可传输1～32Byte的数据。NRF24L01电路图如图3所示。

发射数据时，首先将母机nRF24LOl配置为发射模式：母机对子机发射信号收集的命令后，若自动应答开启，那么子机nRF24LOl在母机发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号，即接收传回的数据包。

接收数据时，首先将母机nRF24LOl配置为接收模式：接着延迟130Us进入接收状态等待数据的到来。接收数据后，若产生中断，通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，则nRF24LOl进入空闲模式1。因为在写寄存器之前一定要进入待机模式或掉电模式。

3.4传感器模块设计

本设计中使用了温度、PH值、电导率三个检测模块。图4为三个模块的电路图。

3.4.1温度检测模块设计

DS18820数字温度计是DALLAS公司生产的l-Wire，特点是线路简单、体积小。并且其线路简单，在一根通讯线上，可以挂许多一样数字温度计，使用起来十分方便。仅只用一个端口就可以实现通信。不需借助外部元件就可以对温度进行测量。

3.4.2 pH值检测模块设计

传感器中的电极选为E201型pH复合电极。由pH敏感玻璃电极和银-氯化银参比电极复合而成，它是pH计的测量元件，用以测量水溶液中氢离子浓度的pH值。具有使用方便、易清洗、反应快、稳定性和重复性好、抗干扰性能强等特点。

3.4.3电导率检测模块设计

TDS是溶解性总固体，又称总含盐量，定义为水中含有各种溶解性矿物盐类的总量，通过检测溶解性总固体（TDS），可以分析水的总矿化度。TDS水质检测模块就是一种通过测量水的电导率来反映水质矿化程度。该模块是通过测量水的电导率来间接的反映TDS值。水的导电性越好，TDS值越大。

3.5 0LED数据显示模块设计

OLED显示屏使用时，通过有机电激发光二极管（ OrganicLighr-EmittingDiode，OLED）。OLED数据显示模块在本设计中采用3.3V供电，与系统相匹配。SDA引脚传输数据，SCL时序引脚。通过IIC协议向OLED发送控制指令，驱动OLED成像，实时动态变化显示三个传感器的采集值。

3.6功能按键电路

功能按键实现对无人船载体的控制以及无人船运动状态和数据监测状态的切换。选择无人船载体遥控状态后，其中三个按键分别控制无人船前进和左右运动，再按下第四个按键将运动状态切换为工作状态选择界面。选择传感器数据采集状态，则传感器工作，OLED显示屏实时采集的数值。采用3.3V供电。原理为每一路电路，按下按键，电路导通，实现按键功能。

4软件设计

4.1程序设计的思路和流程

本次设计采用的是KEIL4和AD软件作为开发工具，通过C语言编写程序。因为STM32可以调用的库函数较多，主要编写的程序为主程序、各传感器还有通讯模块部分。

以手持控制板控制系统工作状态为例说明程序流程：首先，手持控制板初始化各元件。然后，开启使能定时器1，每25ms进行一次按键扫描。OLED显示模式选择，进入按键处理函数Key_Functions。有船体遥控和数据采集两种模式可选。当KEY Model=l且K Check=l进入数据采集模式，手持控制板发送6个数据包到传感器检测板后进入数据接收状态，若在接收数据过程中未收到数据包则切换为发送状态。传感器检测板一上电就为数据接收状态，若接收到”AA15CC”指令，则转换为数据发送状态，采集传感器数据，并将采集到的数据发送两次到手持控制板后，切换为数据接收状态。当KEY Model=5且K Check=l进入船体控制模式，发送控制指令至传感器检测板。

4.2数据在OneNet平台显示设计

我們选择OneNet物联网平台来作为本设计的远程数据展示平台。通过Wi-Fi模块和平台建立设备连接，然后利用ESP8266进行数据上传。最后，通过云平台展示采集数据。

5结束语

本设计采用C语言来编写程序，使用STM32F3作为系统的核心，完成了控制、驱动、通讯和检测的模块设计。实现了在水中对水温、PH值和浑浊度的检测。并实现了无线传感器网络的通讯。最后，通过分析检测数据得出是否符合我国湖泊水质标准，及时治理水质污染。适用于中小型湖泊，如湖光岩水质监测。因其低功耗，可靠性高以及互联网的普及，基于无线传感器水质监测系统应用越来越普遍，本文所设计的水质检测系统具有较大的应用价值。

参考文献

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