基于Cotex M4的无线水质监测系统设计

黄汉卿，徐 建，刘 佳，苏和平，彭世贤

（湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000）

近年来，我国工业化和城镇化的发展导致水污染的范围不断扩散，程度也不断加深。许多城市出现水质的富营养化、铁锰超标等问题，因此对水质监测的工作提出了更高的要求。pH，电导率，温度，浊度和溶解氧是影响水质的关键因素，而传统的水质检测主要是依靠经验或者化学试剂来进行检测，这些方法既浪费了大量的人力、物力和财力，又不能对被检测区域进行实时的监测。随着物联网和传感器的快速发展，无线网络技术也被应用在水质监测方面。系统通过传感器将水质参数转换成易于处理和传输的电信号，通过GPRS完成数据的传输，满足水质监测的实时性和准确性的要求，实现远程监控。

1 系统总体设计

无线水质监测系统以Cotex M4为主控制器，结合无线传感器网络技术和GPRS无线传输技术对被检测水域的pH，温度，浊度，溶氧，电导率这些参数进行采集和实时管理，系统主要由数据采集部分、数据调理部分、无线数据传输部分和监测终端4部分组成。系统的总体框如图1所示。

图1 系统总体框

水质监测系统的核心部分是数据的采集和传输，利用GPRS模块建立起自组织网络，并通过网关完成不同网络之间的数据传输，传感器模块和Cotex M4控制器是组成网络节点的关键部分，对水质参数的数据进行采集和汇总。最后以数据包的形式通过GPRS网络发送给汇聚节点，最后移动通信将数据传输到数据库，方便监管部门进行统一管理。同时数据库中的数据能对工厂排污是否超标提供可靠的依据，当被监测水域出现污染时系统马上启动声光报警装置。

2 系统硬件设计

2.1 传感器节点设计

传感器节点是数据采集的核心组成部分，系统需要对被监测水域的pH，溶氧，温度，电导率，浊度等多种参数进行数据采集，因此需要各种不同类型的传感器。系统放置多个传感器节点，对不同位置的水质参数进行数据采集[1]。将采集得到的物理信息转换成电信号，然后通过AD转换电路将原模拟信号转换成数字信号，然后通过放大、滤波电路调理之后传输到节点的存储器中，每隔一段时间将不同节点数字信息传输到汇聚节点进行汇总处理。传感器节点的结构框图如图2所示。

图2 传感器节点结构

2.2 溶氧参数采集模块设计

本系统采用薄膜电极法来测量水中氧气的溶解量，采用DO-952型溶解氧电极。其阴极由4 mm的黄金片组成，阳极参比电极为银片，两极之间充以电解液。当两极之间加0.7 V左右的极化电压后，通过化学反应会产生氧分压电流，无氧时，两极之间没有电流，有氧时，溶解氧会以电流的方式被送入调理电路[2]。

溶解氧检测电路设计如图3所示。激励源采用+12 V供电，D1为2.5 V稳压，将输出的电流信号进行两级放大，由于电极的内阻比较大，因此前置放大器需要采用具有较高输入阻抗的CA3410直流运算放大器防置信号的衰减，并进行电流的一级放大，第二级采用TL082进行电流电压转换，并调理到单片机能够处理的电压范围[3]。

图3 溶氧检测电路设计

2.3 电导率参数采集模块设计

电导率的检测目前市场上并没有推出集成的传感器模块[4]，因此本系统采用的是电极测量法来测量电导率，利用MAX038产生正弦波激励信号，然后将产生的正弦波信号加到相互绝缘的两个电极上，通过测量两极的电压和通过两极的电流的有效值，利用电流的有效值除以电压的有效值就等于电导率。该方法实现起来比较简单，测量数据较为准确。电导率检测电路如图4所示。

图4 电导率检测电路

3 系统软件设计

3.1 系统组网软件设计

当监测系统开始工作的时候，首先要完成系统组网过程。该过程由协调器完成，包含网络初始化、网络主节点的配置和传感器节点入网3个步骤，协调器完成组网之后启动网络，并开始管理其他的网络节点，通过信标帧进行任务的分配[5]。系统组网流程如图5所示。

3.2 GPRS软件设计

系统采用GPRS网络与监控中心进行数据通信，当传感器节点将数据发送给协调器之后，GPRS利用移动4G网络把获得的数据传送到监控中心，相对于其他的通信方式而言，GPRS通信具有传输距离远、实时性好、可控性强等特点[6]。数据的发送和接收数据流程如图6所示。

4 结语

本系统结合了嵌入式技术、无线传感器网络技术以及无线通信技术，实现了水质参数的远距离监测，解决了传统水质监测系统存在的问题和不足。系统采用无线传感器网络技术进行数据的采集，具有价格便宜、可扩展性强等优点。同时采用Cotex M4处理数据，GPRS进行数据传输，能帮助监管部门更加实时、高效地对被监测水域进行管理。

图5 系统组网软件流程

图6 GPRS数据传输流程

[1]申庆祥，张宇华.生命周期最大化的无线水质监测网络路由优化研究[J].软件工程，2017（9）：45-48.

[2]陈涛，杨帆，尹石鸣，等.多参数光伏式无线水质监测系统[J].水电与新能源，2016（11）：76-78.

[3]张国杰，陈凯，颜志刚，等.基于无线传感器网络的水质监测系统研究[J].机电工程，2016（3）：366-372.

[4]呼娜.基于无线传感器网络的水质监测系统研究[D].西安：西安建筑科技大学，2012.

[5]李惠英，徐柳娟，杨启尧.基于GIS的便携式无线水质监测系统[J].浙江水利水电学院学报，2015（4）：28-33.

[6]赵薇.基于FPGA和无线传感器网络的水质监测系统研究[D].南昌：南昌大学，2014.