物联网交互式水质监测系统设计与实现

夏传克 薛江南 殷智浩

摘要：随着全球工业化的不断深入，人类造成的污染不断加剧，以至于人们赖以生存的水资源都遭受了严重的污染。随着工业化，城市化进程的推进，怎样治理水资源污染成了一等一的大事。而要治理污染首先就要进行水质检测，知道污染源在何处，才能着手解决污染。为了解决水质检测问题，我们设计了一套基于物联网工程的多参数水质监测系统。该系统分为两个部分，便携式水质检测系统和全国互联可查系统。便携式监控系统包括便携式监测仪器和PC监控终端。便携式监测仪器基于单片机和多个传感器，体积小，携带方便，操作简单，可以现场监测水质情况；PC监控终端运用了C#语言设计水质参数实时监测、实时显示数据、数据存储、数据传输等功能；全国互联可查系统主要由实时更新的数据库和控制中心组成。经过我们的实地检测，该系统具有良好的稳定性和精确性，对于相关部门做水资源污染处理有较高的参考意义。

关键词：便捷；单片机；传感器；水质监测；远程交互

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）24-0262-03

1 系统需求分析

我们主要研究的方向是水质的检测，采集局部区域的水样，判断水域的污染情况。我们综合各国成功的水质监测系统案例，选出了氧化还原、浊度、电导率、PH这四个参数作为我们监测水质情况的依据[4]。

1.1 氧化还原

ORP值（氧化还原电位）是水质检测中的一个重要的指标，虽然ORP值没有办法自行反应水质的情况，但是如果综合其他水质的指标就可以反映出水系统当中的生态环境。

在外界的水体中，具有很多的变价离子以及溶解氧，例如工厂中的废水排入水体时，当中包含了很多的离子以及有机物质，由于离子间性质，水体会进行氧化还原反应，损耗氧气，从而减少沉积物的氧化还原电位。各种微生物活性也随之发生改变。最终会造成水体发黑发臭，所以治疗水体污染必须在氨氮、亚硝酸盐没出来或很少时就得开始了。

所以，ORP值能够实时监测水中的氧化还原电位，在水质监测中起到了重要作用，还可以及时采取措施，预防水污染。

1.2 浊度

浊度是指光在水中传播时悬浮固体在水中的阻塞程度。一般指水中的沉淀物、細小的有机物和无机物、浮游生物、微生物和胶体物质。

浊度是表现水是否清澈的感官性指标，同时也是反应饮用水当中的微生物以及有机物的含量多少的相关性指标，当水中的微生物和有机物急剧增加时，会造成水体的浊度的升高，说明水体发生了污染[1]。

浊度虽然不能够直接反映出水体质量的好坏，但却是检测水质量的一个重要的指标。

1.3 电导率

电导率是用来描述物质中电荷流动困难程度的参数。水能够导电的原理是要有能移动的电荷。纯净的水当中几乎没有能够移动的电荷，所以不导电。当水中的矿物质以离子形态存在时就可以导电，导电能力越强，电导率就越强，水中矿物质的含量就越高。

当水受到污染时，水中的金属离子就会增多，导电能力就会增强，通过监测电导率可检测出水中矿物质总含量。所以，可以通过电导率来判断水质是否符合要求。

1.4 PH值

PH值主要用来测试水体中的酸碱性，它能够显示出水中不同溶解性化合物主要是CO2、碳酸氢盐等酸碱平衡的水平。当水体的酸性或碱过高或过低，酸碱平衡被打破时，就会导致水污染，从而打乱水体中生物的正常生活[2]。

当然PH值也是会对其他水质的指标构成干扰，还会影响水中的杂质含量。当PH值低于7时，硫侵入水体会生成硫化氢从而产生臭鸡蛋的味道，三氯化氮产生刺激性气味，当PH值提高时，水会有苦味，色度就会增加。

所以，PH值也是我们非常重要的一项指标。

2 系统构架

水质监测系统是一种将软件与硬件，下位机和上位机相结合的综合性系统。水质监测系统由便携式监测仪器和监控终端构成；便携式监测仪器通过传感器模块采集数据，输送到单片机上进行数据处理，算法初步处理，在LCD屏上进行数据显示以及最后的数据上传。监控终端针对仪器上传的数据通过C#制作的客户端执行接收并处理数据，完成对水质的状况的实时数据显示、实时图表显示、自定义数据存储和警戒值等功能。为了满足监控的多样性与便携性，还需要开发移动监控终端（以下简称移动端），该终端与PC监控终端作用相同。

3 移动终端设计与实现

通过WIFI读取单片机上传的数据后，在移动终端上进行直观显示，并且可以通过4G网络将数据写入数据库。在通过PC端获取权限之后移动端可以进行数据的删改。并且可以设定数值的阈值起到更好的监管作用。对于超出阈值的数据移动终端则会在图表中用红色标注，已达到警示目的。

3.1 数据传输与处理

由于该系统使用的传感器较多，因此返回值较为杂乱，我们以精度最高的PH值传感器的数据返回值（十位数据精确到小数点后三位，即总共5位数据）为基础，把所有的数据传输全部拆分成5位数字的形式传播（数据不足5位则钱前面加0补齐）。

3.2 数据阈值的管理

数据阈值的设定是监控设备与用户交互的重点之一，自定义的数据阈值系统可以对实时数据监控，当设定的传感器的数据异常，即达到用户自定义的阈值时，系统会进行提示，能够让用户及时得知，并采取措施。用户的警戒值输入采用文本框的形式，用户直接在对话框中输入自定义的有效数据，在对话框下我们设计了四个单选按钮，用于设定不同数据的阈值，点击确认按钮提交数据，系统在后台处理匹配，验证数据的有效性，确认无误后，系统将将阈值应用于整个监控终端。阈值设定系统摆放在主界面的图表左侧，用户可以结合图表设定警戒值。

4 便携式监测仪器的实现

我们要通过该仪器实现各个传感器的数据采集，与初步预处理，以及与上位机的数据传输。

因此我们采用了如下的下位机组成。

其中，LCD屏我们选用的是LCD1602液晶显示屏，这是一种用来显示数字、字母等点阵的液晶显示模块。足够完成显示数据时间的功能，又兼具低功耗的优良特点。蜂鸣器我们选取的是低功耗的5V有源蜂鸣器，四种传感器在经济条件允许下我们尽量选择高精度的分别是（PH值传感器、氧化还原传感器、电导率传感器、TS浊度传感器）。

4.1 LCD屏显示

LCD屏是便携监测仪器的最终显示部分。通过程序编写实现日期与检测结果同时显示，增加了数据的时效性。该功能实现比较简单，只要通过I2C总线对四种数据进行传输，单片机内嵌的芯片实现时间程序的编写，最后显示在LCD屏上。

4.2 阈值报警

为了更方便的检测水质，我们给该设备设计了数据阈值，实现了阈值报警功能。该功能主要由蜂鸣器实现。经测试报警精度高，速度快，有极强的时效性与可用性。

5 PC监控终端设计与实现

上位机需要实现对数据的读取与二次处理、数据的存贮、自定义阈值、实时数据显示（数据与图表两种形式）。因此该终端主要包括两大部分，前台用户操作界面和后台用来存放水质信息的数据库。

5.1 数据库相关

用户操作界面有保存至数据库功能按钮，点击后将所有数据提交至数据库。同时设置数据库删改权限，其他端想要删改数据库数据只有通过本机发放的一次性权限才能够删改。同时该终端还支持自定义保存的数据类型，用户可以根据需要选择保存的数据，这样可以大大减少冗余数据贮存，方便用户以后对数据进行再处理与利用。

5.2 串口相关

该终端支持串口实时上传数据，而串口配置则是下位机与上位机连接的关节所在。虽然在本套系统中下位机的串口配置是固定的，但是为了兼容更多的检测设备，上位机必须要做好串口处理工作[3]。因此我们在串口部分几乎包括了市场上常见的波特率与数据位的选择。

6 总结

本设计通过对水污染治理的需求分析，提出了一些设计方案，并逐渐进行实施，最终解决水污染问题。该水质检测系统整体分成两部分，检测设备和监控终端，实现了对水质的检测和对检测信息的实时处理与存储。

我们认为该系统有以下优点：

1）检测精度较高；

2）实时显示数据与图表（十分直观）；

3）具有良好的時效性；

4）检测仪器用了十分方便的阈值报警系统，省去不少人力；

5）用户操作界面干净、整齐、一目了然。

参考文献：

[1] 汪家权，李晨，谭茜.二氧化铅阴极单室微生物燃料电池处理有机废水研究[J].水处理技术，2009，35（9）.

[2] 向伟.水质检测中pH值测试仪的研究与实现[D].湖南师范大学，2016.

[3] 于红毅，慕德俊.基于CY7C68013芯片USB虚拟串口实现[J].计算机技术与发展，2012（10）：250-252.

[4] 朱志坤.论水质在线监测系统在水资源管理中的作用[J].中小企业管理与科技，2011（12）：277-278.

【通联编辑：张薇】