基于LabVIEW的水质检测系统设计

张鑫业　王振宇　胡梦晴

【摘 要】本设计基于LabVIEW的水质检测系统，采用模块化设计理念，将无线通信技术、传感器技术和计算机技术巧妙的相结合，并充分利用了STM32单片机快速灵活以及虚拟仪器功能强大的特点。硬件部分主要是由STM32F103VET6微处理器、水质传感器采集箱（pH、溶解氧、温度和电导率）、无线传输模块、串口通信模块等组成。本设计实现水质信息的采集以及上位机与单片机间信息的无线传输。上位机为 LabVIEW总控制端，实现信息的显示、存储和处理，同时设置了时间和预警模块。本设计可实现多参数水质信息实时检测、传感器自动收放和远程校准功能，具有数据传输速度快和准确度高等优点，在实际生产生活中有很大的实用价值。

【关键词】水质传感器采集箱;STM32F103VET6;无线通信;传感器自动收放;LabVIEW

中图分类号： S951.2;TP212.9 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）34-0005-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.34.002

Design of Water Quality Testing System Based on LabVIEW

ZHANG Xin-ye WANG Zhen-yu HU Meng-qing

（Dalian university of technology， Panjin Liaoning 124221， China）

【Abstract】The design based on LabVIEW water quality information testing system adopts modular design concept， and combines wireless communication technology， sensor technology and computer technology together. Besides， the design makes the most use of STM32 MCU's and computer technology. The hardware part is mainly composed of STM32F103VET6 microprocessor， water quality sensor acquisition box （pH， dissolved oxygen， temperature and conductivity）， wireless transmission module， serial communication module. Further， the design ensures that water quality can be recorded and makes wireless transmission of information between host computer and single chip computer possible.The host computer is the master control of LabVIEW， which realizes the display， storage and processing of information， and sets up the time and early warning modules. Moreover， the design can realize the functions of instantaneous test of multi-parameter water quality information， automatic retracting of sensors and remote calibration. It also has the advantages of high speed and accuracy of data transmission， which has great practical value in our life.

【Key words】Water quality sensor acquisition box; STM32F103VET6; Wireless communication;  Automatic Receiving and Playing of Sensors; LabVIEW

0 引言

水質信息检测是确保水域水质质量的有效手段，传统的水质信息采集利用人工采样和实验室分析处理方法，这种方法操作效率低下，不仅耗费人力和物力，而且不能确保数据的实效性和准确度，也不能连续地反映出该采样点水质数据的变化，因而导致检测结果缺乏准确性、实时性和可靠性。由于计算机技术、微控制器领域与无线传感技术的不断发展，以上困扰得以解决。本文设计一种基于LabVIEW的多水质信息检测系统，实现水质的实时检测和信息无线传输，防止水体污染[1-2]。

1 水质传感器采集箱

1.1 水质传感器介绍

pH是指水中氢离子的浓度指数，通常介于0-14 之间，是衡量水质酸性碱性程度的重要指标。pH传感器主要由玻璃电极、参比电极与温度电极组成[3]。溶解氧表示溶解在液体中氧的多少，与温度有关，温度越高则溶解氧的含量越低。溶解氧是判断水体净化能力的重要依据。电导率描述物质传输电流的能力，水的电导率可以反映出水中电解质的程度，是衡量水质的重要指标。温度是表示物体冷热程度的物理量，是影响水中各参数的主要因素，因此是水质检测的基本物理量。各传感器在使用前，都需要进行零点校准和斜率校准。传感器技术参数如下表1所示。

1.2 传感集成装置

由于水域中工作环境恶劣，传感器如果长时间浸泡在水中会对传感器的性能产生影响，所以本设计中将所有传感器集成到装置盒中，实现对各个传感器的同时收放。各传感器用胶条卡箍固定在装置盒中，传感器下部与水接触进行测量。根据传感器外形数据，确定传感器装置盒的尺寸为：长 300 毫米宽 145 毫米高 54 毫米，传感器收放装置盒如下图1所示。

2 系统总体设计

本设计通过水质传感器采集箱（DDM-200型传感器）测量水质信息发送给STM32单片机，WL-4020 4G+GPS DTU无线传输模块完成单片机到上位机的信息传输，LabVIEW完成各水质信息数据的显示、存储和处理等功能。总体设计方案如图2所示。

3 系统硬件设计

系统硬件部分由STM32单片机模块、水质传感器采集箱模块、无线传输模块、串口通信模块组成。

STM32单片机模块又包括了STM32F103VET6芯片最小系统电路、电源电路、复位电路、晶振电路和水质监测电路。

STM32F103VET6微控制器的最高工作频率为72MHz，不同的模块进行分频得到各自所需的工作晶振频率。外部电路通常使用8M的无源晶振作为主晶振，并配备18pF的电容来提高主晶振系统的稳定性和精度。实时时钟晶振采用32.768kHz的无源晶振，并匹配10pF的电容来提高晶振的稳定性。

水质传感器采集箱模块传感器电源电路，由于各传感器功耗较大，所以在传感器不工作时需要停止供电，因此在传感器电源线上连接一个单刀双掷继电器来控制电源的通电和断电。使用SDR系列单刀双掷继电器，五个引脚分别对应继电器电源输入端VCC、地线GND、公共端COM、常闭触点NC和常开触点 NO。VCC 引脚连接+3.3V 电源，通过主芯片 PB6 引脚的高低电平控制PNP三极管的基极，从而控制发射极的电压来控制VCC的输入电压，实现控制继电器的通电或断电。当主芯片PB6引脚为低电平时，VCC引脚有输入电压使继电器通电，此时常开触点NO闭合与公共端接通来给各传感器供电。当主芯片PB6引脚为高电平时，VCC引脚没有输入电压，继电器不工作，此时常开触点NO处于断开状态使传感器断电。常闭触点NC在本电路中没有实际用途，不进行连接。VCC引脚连接稳压二极管进行稳压，连接发光二极管来判断继电器是否工作。传感器电源通断控制电路图如图3所示。WL-4020 4G+GPS DTU 无线通信模块支持多种通信协议，支持自动断线重连，可以设置心跳包和自定义注册包，可以通过定时任务或者短信远程启用网管，在线监控设备运行状态和修改配置参数。

本设计采用RS-485完成串口通信。RS-485通讯在远距离传输中具有抗干扰性强和高稳定性等优点，在该模块的电路设计中利用串口3对水质数据进行采集，并配合MAX485芯片与各个传感器进行通讯。传感器A和B端口利用差分信号抑制共模干扰。

4 系统程序设计

4.1 下位机程序设计

下位机是由STM32单片机来控制。采用keil5进行程序的编写。单片机的主要功能是接收上位机传输指令并进行指令解析、对水质数据的采集和无线传输，分别与水质传感器采集箱和GPS DTU 无线通信模块通过485接口相连，程序流程图如图4所示。

4.2 上位机软件设计

上位机为 Labview 总控制端，设计包括登录模块、数据存储模块、数据处理模块、连通显示模块、数值显示模块、时间显示模块和预警模块，其中数据存储模块与数据库连接，数据库与 Web 网站连接。

LabVIEW编程中用于串行通信的常用控件是VISA节点。控制I/O接口仪器的通用程序可以通过对设备不同参数的设置，调用VISA控件编写完成。首先对串口参数进行配置，以与对应串口COM口通信;进入平铺式顺序结构进行延时设置以便串口完成初始准备; VISA清空I/O缓冲区，以输出输入新的串口数据;之后采用VISA写入控件，根据寄存器数据格式调用不同的传感器通道的地址，对具体要采集的数据种类写入指令，根据传感器信息帧格式编写具体的调用指令字符串，由于数据在系统中的传输形式是以十六进制显示的字符串形式传输的，而在上位机内部数据处理需要正常显示的十六进制字符串，所以需要运用数值转换子VI程序进行转换，这是对接收数据处理，如果是发送命令则相反。在数据处理模块，首先将数据形式从正常显示的十六进制转换为十进制数据，再利用条件结构分别对水质数据的编写处理，最终得到正确的数值。而对于上位机命令发送，为了保证命令传输安全性，还需要一步是CRC16校验，这里将它设计为一个单独的子VI。

上位机操作中心是对系统的终端设计，针对水质数据的人机交互界面进行设计，使水质数据以数值及历史数据曲线的形式显示在本地PC的VI前面板界面及远程PC的Web浏览器界面，并针对水质数据读取的需要在界面设置了众多的操作按钮，可在界面执行选择传感器通道、开启、中断及停止程序运行等操作。同时创建数据存储模块，四组数据共同组成数组，经过电子表格字符串转换为TXT文件可以识别存储的格式，写入文本文件，同时可修订文件名称，将文件设置成open or create，如果已经存在此文件，则在保留原文件数据的基础上继续存储数据，若指定文件不存在则创建此文件并进行数据存储。写入完毕后，关闭文件，如果有存储数据相关的错误，会在前面板的文件存储错误输出簇有所显示，可以更加方便快捷地解决问题。上位机界面如图5所示。

5 结束语

本文主要設计了基于LabVIEW的多水质信息采集系统，可以远程无线检测水的pH、溶解氧、温度和电导率。通过多水质传感器采集箱进行水质信息的采集，STM32单片机起到控制收发的作用，GPS DTU完成远程无线传输，同时，上位机通过串口接收云端实时数据，并进行数据显示、存储和处理。本设计的优点在于提高了采集系统的可控制性和灵活性，方便实时采集和检测，同时使用WL-4020 4G+GPS DTU无线通信模块大大提高信息的传输速度和安全可靠性，在维护和扩展方面都很方便。使用LabVIEW编写上位机，除了本身丰富的工具包外，如今大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的LabVIEW驱动程序，使用LabVIEW可以非常便捷的控制这些硬件设备。

【参考文献】

[1]李燕.基于LabVIEW的无线温度监测系统设计[J].科技视界，2017（4）.

[2]谭穗妍，林芳，姚尧，et al.水质检测系统设计[J].电子测试，2019，413（08）：20-21.

[3]刘林.水质在线检测及自动标定系统研究与实现[D].