基于Labview监控的远程无线多参数水质监测系统设计

◆谭华

（桂林航天工业学院电子信息与自动学院 广西 541004）

传统的水质监测方法，通常是通过人工方式进行水质采样，然后将水样运输到实验室进行分析处理，以达到水质检测的目的。但这种方法采样效率低下，人工成本高，而且存在水样二次污染的风险，无法保证检测数据的准确性、实时性和可靠性。因此，设计一种低成本、采样灵活、实效性高的多参数水质监测系统具有迫切的现实需求和广泛的应用前景。鉴于此，本文设计了一个基于STM32嵌入式技术、LoRa技术和Labview虚拟仪器技术于一体的远程无线多参数水质监测系统[1-3]，能对包括PH值、COD值、ORP值、浑浊度值、氨氮值和溶解氧值在内的六项水质参数进行远程实时采样监测，同时确保了水质监测数据的实效性和准确度。

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1 系统总体方案

本系统的总体设计方案是利用STM32F103作为下位机主控芯片，采用RS485总线连接不同的水质监测传感器，通过modbus协议获得传感器上的数据，将数据根据既定要求进行处理，然后再通过LoRa远距离无线通信模块将数据传输到上位机，与此同时，上位机的LoRa无线模块接收数据，并将接收到的数据通过串口发送给Labview虚拟仪器监控界面[4]，这样完成对包括PH值、COD值、ORP值、浑浊度值、氨氮值和溶解氧值在内的六项水质参数进行实时监测显示。其总体设计框图，如图1所示。

四点直线度监测示意如图2所示。图2中，针对4个间隙测点相对对于悬浮架的坐标A(x1,z1)、B(x2,z2)、C(x3,z3) 、D(x4,z4)，采用最小二乘法拟合获取同一时刻4个间隙测点的第一拟合直线，再根据4个间隙测点与对应拟合直线的偏差值获取中低速磁浮轨道在当前时刻所处位置的四点直线度。

图1 系统总体设计框图

系统由水质参数采集下位机和水质参数监控上位机两部分部分组成，其中下位机由传感器采集模块、STM32主控模块和LoRa无线数传模块组成，而上位机由LoRa无线串口模块和Labview虚拟仪器监控界面组成。

2 系统硬件设计

2.1 主控模块设计

首先，下位机系统上电完成初始化，包括六种水质参数采集传感器、定时器中断、RS485接口的初始化，判断定时中断是否发生，然后STM32F103主控芯片通过RS485接口利用Modbus协议采集传感器数据，将采集到的数据进行处理，一是发送LCD显示，通过按键切换显示内容，二是按照既定通信协议存入LoRa无线通信模块的发送缓冲区，通过LoRa无线信号发送给远端上位机。再判断是否结束，如果不结束则继续回到等待定时中断发生，继续采集传感器数据，如果结束就直接退出。

图2 STM32主控模块硬件设计

2.2 传感器模块

为了实现水质的多参数采集和满足系统接口设计要求，本系统使用了重庆安耐恩环境技术有限公司的水质传感器，包括PH值传感器、ORP传感器、COD传感器、浑浊度传感器、溶解氧传感器和氨氮传感器六种，该传感器具有接口通用、技术成熟等特点，而且满足系统所要求的抗干扰性和远程传输特性。如表1所示，为六种水质传感器的参数表。

表1 各类传感器的参数表

下位机主要完成对水质传感器数据的采集、封装和发送。其处理程序是采用C语言，借助嵌入式开发环境Keil MDK对STM32F103C8T6芯片进行开发设计。下位机主控核心程序包括以下几个部分：各传感器的数据采集、数据的处理与转换、串口通信、数据的无线传输等。其软件流程图，如图3所示。

系统所选用LoRa无线模块型号是中国亿佰特公司的E32-433T20D，该模块是基于LoRa射频芯片SX1268为核心研发的。LoRa模块的RXD及TXD引脚与主控芯片STM32的USART2_TX及USART2_RX引脚连接，负责对主控数据的收发；另外，LoRa模块的M0及M1引脚与PB5及PB6引脚连接，对其工作模式进行选择，AUX作为指示模块工作状态引脚与主控的PB4引脚连接，VCC选择3.3 V～5.0 V供电，GND接地。

2.3 LoRa无线模块

本系统的上位机软件是采用美国国家仪器公司的Labview进行开发设计的，其功能主要是接收下位机发送的数据、然后将数据实时数字显示和波形显示、同时设置阈值报警功能。其程序设计流程图，如图4所示。

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3 系统软件设计

3.1 下位机软件设计

系统所使用的六种水质参数传感器都是通过RS485接口与主控模块STM32芯片进行连接，并通过ModBus协议进行数据通信。

图3 下位机软件处理流程

本系统的主控模块硬件设计如图2所示，主控芯片采用的是STM32F103C8T6微控制器[5]，它是一款基于ARM Cortex-M 内核STM32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是64KB，需要电压2V～3.6V，工作温度为-40°C～ 85°C，能够满足系统设计要求，具有很高的性价比。其与外围电源电路、晶振电路、复位电路和启动电路一起构成最小系统。该主控最小系统与传感器模块通过RS485电路接口进行连接，并利用modbus协议获取传感器上的数据，然后对数据进行处理，并将处理后的数据通过LoRa接口电路发送给LoRa无线数传模块。另外，主控模块的按键电路对接的按键，其中一个是独立式按键，负责切换屏幕显示内容，另一是自锁按键，负责系统的用电开关；另外显示电路连接的是性价比很高的LCD1602液晶显示器，用于下位机端水质参数数值的调试显示。

3.2 上位机软件设计

LoRa无线模块是本系统实现远距离无线传输的关键，LoRa是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。具有传输距离远：城镇可达2-5Km，郊区可达15km，功耗低：电池使用寿命长达10年，传输速率高：可达几百到几十Kbps，工作频率高而且免费：ISM频段包括433、868、915 MHz等，还有容量大、组网灵活、安全性高等特点[6]。并且在复杂环境下，其融合的前向纠错编码技术能够确保数据采集传输的准确性。因此，LoRa技术在本系统中的应用正好解决了水质监测所要求的成本低、抗干扰能力强及传输距离远等问题[7]。

图4 上位机程序处理流程

4 系统运行与测试

系统的前面板划分为数个部分，包括各测量值的波形显示、串行通信参数设置、参数阈值设置及其报警灯显示、日期时间显示、数据保存和停止运行等。其中系统的参数阈值设定，可以根据不同的水质监测要求来进行调整设定，这样可以满足不同的水质监测需求。

当Ames试验不适用时（如受试物存在抑菌性），基于哺乳动物细胞的小鼠淋巴瘤细胞tk基因突变试验（MLA）和HPRT基因突变试验或为受试物的致突变性评价的备选方案。此外，也可使用TK6细胞或L5178Y细胞通过流式细胞计数法检测表型为GPI（‐）的细胞出现率（即体外Pig‐a基因突变试验）对受试物的致突变能力进行评价［26］。然而，体外Pig‐a基因突变试验当前处于开发阶段，其检测效果尚有待大规模实验室间验证。

本系统对自来水的水质进行了远程多参数采集验证测试，为展示系统的Labview监控界面运行效果，从下位机采集到的传感器数据处理后，通过LoRa无线模块被传输到了上位机的Labview监控界面，界面出现了PH值、ORP值、COD值、浑浊度值、溶解氧值和氨氮值的实时数值和波形显示画面。系统测试表明，本系统能够有效地对水质进行多参数监测。

5 结束语

本文结合嵌入式技术、LoRa无线通信技术、Labview虚拟仪器技术设计了一个远程无线多参数水质监测系统，经测试验证，本系统能有效地对包括PH值、COD值、ORP值、浑浊度值、氨氮值和溶解氧值在内的六项水质参数进行远程实时监测，并在Labview虚拟仪器界面实时数值和波形显示，同时具有阈值设置报警和数据存储功能，给用户带来直观的水质监测画面。本系统具有水质参数采集效率高、灵活便捷、传输实时和远程监控等优点，具有较高的应用价值。