基于物联网的水质监测系统的设计与实现-董浩.pdf

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1、基于物联网的水质监测系统的设计与实现 105基于物联网的水质监测系统的设计与实现董浩，廉小亲，王晓冰，郝宝智，段振刚(北京工商大学计算机与信息工程学院食品安全大数据技术北京市重点实验室，北京100048)摘要：结合传感器、ARM、无线通信、服务器等物联网技术，设计了一套微型水质监测系统，监测被处理过的家庭废水能否进行二次利用，保证二次利用的水质能够达到城市污水再生利用标准。基于智能化、微型化的设计目标，阐述了由控制器到本地网关再到移动终端的总体设计方案；重点给出了基于水质传感器、STM32微控制器和WiFi无线模块的硬件设计与STM32软件设计思路及实现方法；制订了各部分之间的通信协议。测试结

2、果表明，系统硬件、软件设计方案可行，运行稳定，完成了水质实时监测、进出水自动控制、二次利用水量统计以及移动端在线显示的功能。本系统实时性好、实用性强，可投入未来家庭使用，推动智慧家庭的发展，也可以应用于水产养殖厂和泳池的水环境监测。关键词：物联网；STM32；水质监测；微型化；智慧家庭中图分类号：TP3685；X832；X853 文献标识码：A 文章编号：10008829(2018)02010505Design and Implementation of Water Quality Monitoring SystemBased on Internet of ThingsDONG Hao，LIA

3、N Xiaoqin，WANG Xiaobing，HAO Baozhi，DUAN Zhengang(Beijing Key Laboratory of Big Data Technology for Food Safety，School of Computer and Information Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China)Abstract：A set of miniature water quality monitoring system was designed based

4、 on the Intemet of things(IOT)technology such as sensor，ARM，wireless communication and server，to monitor whether the treated domesticwastewater can be reused and meet the standard on the reuse of urban recycling waterAccording to the intelligentized and miniaturized design goals，the overall design s

5、cheme from the controller to local gateway and thento mobile terminal was expoundedThe hardware circuit design scheme based on water quality sensor，STM32micro controller and WiFi wireless module and STM32 software design ideas and implementation methods weredescribedMoreover，the communication protoc

6、ol among the various pans was givenThe test results show thatthe system software and hardware designs are reliable，and the functions can be realized including real-timemonitoring of water quality，automatic control of inlet and outlet water，statistics of secondary water utilization andonline displayT

7、he system is realtime and practical，and can be put into future family use，to promote the development of intelligent homeIt can also be used for aquaculture and swimming pool water quality monitoringKey words：Internet of things；STM32；water quality monitoring；miniaturization；intelligent home未来智慧家庭将成为人

8、类崭新的生活模式，带给人类全新的体验。同时，打造节约型社会的目标也收稿日期：20170527基金项目：北京市属高等学校科学技术与研究生教育创新工程建设项目(PXM2014_014213_000043)；北京高等学校教育教学改革项目(2015一msl46)作者简介：董浩(1992一)，男，河北沧州人，硕士，主要研究方向为计算机测控技术；通信作者廉小亲(1967一)，女，河南沁阳人，博士，教授，主要研究方向为计算机测控技术；王晓冰(1993一)，女，山西大同人，硕士，主要研究方向为物联网技术。开始深入人心，大量智能设备开始致力于家庭污水的净化处理以及二次利用。为了保证处理过的水质达到城市污水再生利

9、用标准，急需研发一套微型水质监测系统，监测被处理过的家庭污水是否达标。在以往的水质监测中，通常采用人工监测和记录的形式，监测随机性大、实时性差旧J。随着自动监控技术的发展，利用有线技术实现水质监测的系统在美、日等发达国家已经开始大规模地投入使用，但存在布线麻烦、成本高等缺点。3I。本设计将物联网技术应用于水质监测中，完成了水质实时监测、进出万方数据106 测控技术2018年第37卷第2期水自动控制、二次利用水量统计以及移动终端在线显示的功能。对处理过的家庭污水进行监测，保证了二次利用的水质符合城市污水再生利用标准。同时用户可以在移动终端随时随地查看家庭污水处理情况以及二次利用的污水总量。基于物

10、联网的水质监测系统真正实现了绿色生活，推动了智慧家庭的发展，该系统还可以用于水产养殖厂和泳池水环境的监测。2系统硬件设计21 系统总体硬件组成本系统的硬件部分，从感知层、控制层和执行层3个层面进行构建。其硬件总体组成框图如图2所示。感知层 控制层 执行层。一一+=：=二二1r一一一一一一一一一一一1 i-一一一一一一一一一一一一一一一一一一j丽。攀1 系统总体结构设计 I余氯传感器闫从控制器基于物联网的水质监测系统由移动终端、服务器、无线网关、控制器和水质传感器组成。本系统的总体结构设计框图如图1所示。托驯器 移动终端APP1 系统总体结构设计框图水质传感器检测到水质信息后发送给控制器，控制器

11、通过WiFi通信方式接入无线网关，进而将水质信息上传到服务器存储到数据库中。移动终端APP通过互联网访问服务器，然后获取数据库中的水质和水量参数信息，再依据城市污水再生利用标准对所测水质做出是否符合标准的判断。最后将具体参数信息及判断结果显示在移动终端APP上，从而实现水质的远程监测。温度传感器水位传感器一堕苎堡壁墨一主控制器叵曼圈=黑i图2硬件总体组成框图从控制器将感知层传感器采集到的水质参数发送给主控制器。主控制器根据水质参数和检测池的水位信息操纵执行层的水泵和电磁阀实现进、出水自动控制。同时，主控制器将水质参数和流量传感器采集的二次利用水量实时上传到服务器。基于物联网的水质监测系统由两块

12、12 V可充电蓄电池串联供电，电压管理模块采用LM2576芯片将24 V电压降至12 V，采用LM2940芯片将12 V电压降至5 V，通过AMSlll7 33芯片将5 V电压降至33 V，保证稳定输出系统各部分电路所需电压。22控制层硬件设计控制层硬件设计，主控制器选用STM32F103C8T6单片机，主控制器采用33 V供电。其最小系统电路如图3所示，负责对从感知层获取的数据进行预处理图3 主控制器最小系统电路图鬯匾际型丑习型翮二蚪黝一一珊一一瓣器tI剐n-水万方数据基于物联网的水质监测系统的设计与实现 107和传输，通过前面收集及反馈的信息，对执行层各个模块进行行为决策，从而实现进、出水

13、自动控制及水质参数上传。为保证系统稳定，还增加了掉电存储功能。STM32F103C8T6单片机内部自带可编程电压监测器。当系统异常断电，电压降低到28 V时，产生一个中断。在中断服务函数中，将重要参数信息写入Flash，等待系统恢复供电重启后，便可将数据重新读出。23感知层硬件设计感知层负责实现对各传感器的信息采集及处理，从传感器选型、传感器电路设计和从控制器通信设计三个方面进行阐述。231 传感器选型本系统涉及的传感器包括pH传感器、余氯传感器、温度传感器、水位传感器和流量传感器。系统根据GBT 1 89202002(城市污水再生利用城市杂用水水质标准，选择其中3个关键水质参数，pH、余氯和

14、温度进行监测。系统中选用了DPS-600A数字型pH传感器、DLS-600A数字型余氯传感器和DSl8820数字温度传感器。其中，DPS-600A数字型pH传感器，工作电压DC 24 V，pH理论测量范围为014，对应模拟电压输出为05 V；DLS-600A数字型余氯传感器，工作电压DC 24 V，理论测量范围为02000 mgL，对应模拟电压输出为05 V；DSl8820数字温度传感器探头为不锈钢防水封装，工作电压为DC 5 V，采用单总线的接口方式与从控制器连接，仅需要一条线即可实现从控制器与DSl8820的双向通信。水位传感器选用投入式液位计，工作电压DC 24V，测量范围为050 m，

15、对应模拟电压输出为05 V。流量传感器选用霍尔流量传感器，工作电压为DC5 V，输出形式是高电平为48 V的脉冲信号。232传感器电路设计余氯和pH传感器将检测到的水质信息转化为电压信号，输出给从控制器的AD口，从控制器将电压信号量化为相应的pH及余氯值。同时，从控制器操作DSl8820温度传感器进行温度采集，得到温度值。从控制器采集到水的pH、余氯及温度信息后，再发送给主控制器，将数据解析存储。投入式液位计将检测到的水位信息转化为电压信号发送给主控制器的AD口，主控制器再把电压信号量化为水位值后存储利用。霍尔流量传感器每流过1 L水，会产生553个脉冲信号，主控制器的输入捕获通道对此脉冲计数

16、，然后根据量化比例转化为水量。233从控制器通信电路设计从控制器选用STC89C51单片机，从控制器采用5 V供电。pH、余氯及温度传感器将采集到的各项水质参数发送给从控制器，从控制器通过RS485模块将TTL信号转换成RS485信号发送出去，主控制器再通过RS485模块将RS485信号转换成1TrL信号接收，从而实现数据的交互。信号以RS485形式传输，可有效抑制共模干扰，同时增加系统拓展性。RS485模块电路如图4所示。Ro100Q图4 RS485模块电路图24执行层硬件设计执行层依据主控制器传达的命令操纵水泵和电磁阀完成进、出水自动控制，主控制器通过连接WiFi无线模块将水质和水量信息上

17、传到服务器。由于水泵和电磁阀均为DC 24 V驱动，设计了由ULN2003和PC817组成的24 V驱动电路。主控制器相应IO口产生低电平信号，使PC817光耦电路导通，经过高耐压ULN2003反相器取反后，由OUT4输出使5 V继电器吸合，最后达到驱动24 V水泵和电磁阀的目的。将主控制器和继电器隔离，有效地起到了信号保护和芯片保护的作用，驱动电路设计如图5所示。33V 5V砥。 T1100QOC4LUT4_5V图5驱动电路图水位传感器检测到检测池中水位达到低水位时，驱动进水泵将处理过的水打入检测池中，水位达到高水位时，停止进水。此时开始参数上传和水质达标判断，若检测到水质不符合标准，则打开

18、电磁阀将水排人下水道。反之，则驱动出水泵将水排出进行二次利用。当水位再次达到低水位时，开始下一轮抽水，从而实现进、出水自动控制。主控制器采集到水质参数及二次利用的水量后，通过WiFi无线模块上传至服务器存储在数据库中，移动终端APP再通过互联网访问服务器上的数据，将实时水质参数进行显示。WiFi无线模块电路如图6所示。一盯叽盯叽叽晰一一旧加如加呱一心6一小心烈m附N洲一儿盟胤黼殿黼|H万方数据108 测控技术)2018年第37卷第2期PWMnLink 堪PWMnReadyPWMWPSPWR SW 挫长黢UART TXUART RXnResetnReloadDVDDGNDUSRWIFl232T图

19、6 WiFi无线模块电路图3 系统通信协议为实现系统各部分间的通信，制订了主、从控制器之间与主控制器和服务器之间的通信协议。31主、从控制器之间通信协议主控制器与从控制器之间采用Modbus协议进行通信，波特率固定为9600 bits。发送命令间隔时间为1 S。其中，命令格式如表1所示，返回格式如表2所示，数据格式如表3所示。其中，数据字节长度为返回数据的实际字节长度。CRCl6位校验，低8位在前，高8位在后。表1命令格式表3数据格式字段 数据 字段 数据第1字节 余氯值高字节 第7字节 预留第2字节 余氯值低字节 第8字节 预留第3字节 温度值高字节 第9字节 预留第4字节 温度值低字节 第

20、10字节 预留第5字节 pH值高字节 第11字节 预留第6字节 pH值低字节 第12字节 预留32主控制器与服务器之间通信协议主控制器与服务器之间采用HTFP通信协议，主控制器向服务器发送的请求包含请求的方法、URL、协议版本、客户信息和水质监测数据等。服务器上开发接口完成与主控制器的数据交互，当服务器接收到WiFi模块上传的数据，将响应数据返回到主控制器，同时把水质监测数据存人数据库中。系统运行过程中，若接收到服务器请求，便将各项状态参数信息打包成轻量级数据格式JSON串形式，数据字段如表4所示，通过串口发送到配置好的WiFi无线模块，以HrITIP通信协议将数据上传到服务器。表4数据字段参

21、数 定义 参数 定义id 设备号 chlorine 余氯值temperature 温度值 total 总水量ph pH值 cycle 二次利用水量然后APP通过HTTP的GET方法从服务器请求数据，实时更新水质参数，并在APP界面进行展示。APP刷新数据时，新建一个线程，每隔一定时间向服务器发出H1TrP的GET请求，从而查询服务器存储的水质参数。此外，APP会对监测数据进行分析，在水质异常时给出提示。4 STM32软件设计本系统软件设计包括STM32软件设计、数据库软件设计和APP软件设计，这里仅对STM32软件设计进行重点介绍。将嵌入式I_LCOSII实时操作系统(ReadTimeOper

22、ating System，RTOS)植入到主控制器中，采用了多任务管理和分模块化的程序设计思路。4。系统的主要任务包括进水任务、排水任务、排污任务、监测水质任务、统计水量任务、参数上传任务和掉电存储任务。系统开机启动后，首先进行系统全局及串口中断的初始化，然后调用数据采集函数采集各传感器信息，创建各个任务，并启动多任务调度，再根据程序的跳转条件执行相应任务。基于物联网的水质监测系统的多任务工作流程图如图7所示。甲 一进水任务l系统硬件初始化I 一 监测水质任务上 刊 排污任务开启串13中断- 排水任务l调用数据采集函数l山 一 水量统计任务创建任务 叫 参数上传任务0启动名任备调席I -掉电存

23、储任各I图7多任务工作流程图水位传感器检测到检测池中水位达到低水位时，执行进水任务，驱动进水泵将处理过的水打入检测池中，水位达到高水位时，停止进水。此时开始水质检测和参数上传任务，从控制器便将实时检测到的水质参数发送给主控制器，主控制器再将各项参数上传到服务器。然后做出是否符合标准的判断，并将判断结果万方数据基于物联网的水质监测系统的设计与实现 109显示在移动终端APP上。若检测到水质不符合标准，则执行排污任务，打开电磁阀，将不符合标准的水由下水道排出。若符合标准，则执行排水任务，驱动出水泵将水排出、进行二次利用。同时，执行水量统计任务，出水流量计实时统计被二次利用的水量，显示在APP界面上

24、。系统运行的任一时刻，若主控制器欠压，则立即执行掉电存储任务，将系统关键数据写入Flash，在系统恢复供电重启时再将数据读出。表5测试数据时刻 标准pH系统实测pH 时刻 标准pH系统实测pH10：30：oo 90 91 10：30：50 70 7110：30：10 90 87 11：31：00 50 5210：30：20 90 89 11：31：10 50 4810：30：30 70 69 11：31：20 50 5110：30：40 70 70 11：31：30 45 465测试结果 6结束语联调测试时系统可实现进、出水自动控制，系统从传感器采集水质信息，最后显示在服务器上的数据库中，对整

25、个通信过程进行了测试实验，数据库数据显示记录如图8所示。测试结果表明，水质参数可实时稳定上传到服务器。a哪kr垂tdtd岬2IlocaI；host 13061-丧 芝P缸国抽畦抽。-x e州时0he帕Oocalh x童悻掌曩tC 蛐导鹇嚣黜向导j鼬导 j翮嘲一晕嘲 量生喜，煳舶d b时p叶幽陀p1 chtoti肿自hI cycle creaed州 1 21 8 6ggsO iO 9fJ5201瑚蹦 n黜0 2016-1Idl 204 6600 677 61174蚰B28j S扎1嘲77盯 瑚6”2“MH 8数槲怍敬槲小l己录为进行传感器准确性测试，将系统布置在实验室进行了模拟实验。系统每隔10

26、 s进行一次水质信息采集，移动终端可以实时获取水质参数。以pH传感器测试为例，使用pH标准缓冲液进行测试，并对在移动终端显示的pH值进行了记录、对比，测试数据如表5所示。从表5中缓冲液的标准pH和传感器实测pH对比可以看出，本系统控制pH检测精度在02以内，效果良好，能够满足再生利用废水的监测需求。i !i !： 欢迎订阅201 8年测控技术 ； 欢迎发布广告信息 ：； ： 订阅代号：82-533 i： 定价：1800元期 i： 每月18日出刊 ；i !i !本文设计的基于物联网的水质监测系统，实现了进出水自动控制、水质实时监测、二次利用水量的统计、掉电存储、移动端在线显示的功能。测试结果表明

27、，整个系统运行稳定，可以实现上述功能。而且水质传感器检测精度高，移动终端能够实时获取水质参数及二次利用水量。基于物联网的水质监测系统可以应用于智慧家庭，对处理过的家庭污水进行水质监测，保证处理过的水质达到城市污水再生利用标准，实时统计二次利用的水量，推动了智慧家庭的发展口。同时，系统还可以应用于水产养殖厂和泳池的水环境监测，具有很强的实用性和广泛的应用前景。参考文献：1 张力刚智能厨房的超循环系统模型设计与研究D秦皇岛：燕山大学，20142 姜莉，曾宝国基于物联网的水质监测系统设计J电子设计工程，2014，22(20)：1051073 刘坤基于物联网的水环境在线监测系统的研发D曲阜：曲阜师范大学，20154 刘淼，王田苗，魏洪兴，等基于uCOSII的嵌入式数控系统实时性分析J计算机工程，2006，32(22)：2222245 应怀樵云智慧技术引领高端制造业革命第三次工业革命正在到来J测控技术，2013，32(3)：14口一一”。+气i !i !： 测控技术征订 ：i 电子版期刊静态、动态广告! ： 一朝发布，持续在线， ： 让广告展示无穷的生命活力， i? 不再为刊期、页面、成本困扰! ：i网址：wwwmcteomcn或ckjsijournalscn(测控在线) ! 电话：(010)6566735765665345 ： ：； !_j|，。，。，。，。，万方数据