基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的凈水機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

刁一峰劉麗萍 陳 燦 楊培剛 陳 為 陳 瓊

(1. 湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410126；2. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院，湖南 長沙 410128)

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基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的凈水機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

刁一峰1劉麗萍1陳 燦2楊培剛1陳 為1陳 瓊1

(1. 湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410126；2. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院，湖南 長沙 410128)

為實時獲取單臺凈水機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)包括水溫、流量、進口水壓，以及反映過濾效果的水質(zhì)信息，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)利用ARM單片機系統(tǒng)對分散的凈水機運行數(shù)據(jù)進行采集，通過GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，將狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到生產(chǎn)廠家管理信息系統(tǒng)和對應(yīng)的用戶。試驗表明該系統(tǒng)具有良好的實時性，高性價比，運行可靠的特點，較好地解決了目前凈水機運行狀態(tài)無法實現(xiàn)實時監(jiān)控和管理的問題，具有良好的應(yīng)用前景。

凈水機；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；運行狀態(tài)；監(jiān)控系統(tǒng)

凈水機可將自來水或江河水通過過濾技術(shù)實現(xiàn)對水中雜質(zhì)的去除，達到保障生活飲用水安全的目的。目前廣泛應(yīng)用于學(xué)校、企事業(yè)單位以及家庭，到2015年中國凈水機普及率為5%，發(fā)達國家平均達到70%，發(fā)展空間巨大[1]。目前中國市面上的凈水機質(zhì)量良莠不齊，各地水質(zhì)不同，濾芯更換時間不同，用水量不同等因素都會導(dǎo)致凈水機凈水效果不同。由于廠家無法實時得到在用凈水機運行狀態(tài)，定期檢測的方式無法確保兩個維護周期之間的設(shè)備運行正常，如果發(fā)生濾芯堵塞或者進水壓力過低等狀況都有可能導(dǎo)致出水質(zhì)量嚴重降低，造成設(shè)備故障，同樣由于用戶缺乏實時出水質(zhì)量數(shù)據(jù)，導(dǎo)致健康隱患，無法確保凈水水質(zhì)安全[2-3]。

目前中國的大型自來水廠對進水質(zhì)量以及出水質(zhì)量都采用了實時監(jiān)控，但通過管網(wǎng)以后輸送到用戶終端缺乏監(jiān)控。由于中國目前江河水污染日益嚴重，自來水廠出水質(zhì)量相比發(fā)達國家明顯偏低，采用用戶二次凈化成為必然趨勢[4]，因此對凈水機設(shè)備本身的運行狀態(tài)監(jiān)控，確保出水質(zhì)量對廠家和用戶都非常關(guān)鍵[5]。國外高端凈水機已有采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)的設(shè)備運行監(jiān)控系統(tǒng)，但由于價格因素國內(nèi)普及困難[1]，中國水質(zhì)在線檢測研究較多，但適用于終端二次凈化設(shè)備監(jiān)控的解決方法研究不多，市面缺乏成熟產(chǎn)品[6]。

物聯(lián)網(wǎng)是物與物、人與物之間的信息傳遞與控制，它的核心方法是利用嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能獲得對象相關(guān)信息，并利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，每個對象都具有唯一的身份標識和地理位置標識。本研究擬借鑒水質(zhì)在線監(jiān)測技術(shù)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計一種凈水機運行監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)廠家和用戶對凈水機運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，指導(dǎo)生產(chǎn)廠家進行凈水機清洗消毒和更換濾芯等售后服務(wù)，確保凈水質(zhì)量，消除健康隱患[7]。

1 監(jiān)控參數(shù)的選定

目前常用的凈水機含有加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)，因此需要檢測兩出水口溫度，以判斷兩系統(tǒng)是否正常工作；進水水壓表明外部供水是否正常；流量值可以體現(xiàn)進水和出水流量是否正常；進水壓力配合流量檢測可以得到飲水機濾芯是否產(chǎn)生堵塞。根據(jù)生活飲用水檢測標準GB 5749—2006，凈水機水質(zhì)主要檢測微生物指標、毒理指標以及感觀性狀和一般化學(xué)指標三大類[8]。檢測指標達數(shù)十項，由于大部分指標不適合在線檢測，本研究選擇最能反映過濾效果的總?cè)芙庑怨腆w物質(zhì)(TDS)值作為監(jiān)控參數(shù)[6]，以監(jiān)控濾芯工作狀態(tài)，TDS是屬于感官性和一般化學(xué)指標的一種。

2 測量原理

2.1 水溫值的測量

水溫變化范圍在0～100 ℃，精度一般控制在±1 ℃即可滿足要求。目前適用于水質(zhì)溫度檢測的傳感器主要有3種：熱電阻、熱電偶以及熱敏電阻。熱電偶測量溫區(qū)很寬(0～1 300 ℃)，可以為適應(yīng)于檢測加熱爐以及電廠鍋爐等領(lǐng)域中高溫區(qū)測量，但體積比較大，安裝不方便，需要定期校驗；熱電阻測量范圍相對較窄(0～500 ℃)，適應(yīng)于中溫區(qū)測量，測量精度相比熱電偶高，使用更方便[9]。本研究選用熱電阻型NTC型溫度傳感器，適用溫度范圍以及阻值精度均滿足要求。

2.2 水壓值的測量

目前國內(nèi)自來水管網(wǎng)或者二次供水系統(tǒng)的供水壓力標為0.14～0.70 MPa，測量精度達到5%則可，因為該指標僅用于判斷進水狀態(tài)及配合流量值判斷濾芯是否堵塞，并不需精確計量。常用的壓力傳感器有兩大類：壓阻式和壓電式，壓電式傳感器不適合測量靜態(tài)壓力，頻響特性好，適應(yīng)于壓力變化比較快的對象；壓阻式傳感器適合動態(tài)和靜態(tài)壓力測量，但頻響特性相對較差。鑒于進水水壓在穩(wěn)定后變化基本不大[10]，本研究選用HK1100 型壓力傳感器，量程范圍為0.0～1.2 MPa，測量精度為±3.5%，安裝和維護簡單，完全滿足測量要求。

2.3 流量值的測量

通過測量流量可以反映凈水機中的飲用水流動狀態(tài)。測量流量值有多種測量方案，但不同的測量原理所生產(chǎn)的測量器件所應(yīng)用的場合也有所區(qū)別。流量傳感器有差壓式流量計、容積式流量計以及渦輪式流量計。從價格、響應(yīng)特性以及精度要求等特性考慮，本研究選用渦輪式流量計[11]，該傳感器目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。

2.4 TDS值的測量

常規(guī)測量液體的TDS值方法為稱量法，即通過對液體進行過濾、凈化、蒸餾等一系列手段，得到一定體積的液體中所含有的固體物質(zhì)，再對該部分固體物質(zhì)進行稱量，結(jié)合其比例可以得到液體的TDS值，顯然該方法不適合在線檢測。第二種方法是電極法，即通過測量水中離子的數(shù)量獲得水中TDS值的含量[12]。

水中離子的數(shù)量可以通過測量水中的電導(dǎo)率計算得到。電導(dǎo)率是一定體積的液體的導(dǎo)電能力，由于水的電導(dǎo)率隨溫度變化會發(fā)生變化，所以要取得標準的的TDS值需要獲得25攝氏度條件下的電導(dǎo)率值，故而需要結(jié)合相應(yīng)的公式對不同的溫度值進行轉(zhuǎn)換，獲得標準的電導(dǎo)率，通過電導(dǎo)率和溫度的轉(zhuǎn)換獲得最后的TDS值[13]，計算公式如式(1)：

TDS=(0.55-0.70)K，

(1)

式中：

TDS——水中的溶解固體成分，mg/L；

K——25 ℃條件下水的電導(dǎo)率，S/m。

不同溫度條件下的電導(dǎo)率按式(2)計算：

(2)

式中：

Kt——溫度t℃條件下測得的電導(dǎo)率，S/m；

t——測量時溫度，℃。

3 整體方案

系統(tǒng)整體采用兩層結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用工業(yè)PC作為上位管理機，實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的整理和歸納，在工業(yè)PC上編制管理軟件，進行數(shù)據(jù)顯示，并建立數(shù)據(jù)庫，進行數(shù)據(jù)的保存和歸檔，以便日后進行數(shù)據(jù)分析和整理。

采集系統(tǒng)實現(xiàn)則采用基于ARM的嵌入式系統(tǒng)，較之51系列單片機，ARM單片機具有更優(yōu)良的性能和更強大的外設(shè)兼容能力，再加上最近該單片機技術(shù)已經(jīng)成熟，價格趨于平穩(wěn)，實際設(shè)計中選用STM32F103RET6，該芯片是一種高性能、低功耗的32位ARM微控制器，片上集成512kBFlash，64kBSRAM，5路串口，3路SPI接口，2路IIC接口，正常工作在8MHz時功耗僅10mW，掉電模式時10μW，非常適合本設(shè)計要求。

要實現(xiàn)多種水質(zhì)指標的收集，要使用到合適的采集設(shè)備。針對于每一種參數(shù)，市面上都有多種方法測量。不同參數(shù)的傳感器，應(yīng)當首先對于各種測量方案進行綜合分析，選取最適合的測量方法?？紤]安裝的難易程度以及價格、準確性等多種因素，選擇合適的傳感器。上文測量原理中已有詳述。

數(shù)據(jù)的傳輸作為本設(shè)計的重要組成部分，目前可供選擇的技術(shù)主要有GPRS技術(shù)、3G/4G技術(shù)、WIFI、有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)榷喾N傳輸方式[14]，在本設(shè)計充分考慮了成本、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、安裝維護方便等問題，選擇GPRS數(shù)據(jù)傳輸方式。實際設(shè)計中選用SIM900A，該模塊是一種使用廣泛，結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高的無線通信模塊，采用SMT封裝，支持雙頻GSM/GPRS。能低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸。其采用成熟可靠的技術(shù)平臺，以及提供從產(chǎn)品定義到設(shè)計和生產(chǎn)的服務(wù)支持。系統(tǒng)整體方案見圖1。系統(tǒng)硬件框架見圖2。

圖1 整體方案框圖

圖2 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計示意圖

4 軟件設(shè)計

4.1 監(jiān)測模塊程序

監(jiān)測模塊程序主要是對STM32進行編程，開發(fā)工具為KeiluVision4。程序整體思路是，等待中心計算機的控制指令，并執(zhí)行相應(yīng)指令。主要程序段有：初始化系統(tǒng)，初始化SIM卡，判斷接收的信息是否是中心計算機發(fā)送，若是則采集溫度、壓力、流量、TDS的數(shù)值，并控制SIM900A發(fā)送所有參數(shù)到中心計算機平臺。程序流程圖見圖3。

圖3 模塊單片機程序

4.2 上位機管理軟件

QT是一種跨平臺性良好，編程簡單，界面美觀的編程工具。監(jiān)控中心上位機軟件采用QT編寫，功能齊全，人際交互性好[15]。上位機管理系統(tǒng)操作畫面見圖4。

圖4 管理系統(tǒng)操作界面

5 驗證實驗結(jié)果

實驗試生產(chǎn)100個監(jiān)測模塊安裝在不同家用凈水機上，單個模塊成本可控制在100元以內(nèi)，經(jīng)過長達一個月的模擬試驗，各項指標誤差均小于5%，實時性可達每分鐘1次，新增加模塊，可快速并入系統(tǒng)。

在1L純水中，分若干次共加入1 000mg鹽類，使用本系統(tǒng)測量TDS值，測量結(jié)果見表1。

表1 TDS測量準確度

按每戶每月上門一次測量凈水機參數(shù)，每次耗費1 h計算，100戶凈水機需要100工時，采用該方案后，無需上門測量，節(jié)約了大量工時。

當某戶TDS數(shù)據(jù)超標時，軟件用紅色高亮顯示，方便監(jiān)控維護人員及時上門更換該戶凈水機濾芯，保證飲水安全。

6 結(jié)論

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對凈水機的進水壓力、出水流量、以及出水溫度和TDS值的測量，利用GPRS技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，并建立廠級凈水機監(jiān)控平臺，可在線監(jiān)控凈水機運行狀態(tài)，為設(shè)備及時維護提供關(guān)鍵信息，將水質(zhì)劣化信息回送用戶。該試驗表明該系統(tǒng)簡潔，生產(chǎn)成本和維護成本低廉，方案可操作性強，適應(yīng)性各種復(fù)雜環(huán)境，運行穩(wěn)定可靠，很好地解決了目前凈水機水質(zhì)終端用戶及廠家對凈水機運行狀態(tài)獲取困難的問題。由于水質(zhì)檢測指標體系復(fù)雜，許多指標還無法適應(yīng)在線監(jiān)測，因本系統(tǒng)具有良好的開放性及可擴充性，可為以后新的檢測方法提供很好的移植平臺。

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The designation of online water quality monitoring system about the water purifier based on the internet of things

DIAO Yi-feng1LIUli-ping1CHENCan2YANGPei-gang1CHENWei1CHENQiong1

(1.HunanBiologicalandElectromechanicalPolytechnic,Changsha,Hunan410126,China;2.DongfangSchoolofHunanAgriculturalUniversity,Changsha,Hunan410128,China)

The running information of water purification machines, including the temperature, flow rater, inlet pressure and some information related to filter quality of water was collected and analyzed in this study. In order to obtain these data real-timely, an acquisition system using ARM single chip microprocessor was designed based on embedded technology, and it could send the real time data of running state to the management information system in factory and the related users. The results showed that the system has such advantages as good real time, high cost performance and high reliability, therefore it could deal with the present problem that the water purification machine ran without monitoring and supervising real-timely. Thus the system might be developed with good application prospect.Keywords: water purification machine; technology of the internet of things; runing state；Mornitor systerm

湖南省教育廳科學(xué)研究項目(編號：05C0811)

刁一峰(1980—)男，湖南生物機電學(xué)院講師，碩士。

E-mail:44216968@qq.com

2016—06—25