基于物聯(lián)網(wǎng)的在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

亓相濤+周敢

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，水環(huán)境污染的問題也逐漸被重視起來。水質(zhì)監(jiān)測是防止水污染的重要方式。隨著互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，無線實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)將逐步取代傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測方式。本文構(gòu)想了一項(xiàng)在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，硬件端實(shí)時(shí)監(jiān)測水質(zhì)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，電量不足時(shí)自動(dòng)上浮到水面借助太陽能電池板進(jìn)行充電，充電完成后潛回原位，根據(jù)指令在水中變換位置，監(jiān)測不同水域的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。本文提出了利用互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合傳感器實(shí)時(shí)的監(jiān)測水質(zhì)狀態(tài)?？蔀榄h(huán)保機(jī)構(gòu)、水務(wù)部門、水產(chǎn)行業(yè)提供安全可靠的水質(zhì)監(jiān)測和水質(zhì)數(shù)據(jù)分析服務(wù)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；在線水質(zhì)監(jiān)測；傳感器

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）27-0185-03

據(jù)2009年環(huán)境狀況公報(bào)統(tǒng)計(jì)，珠江、長江水質(zhì)良好，松花江、淮河為輕度污染，黃河、遼河為中度污染，海河為重度污染。 中國社會(huì)科學(xué)院環(huán)境與發(fā)展研究中心副主任鄭易生指出，中國發(fā)布的各種水環(huán)境質(zhì)量檢測報(bào)告，由于受布點(diǎn)數(shù)量和布點(diǎn)區(qū)域的限制，“并不能充分、真實(shí)地反映國內(nèi)水污染現(xiàn)狀”。目前的水質(zhì)監(jiān)測現(xiàn)狀揭示了中國水污染的嚴(yán)重程度和水質(zhì)監(jiān)測的建設(shè)落后程度。

水質(zhì)監(jiān)測適用于源頭水、國家自然保護(hù)區(qū)，集中式生活飲用水地表水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)、珍稀水生生物棲息地、魚蝦類產(chǎn)卵場、仔稚幼魚的索餌場；魚蝦類越冬場、洄游通道、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)等漁業(yè)水域及游泳區(qū)等靜態(tài)水域。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間以及大量的人力，經(jīng)過繁瑣的步驟才得到數(shù)據(jù)，而在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動(dòng)進(jìn)行設(shè)備的充電，用戶登錄App或者網(wǎng)站即可看到數(shù)據(jù)。

1系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)

在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示，水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)整體分成三層，感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。感知層是系統(tǒng)的核心，是信息采集的關(guān)鍵部分；網(wǎng)絡(luò)層對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行無線連接，通過①LoRa技術(shù)將所有的水質(zhì)監(jiān)測儀連接起來，LoRa數(shù)據(jù)接收端將數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)椒?wù)器，服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[1]。應(yīng)用層位于三層的頂層，將服務(wù)器處理的數(shù)據(jù)通過App以及網(wǎng)站展現(xiàn)給用戶，讓用戶可以直接地看到想要的數(shù)據(jù)以及與前幾次對(duì)比所產(chǎn)生的差異。

2水質(zhì)監(jiān)測硬件設(shè)計(jì)

水質(zhì)監(jiān)測儀構(gòu)想如圖所示，是由CC2530控制了整個(gè)水質(zhì)監(jiān)測儀，數(shù)據(jù)的采集主要是通過傳感器來完成，L9110S是用來控制電機(jī)的上浮下潛以及在水中游動(dòng)，而SL1053是用于來管理太陽能，鋰電池用于存儲(chǔ)電量。

CC2530芯片對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，將傳感器收集的信息存儲(chǔ)和發(fā)送到服務(wù)器，并且接收從服務(wù)器傳來的信息，再將數(shù)據(jù)以指令的形式進(jìn)行命令的傳達(dá)。

（一） 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)通過溫度傳感器、PH值傳感器、濁度傳感器、含氧量傳感器模塊來采集溫度、PH值、濁度、含氧量等信息。

1）溫度傳感器

采用PT100溫度傳感器，對(duì)水的溫度進(jìn)行測量，PT100是鉑熱電阻，它的阻值會(huì)隨著溫度的上升而迅速勻速的增長，鉑熱電阻具有精度高、穩(wěn)點(diǎn)性好、性能可靠的特點(diǎn)，適用于長期進(jìn)行水質(zhì)的溫度的監(jiān)測[2]。

2）PH值傳感器

采用PH值傳感器，對(duì)水中的氫離子濃度進(jìn)行監(jiān)測以及轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的可用輸出信號(hào)，整體是一種密封狀態(tài)，能夠很好的防水，而且使用壽命長，適用于長期進(jìn)行水質(zhì)的PH值的監(jiān)測[3]。

3）濁度傳感器

采用TS濁度傳感器，對(duì)水的污濁度進(jìn)行測量，判斷水的潔凈度，濁度是由水中的懸浮顆粒引起的，本傳感器采用散射光與透射光比值代替單純的散射光測量濁度，傳感器的準(zhǔn)確度、可靠性提高，維護(hù)更加簡單，抗污性增強(qiáng)，適用于長期進(jìn)行水質(zhì)的濁度的監(jiān)測[4]。

4）氧氣含量傳感器

氧氣含量傳感器，對(duì)水中的氧氣含有量進(jìn)行監(jiān)測，它是由一個(gè)銀陽極和金陰極組成，兩極之間存在著電勢差，氧氣在陽極下進(jìn)行反映，通過半透膜向陰極擴(kuò)散，根據(jù)流過兩級(jí)電流的大小就能測試水中氧氣濃度的比例關(guān)系，適用于進(jìn)行氧氣的監(jiān)測[5]。

（二） 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)輸出模塊主要由繼電器及光耦合器構(gòu)成，設(shè)計(jì)中使用的是一種兩個(gè)接線端為輸入端，另外兩個(gè)接線端為輸出端，中間采用光耦合器實(shí)現(xiàn)輸入輸出電隔離的高性能固態(tài)繼電器，該繼電器具有功率小、高靈敏度、高可靠性等特點(diǎn)。在水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行中，當(dāng)控制器接收到用戶的指令后可以將數(shù)據(jù)返回到用戶手中，并且控制儀器進(jìn)行游動(dòng)。

（三） L9110S半導(dǎo)體處理器

如圖3所示，L9110S是控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，該芯片有兩個(gè)TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)，它具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力控制水質(zhì)監(jiān)測儀的上浮下潛，以及四處游動(dòng)。

（四） 線性鋰電池芯片SL1053

SL1053是高精度的線性鋰電池充電的芯片，SL1053可以通過檢測電池電壓來決定其充電的狀態(tài)：預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電。均衡的管理鋰電池的充電模式和查看電量的剩余量。同時(shí)控制著太陽能的充電狀態(tài)，以及當(dāng)充電結(jié)束后將自動(dòng)發(fā)送完成指令給CC2530控制芯片。

3水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

如圖4所示，網(wǎng)絡(luò)層是用戶與儀器之間進(jìn)行交流的媒介，網(wǎng)絡(luò)層由LoRa數(shù)據(jù)傳輸芯片、互聯(lián)網(wǎng)以及服務(wù)器組成，水質(zhì)監(jiān)測儀通過多個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接以及數(shù)據(jù)的傳輸，可以直接將數(shù)據(jù)直接傳輸給LoRa數(shù)據(jù)接收終端，終端將數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)椒?wù)器，服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及分析，通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸給用戶。

1）LoRa

LoRa是一種新型的基于1GHz以下的超長距低功耗的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的芯片，其接收數(shù)據(jù)的靈敏度達(dá)到了-148dBm，與其他的芯片相比較得到了很大的提升，所以我們的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中會(huì)采用到LoRa芯片，對(duì)池塘、水庫的監(jiān)測有較大優(yōu)勢，相比較其他的監(jiān)測設(shè)備使用更加便捷，只需要進(jìn)行一次布局就能長期的進(jìn)行在線的監(jiān)測數(shù)據(jù)，而不是取到每個(gè)區(qū)域進(jìn)行水的采樣，然后在檢驗(yàn)室來一一的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以省去大量的人力物力以及財(cái)力，用戶操作起來會(huì)簡單，我們稱之為傻瓜式操作。LoRa數(shù)據(jù)接收終端將幾個(gè)個(gè)體的水質(zhì)監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)送到服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一處理得到綜合的數(shù)據(jù)反饋以及位于不同區(qū)域水質(zhì)之間的差異。

2）服務(wù)器

服務(wù)器主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、處理、統(tǒng)計(jì)以及進(jìn)行信息的推送。同時(shí)進(jìn)行管理水質(zhì)監(jiān)測儀，監(jiān)控各項(xiàng)指標(biāo)是否正常，對(duì)用戶的信息進(jìn)行管理等。

4水質(zhì)監(jiān)測儀應(yīng)用設(shè)計(jì)

（一）軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為服務(wù)端和客戶端，服務(wù)器端主要是對(duì)用戶的信息進(jìn)行管理，數(shù)據(jù)的分析?？蛻舳藙t是用戶查詢獲取信息，發(fā)送指令，位置的定位。

1）服務(wù)器端

服務(wù)器是信息管理的中心，服務(wù)器內(nèi)儲(chǔ)存著用戶的信息，水質(zhì)監(jiān)測儀編號(hào)類型等信息，用戶使用反饋信息，水質(zhì)監(jiān)測儀監(jiān)測的數(shù)據(jù)，服務(wù)器會(huì)將信息統(tǒng)計(jì)成曲線圖表的形式反饋給用戶，給予用戶最直接的觀察。

2）客戶端

客戶端可分為PC端和移動(dòng)端，移動(dòng)端更適合進(jìn)行信息的修改，數(shù)據(jù)的查看。而移動(dòng)端適合進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測儀的操控，方便攜帶，隨時(shí)都能觀察數(shù)據(jù)的變化。

（1）PC端

PC端會(huì)有水質(zhì)監(jiān)測儀的介紹，用戶能根據(jù)自己的需求選擇水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)的指標(biāo)，我們會(huì)根據(jù)用戶提供的信息進(jìn)行私人定制，達(dá)到更精準(zhǔn)的監(jiān)測；用戶能對(duì)自己的水質(zhì)監(jiān)測儀進(jìn)行地圖定位；用戶能修改自己的信息；用戶能通過圖表、曲線、矩狀圖的形式查看數(shù)據(jù)；用戶能根據(jù)自己的問題向我們反饋；

（2）移動(dòng)端

移動(dòng)端相比PC端攜帶方便，隨時(shí)隨地都能查看水質(zhì)監(jiān)測儀監(jiān)測的數(shù)據(jù)，能夠綁定水質(zhì)監(jiān)測儀進(jìn)行操控，能查看水質(zhì)監(jiān)測儀的電量，能信息的錄入，位置的定位。

（二）模型設(shè)計(jì)

水質(zhì)監(jiān)測儀整體外觀像一個(gè)蘑菇。上為蘑菇傘帽，下為蘑菇桿，這樣的設(shè)計(jì)有利于設(shè)備的上浮下潛以及設(shè)備在水中的平衡運(yùn)行。最上層為太陽能電池板，對(duì)設(shè)備進(jìn)行電量補(bǔ)給。中間是一個(gè)氣孔，它能夠吸收空氣到設(shè)備內(nèi)部使設(shè)備變輕，從而方便設(shè)備的上浮。旁邊以及下面會(huì)設(shè)有傳感器，來監(jiān)測數(shù)據(jù)。下面設(shè)有螺旋槳，一共設(shè)有四個(gè)，分別控制設(shè)備的上浮下潛和設(shè)備的游動(dòng)。

5結(jié)語

本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)想結(jié)合了互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)+的創(chuàng)意，符合現(xiàn)在時(shí)代的發(fā)展，能夠很好的解決價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜的水質(zhì)檢測，運(yùn)用了多種比較穩(wěn)定的傳感器，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性。主要適用于水庫，魚塘等，對(duì)人類的健康造成威脅的一切水源都能進(jìn)行監(jiān)測，給人們健康美好的生活環(huán)境。

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