湖泊水质智能监测系统的设计
发布时间：2021-09-26
摘要:湖泊的水质污染给人们的日常生活以及生产带来了十分严重的危害。本文设计了一款水质检测仪,以Arduinomega2560为主控模块,对环境温度、水体温度、浊度、电导率、PH、水质颜色等信息进行采集,并将数据通过GSM无线传输模块以HTTPGET请求的方式发送到上位机的Web服务器上,若发生污染则通过GSM模块向用户手机发送短信报警,Web服务器处理数据后再将数据保存到云端的MySQL数据库。当通过域名访问远程水质监测系统时,可以在登陆后在线查看监测记录表和实时变化趋势折线图,还能够将历史水质信息导出为Excel表格。本系统具有可拓展性强,使用结构简单以及可实时监控水质变化等特点。
关键词:水质检测;Arduino;浊度;电导率;GSM
0引言
湖泊和水库水是我国城市居民生活用水的主要来源之一,然而随着工业的迅速发展,很多没能有效处理的工业废水和生活污水都会被直接或间接的排放到河流湖泊当中,加剧了水质的污染,给人们的日常生活以及生产带来了十分严重的危害,如何解决水质污染的问题,已成为了我国可持续发展和和科学战略发展的重要课题之一。当前有不少的水质监测的方式,但大都离不开人力,过程复杂,成本高,周期长,往往都需要人工采样或人工采集数据,不能实时查看,十分不便。因此设计了一款使用便捷的远程水质实时监测系统,下位机实时采集数据,上位机实时显示并储存数据,克服了周期长、成本高、耗费人力物力等问题。
1系统总体结构
本系统主要实现远程实时监测水质的变化以及判断水质是否污染。本系统包含主控模块、水质检测模块、取样及采样模块、无线传输模块、太阳能供电模块以及上位机部分等。主控模块负责控制下位机各个模块的运行,水质检测模块负责检测被测水样的水质信息,取样及采样模块负责采集水样,无线传输模块负责将水质信息传输到上位机,上位机部分负责收集信息并实时显示。系统框图如1所示。
2系统硬件设计
本系统主要满足了用户远程实时监测水质变化的需求。本设计的主控芯片选择的是ATmega2560芯片,用户可以通过访问域名直接实现对下位机所在位置水质情况的实时监控。下位机可按照指定的时间间隔自动检测水质并自动将水质参数发送到上位机,最后用户可通过域名登录系统实时查看水质信息,这种监测形式减少了对人力和物力的需求。
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其下位机硬件部分主要由主控模块、水样采集模块、无线传输模块、水质检测模块、太阳能供电模块等电路模块组成。主控模块是下位机的核心,负责检测时间间隔控制、信号转换与计算以及协调其余模块;水样采集模块负责在水质检测前抽取水样,水质检测后排出水样或保存污染水样;水质检测模块负责抽取水样完成后检测水样并将检测到的水质信息传回主控模块;无线传输模块负责将水质信息发送给上位机,并在污染后短信报警。下位机硬件设计的总框图,如图2所示。
2.1主控模块设计
Arduinomega2560是一款性能强悍,功耗极低的基于Microchip8位AVRRISC的微控制器。该器件在16MHz时可达到16MIPS的数据吞吐量,工作电压在4.5V～5.5V之间。
2.2水质检测模块设计
水质检测模块主要由温度传感器(三极管封装和防水封装,分别用来测环境温度和水温)、PH传感器、浊度传感器、电导率(TDS)传感器、颜色传感器组成。当几个传感器检测后会将结果分别通过数字引脚或模拟引脚传递给Arduinomega2560开发板进行后续处理。
(1)温度传感器。DS18B20是一款数字温度传感器,它输出的是数字信号,体积小,成本低,接线简单,使用方便,抗干扰能力强,检测精度高且封装形式丰富。其内部有4个主要的数据部件:光刻ROM中的64位序列号、内部存储器、配置寄存器以及温度传感器。其工作电压为3.3V到5V。(2)PH传感器。PH值是判断水质是否发生污染的一个重要参数。然而工业级的PH传感器的价格都十分的昂贵;市面上的PH测试笔是成熟产品,无法进行二次设计开发;而PH复合电极传感器模块价格低廉、使用方便、测量精度高、可直接输出0～5V或0～3V模拟电压信号。(3)浊度传感器。浊度传感器是通过检测出被测液体的散射率和透光率来得到被测液体浊度值的。传感器的内部有一组红外线对管,当红外线穿过被测液体时,光线在被测液体传播过程当中会随液体浊度的不同而产生不同程度的损耗,被测液体越浑浊,透过的光就越少。模块会根据红外线接收端接收到的光线强度将其转换为电流,且输出电流大小与光强大小成正比关系,之后模块的转换电路再的电流转换为对应电压信号输出。该模块的工作电压为5V,最大的工作电流为40mA。它可输出数字信号和模拟信号。(4)电导率传感器。TDS(TotalDissolvedSolids),也被称作溶解性固体总量,它可以反映出被测液体当中溶解性固体的多少。且在实际的水质检测当中各个离子的浓度才是水质检测的重要参数之一,但各离子浓度的检测仪器造价都十分高昂,且不能进行二次开发,违背了本系统的设计初衷。而TDS也可一定程度上反映离子浓度高低,且本系统主要是为了监测水质情况,因此将TDS值定为本系统水质检测的参数之一。此传感器采用3.3～5.5V的电压供电,输出0～2.3V的模拟信号,能够兼容5V、3.3V的控制系统。测量用的激励源采用的是交流信号,可以有效地增加其输出信号的稳定性。(5)颜色传感器。TCS3200颜色传感器的输出信号为50%占空比的方波信号,它的频率与光强成正比。输出频率可以通过两个控制输入引脚按三个预置值之一进行缩放。在TCS3200中有一个8x8的光电二极管阵列,其中16个有蓝色的滤光片,16个有绿色的滤光片,16个有红色的滤光片,16个没有滤光片。
2.3水样采集模块设计
水样采集模块由六路继电器和水泵组成。继电器主要用于单片机控制水泵和电磁阀的开关,以实现抽取水样、排出水样、保存样本等。一个水泵用来抽取水样,另一个水泵配合多个电磁阀来实现排出水样或保存水样。
2.4无线传输模块设计
UNV-SIM868模块是一款GSM开发板,高集成度的工业级GSM/GPRS/GPS/蓝牙模块。UNV-SIM868板载SIM868模块,该模块是在实现完整的四频段GSM/GPRS技术的基础上,集成了GPS和蓝牙技术。可以低功耗实现语音、短信、GPRS数据传输、蓝牙数据传输和GPS定位。UNV-SIM868模块电源采用DCDC电源模块供电,优化的布局,可靠的滤波,使电源稳定,效率高,纹波小,支持USB直接供电。同时带电源使能引脚,可以控制模块电源,这点是极其有用的。GSM串口和GPS串口都设计了电平转换电路,兼容3～5V的TTL串口。SIM卡采用目前主流的MICRO卡座,质量更坚固,也不用因为小卡而烦恼,同时添加ESD静电保护电路。GSM、GPS、蓝牙天线都进行了阻抗控制,测试GSM信号强度远强于同类产品。
3系统软件设计
3.1下位机软件设计
本系统所有功能代码都写在了一个ino文件里,以定义函数的方式对各个模块的功能分别进行具体编辑。包含对各个模块的引脚定义、setup函数(初始化函数)、loop函数(和while循环类似,会反复执行里面的代码,return也无法结束,是Arduino程序的主函数)、水温传感器函数、室温传感器函数、电导率调用函数、浊度传感器函数、PH传感器调用函数、颜色传感器函数、GSM水质信息发送函数等。该程序可以通过调用内置millis计时函数来控制水质检测的时间间隔,控制调用各个传感器来检测水质,对数据处理之后进行污染判断,根据结果判断是否需要发送报警短信,将结果发送到上位机服务器。远程水质监测系统水质检测的时间间隔为1小时。下位机程序的总流程图如图3所示。
3.2上位机软件设计
IDEA(IntelliJIDEA)是一款Java开发的集成环境。它和Eclipse被公认为是最好用的Java开发工具。其最突出的功能就是对Java源码,JavaScript,JQuery以及Ajax等技术的调试。Tomcat是一个免费开源的轻量级Web应用服务器,一般应用于中小型系统或着并发访问量比较低的场合当中,是开发和调试JSP程序的首选。Tomcat实际上是Apache的扩展分支,但它是作为一个独立的进程单独运行的。MySQL数据库是最流行的关系型数据库之一,在Web应用方面,MySQL数据库是最好的关系数据库管理系统应用软件之一。关系数据库会把数据保存在不同的表当中可以有效地增加程序访问的速度并提高了系统的灵活性。
本系统是一个典型的三层应用,用户通过浏览器访问前端界面,浏览器将需求提交给服务器端,再由服务器与数据库进行交互。上位机系统结构如图4所示。
本系统是远程水质监测系统的上位机系统,主要面向使用远程水质监测系统下位机设备的用户,通过该系统让用户实现对下位机水质信息及水质变化趋势的实时监测。传统的水质监测系统上位机多采用桌面客户端的形式,跨平台性差,需要安装软件方可进行查看,不能做到真正的实时监测,而本系统采用的是WEB应用,对使用环境没有要求,无需安装指定软件,在能访问互联网的情况下使用任意浏览器均可正常访问上位机系统。为了方便对下位机进行管理,增加系统的安全性和实用性,用户需使用账号密码进行登陆,一账户绑定多设备,一设备对应一账户。
系统实现的主要功能有:(1)用户登陆:用户只有在登陆账户之后才能进行其他的操作。(2)水质信息导出:将当前账户下所有设备的历史水质信息导出为Excel表格。(3)查看折线图:查看当前账户下所有设备或指定设备的水质变化折线图。(4)询水质信息:查看当前账户下所有设备或指定设备的所有水质信息。(5)报警记录:查看当前账户下所有设备或指定设备的所有报警记录。(6)绑定新设备:将一台新的设备绑定到当前账户下。
4系统测试
用户登陆界面是该系统的默认界面,用户可通过账号密码登陆湖泊水质智能监测系统,只有在登陆账户之后才能进行其他的操作,如图5所示。
系统主界面是用户登陆之后所看到的界面,可以进行导出EXCEL表格、查看折线图、查询水质信息、查看报警记录、绑定新设备等一系列的操作。主界面主要是由几个导航的标签组成,其中报警记录如图6所示。
5结语
本设计可以通过域名访问湖泊水质智能监测系统对下位机的水质参数进行实时的监测,包括温度、浊度、电导率、PH值、颜色等,当下位机监测到水质污染时会向用户的指定手机号发送短信并自动保存污染的水样。——论文作者：王宇轩韩彬彬郝张红李坤尧
