基于Arduino的家用在線智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

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【摘 要】為能實(shí)時(shí)方便了解家庭飲用水源質(zhì)量，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Arduino的小型家用水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀。該監(jiān)測(cè)儀利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可智能化采集水體的濁度、TDS、硬度、電導(dǎo)率、PH值等關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)云端存儲(chǔ)傳輸。通過(guò)此設(shè)計(jì)，用戶能夠即時(shí)在手機(jī)或PC端通過(guò)應(yīng)用程序在線查看實(shí)時(shí)與歷史水質(zhì)情況，從而實(shí)現(xiàn)家庭用戶對(duì)飲用水質(zhì)的在線智能監(jiān)測(cè)。此外，本設(shè)計(jì)對(duì)于城市水質(zhì)監(jiān)測(cè)、相關(guān)部門(mén)的調(diào)研都有著重要輔助作用。

【關(guān)鍵詞】Arduino;水質(zhì)監(jiān)測(cè);物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

中圖分類號(hào)： TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）22-0014-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.005

0 引言

家用凈水器中凈化水質(zhì)的濾芯具備一定使用周期，長(zhǎng)期使用的濾芯會(huì)產(chǎn)生雜質(zhì)或污垢而造成二次污染，在一定程度上會(huì)危害人體健康，故必須及時(shí)對(duì)濾芯進(jìn)行維護(hù)或更換。對(duì)此，凈水器廠商大都會(huì)依據(jù)固定的經(jīng)驗(yàn)給用戶提供更換濾芯的參考時(shí)間，而非直接使用除垢與消毒。實(shí)際上，濾芯的使用壽命與水質(zhì)情況、使用時(shí)間、用水量及產(chǎn)品維護(hù)等均密切相關(guān)，更換的時(shí)間不能一概而論。因此，當(dāng)前國(guó)內(nèi)急需一種能夠提供可靠水質(zhì)數(shù)據(jù)采集、檢測(cè)的水質(zhì)檢測(cè)產(chǎn)品，能為用戶提供更好的用水安全保障，同時(shí)便于輔助政府布局相關(guān)措施。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的一種家用在線智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀以Arduino開(kāi)源硬件開(kāi)發(fā)板為基礎(chǔ)，可選擇手動(dòng)或定時(shí)的方式通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)獲取水的濁度、TDS、硬度、電導(dǎo)率、PH值[1]等重要參數(shù)，同時(shí)采用水流沖刷供電以確保設(shè)備的續(xù)航，以此實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)智能檢測(cè);通過(guò)無(wú)線傳輸將實(shí)時(shí)采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器保存，再將其整理分類上傳至相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，以便用戶能在手機(jī)或PC端訪問(wèn)應(yīng)用程序在線查看實(shí)時(shí)和歷史水質(zhì)情況。以此工作原理設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 水流發(fā)電電源

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的家用在線智能監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)整體以鋰電池供電為主，同時(shí)選用水流發(fā)電方式為鋰電池充電。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)備有充電和放電兩組鋰電池，一組放電，另一組充電，另外設(shè)計(jì)了滿電提示與自動(dòng)斷電的充電電路。以大多數(shù)家庭水用管道的口徑和水流速度為參考，對(duì)于水流發(fā)電電路，通常采用微型管道式直流水力發(fā)電機(jī)，而發(fā)電機(jī)輸出的電壓值主要取決于水壓大小，范圍較寬泛，不帶穩(wěn)壓電路直流輸出峰值電壓可高達(dá)80V;對(duì)于鋰電池充電電路，以不損壞電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和確保良好的電池平衡充電為設(shè)計(jì)原則，則需設(shè)計(jì)具備恒定電壓值和涓流的充電電路，或者給鋰電池附加電源管理芯片，確保充電過(guò)程不損傷鋰電池，達(dá)到充電電路能夠?qū)︿囯姵仄鸨Ｗo(hù)作用以延長(zhǎng)使用壽命[2]的目的。通常，為能有效地保護(hù)鋰電池，需要在水流發(fā)電機(jī)輸出端設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)壓電路，將其電壓穩(wěn)定到12V再傳遞到后級(jí)電路。該穩(wěn)壓電路的輸入直流電壓高于所需充電電池電壓3V即可，其包含有滿電提示、調(diào)壓和調(diào)流電路。Q3、R4、LED構(gòu)成充電指示電路，隨著被充電鋰電池電壓逐漸上升，充電電流越來(lái)越小，當(dāng)電池充滿后大功率電阻R1上的電壓逐漸下降，從而使三極管Q3截止，LED將熄滅以提示用戶更換電池。該電路可以空載，兩端開(kāi)路即可。以TL431為中心組成精密調(diào)壓的電路，選用BD138、滑動(dòng)變阻器R5和R7構(gòu)成調(diào)流恒流電路。為進(jìn)一步完善電源電路功能，可在電路后增加設(shè)計(jì)一個(gè)電池充電控制模塊，達(dá)到滿電自動(dòng)斷電或者欠壓保護(hù)等目的。

1.2 在線水質(zhì)采樣

選用蠕動(dòng)泵作為水樣傳輸裝置完成在線水體采樣。蠕動(dòng)泵的工作原理是在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下，壓輥?zhàn)酉嗬^碾過(guò)彈性軟管，形成交替的擠壓和釋放動(dòng)作，擠壓作用在軟管中產(chǎn)生真空，由壓差將液體吸入軟管，完成水樣泵送樣過(guò)程。

1.3 主控檢測(cè)電路

考慮系統(tǒng)的通用性和功能的易拓展性，該監(jiān)測(cè)儀的硬件部分由優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)的Arduino UNO主板、檢測(cè)模板電路及顯示電路3個(gè)部分構(gòu)成。系統(tǒng)使用ATMEGA328P微控制器采集濁度檢測(cè)電路、TDS各模塊檢測(cè)電路測(cè)量用戶所需的水質(zhì)指標(biāo)，再通過(guò)OLED數(shù)字液晶屏顯示，最后將數(shù)據(jù)打包上傳至云端服務(wù)器。

主控檢測(cè)電路分為濁度檢測(cè)模塊、TDS檢測(cè)模塊、PH值檢測(cè)模塊電路。其中，濁度檢測(cè)模塊包含中心波長(zhǎng)為680nm的LED光源、Nexperia半導(dǎo)體公司的PSSI2021SAY單芯片恒流源、TAOS公司的集成式光電芯片TSL2581。以現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《水質(zhì)-濁度的測(cè)定》（GB 13200-91）規(guī)定的濁度測(cè)定方法為參考[3]，采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法完成濁度測(cè)定;TDS檢測(cè)模塊通過(guò)檢測(cè)水的TDS值并輸出模擬信號(hào)給Arduino處理器處理，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后得出對(duì)應(yīng)值;再通過(guò)TDS值與硬度的換算關(guān)系式可估算出水的硬度，兩者間轉(zhuǎn)換計(jì)算公式反映了各個(gè)不同的TDS值與水硬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系;PH值檢測(cè)模塊包含檢測(cè)PH值和溫度的功能，分別采用電極法、熱敏電阻法檢測(cè)出的PH值和溫度值，通過(guò)串口通訊的方式傳送給Arduino處理器，經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)換后即可得出相應(yīng)數(shù)值。

顯示電路用于顯示測(cè)量出的水質(zhì)相關(guān)參數(shù)值，采用128×32分辨率，SSD1306作為內(nèi)部驅(qū)動(dòng)控制器，0.91寸大小的OLED點(diǎn)陣圖形顯示屏完全滿足系統(tǒng)顯示測(cè)量值的要求。

1.4 水質(zhì)數(shù)據(jù)分析

在各檢測(cè)模塊電路測(cè)量水質(zhì)參數(shù)時(shí)，最為關(guān)鍵的一步即是TDS特征值的分析，其與水的硬度和電導(dǎo)率都存在直接的關(guān)聯(lián)。若水質(zhì)TDS特征值測(cè)量誤差過(guò)大，將會(huì)導(dǎo)致無(wú)法確定水質(zhì)的硬度和電導(dǎo)率兩項(xiàng)指標(biāo)。TDS指的是水中總?cè)芙庑晕镔|(zhì)的濃度，主要是反映水中鈣離子、鎂離子、鈉離子、鉀離子等濃度，這些離子也與水的硬度、電導(dǎo)率有著對(duì)應(yīng)的關(guān)系，然而它們之間的關(guān)系并非呈現(xiàn)有線性關(guān)系，必須滿足在一定的限度內(nèi)的條件才可采用線性公式表示。因此，對(duì)控制芯片處理此浮動(dòng)值的算法提出了極大要求，既要保證測(cè)量準(zhǔn)確又要將浮動(dòng)區(qū)間的漂移量回拉。TDS值越小，水中的上述離子的濃度也就越低，導(dǎo)電能力越差，電導(dǎo)率就越小。而TDS值一般用于衡量純凈水的指標(biāo)，若無(wú)法保證水質(zhì)未受污染的情況，則難以測(cè)量到該指標(biāo)。TDS值越小，并非表示水質(zhì)越好;TDS值越大，同理并非表示其水質(zhì)越差，這需視被測(cè)水的微生物指標(biāo)（細(xì)菌數(shù)）必須符合要求為前提條件。

2 在線監(jiān)測(cè)APP應(yīng)用

水質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸和上位機(jī)人機(jī)交互部分由Android移動(dòng)端、基于MQTT協(xié)議云服務(wù)器、無(wú)線傳輸模塊（ESP8266模塊、藍(lán)牙模塊）組成。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將采樣讀取到的各類水質(zhì)數(shù)據(jù)打包發(fā)送到云端服務(wù)器存儲(chǔ)后，使用手持設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控及查看。主控Arduino通過(guò)相應(yīng)的檢測(cè)電路將讀取到的水質(zhì)參數(shù)發(fā)送給云端服務(wù)器處理，客戶端（手機(jī)）只需將“水質(zhì)檢測(cè)儀”APP聯(lián)網(wǎng)后即可獲取云端服務(wù)器上存儲(chǔ)的各類參數(shù)值，從而完成主控到服務(wù)器與服務(wù)器到客戶端三者間的通信?？紤]在離線的情況下也能夠查看家中水質(zhì)參數(shù)信息，設(shè)計(jì)了通過(guò)藍(lán)牙和主控連接獲取水質(zhì)參數(shù)信息的Android移動(dòng)端APP應(yīng)用程序，為用戶在線提供查看實(shí)時(shí)及歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)信息的方案，實(shí)現(xiàn)通過(guò)線上線下的方式收集檢測(cè)到的數(shù)據(jù)。該應(yīng)用程序根據(jù)數(shù)據(jù)繪制不同水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)曲線，直觀的反映出橫向和縱向的水質(zhì)變化，如圖2所示。隨著產(chǎn)品的使用范圍擴(kuò)大，可在后臺(tái)建立互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)共享與數(shù)據(jù)再處理分析，獲取監(jiān)測(cè)小區(qū)、或社區(qū)甚至某個(gè)城市區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)情況，為如自來(lái)水廠、水文監(jiān)測(cè)站等相關(guān)部門(mén)和公司提供可靠有效水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

同市面設(shè)計(jì)的大部分水質(zhì)監(jiān)測(cè)器不同，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的基于Arduino的家用智能在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀既能穩(wěn)定準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)水質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)，還能夠?qū)⒍鄠€(gè)參數(shù)同步上傳至云服務(wù)器，匯總作為歷史參考數(shù)據(jù)，后續(xù)還可利用互聯(lián)網(wǎng)的人工智能進(jìn)行進(jìn)一步的大數(shù)據(jù)處理與分析管理。此外，該系統(tǒng)具有良好的拓展性，如需特定場(chǎng)合的使用，更換對(duì)應(yīng)的檢測(cè)電路模塊[4]即可拓展應(yīng)用到氣候監(jiān)測(cè)、企業(yè)生產(chǎn)線、物聯(lián)網(wǎng)家具、水溫地理監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中。

【參考文獻(xiàn)】

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