宋汶凱

（山東理工大學 山東 淄博 255000）

0 引言

水是構(gòu)成細胞液、組織液、血漿的重要物質(zhì)，占人體體重的60%左右，但自然界中淡水資源僅占2.7%，而可供人類有效利用的淡水資源僅約0.007%。所以如何充分、安全地保護和利用淡水資源顯得尤為迫切。目前國內(nèi)、國外的研究者開發(fā)了多種監(jiān)測系統(tǒng)，但要么成本昂貴、難以普及，要么功能單一、效率低下。因此，本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)與多種監(jiān)測技術(shù)開發(fā)設(shè)計了一套智能物聯(lián)綜合水源監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時全方位地掌握飲用水源的狀態(tài)和水質(zhì)安全等情況。該系統(tǒng)可以完成：（1）水深監(jiān)測：通過超聲波監(jiān)測技術(shù)實時測量水位的變化，定時向用戶提供水位信息，并根據(jù)用戶的設(shè)定，及時調(diào)整水位，保證水位在安全范圍之內(nèi)；（2）流速監(jiān)測：采用先進的霍爾流速傳感器，它保證了測量的精確度，對水域的流速監(jiān)測提供了可靠的保證；（3）水質(zhì)檢測：通過多種傳感器對pH 值、渾濁度、TDS、電導率等影響飲用水源安全的主要因素進行在線監(jiān)控。該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)工程、數(shù)據(jù)通信，真正做到了智能、方便、經(jīng)濟、安全、可靠，為現(xiàn)代飲用水域治理提供可靠手段。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)總體方案采用上位機、下位機結(jié)構(gòu)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供了可靠安全的信息傳輸和智能控制保障。飲用水源監(jiān)測系統(tǒng)是以STM32 單片機為核心，結(jié)合不同功能的傳感器組成的信息采集系統(tǒng)而構(gòu)成，有以下三大功能模塊。飲用水源監(jiān)測系統(tǒng)總體框圖見圖1。

（1）基于單片機的水深測量模塊，主要有3 部分組成，分別為：單片機最小系統(tǒng)、超聲波傳感器、溫度傳感器。該模塊主要通過超聲波傳感器發(fā)出超聲波，在水中傳播，當?shù)诌_池底時，聲波被反射傳回，記錄超聲波從發(fā)出到接收的時間，配合溫度傳感器對溫度的監(jiān)控，通過溫度補償，兩方面結(jié)合，傳送給系統(tǒng)加以計算。

（2）基于單片機的液體流速檢測模塊，主要有3 個部分組成，分別是：單片機的最小系統(tǒng)、霍爾流速傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及液晶實時顯示系統(tǒng)。該模塊主要工作流程為通過利用霍爾流速傳感器不同磁極旋轉(zhuǎn)切割磁感線，來對液體的實時流速進行計算并采集，由數(shù)據(jù)傳輸線傳輸?shù)絾纹瑱C進行信號的處理，單片機把處理好的信號傳給顯示模塊。

（3）基于單片機的水質(zhì)監(jiān)測模塊，分為4 個子模塊，包括：pH 監(jiān)測模塊、渾濁度檢測模塊、TDS 監(jiān)測模塊、電導率監(jiān)測模塊。分別針對水樣的酸堿度、渾濁度、總?cè)芙夤腆w以及電導率給出測定。4 個模塊利用已有傳感器，將檢測的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸線傳送到上機位，進而對數(shù)據(jù)進行處理，通過藍牙傳送等方式，將信息傳送到用戶端。

2 飲用水源監(jiān)測系統(tǒng)模塊設(shè)計

2.1 水深監(jiān)測模塊

本模塊以單片機為控制核心，由傳感器、換能器作為組成部分，以串口收發(fā)作為傳輸接口，通過串口進行數(shù)據(jù)通信，我們采用超聲波傳感器來實現(xiàn)對水深的監(jiān)測。超聲波由于頻率高，因此從傳感器發(fā)出之后幾乎全部以成束狀直線向前傳播，具有很好的指向性。超聲波可以穿過一種介質(zhì)或通過兩種介質(zhì)的界面而進入其他介質(zhì)內(nèi)，這種現(xiàn)象稱為超聲波的透射。除了介質(zhì)以外，決定超聲波的透射能力的主要因素是超聲波的頻率和波長，超聲波在傳播過程中，當遇到兩種不同聲阻抗物體所構(gòu)成的聲學界面時，一部分超聲波會返回到前一種介質(zhì)中，稱作反射。本文正是利用超聲波的這一點性質(zhì)來計算距離，這種技術(shù)實施簡便，測量準確，可以做到對水位的動態(tài)監(jiān)測。

單片機開始工作后，先向超聲波傳感器發(fā)送信號，傳感器內(nèi)部的壓電陶瓷做機械震蕩[1]，產(chǎn)生超聲波信號，通過超聲波傳感器發(fā)出超聲波后，并開始計時裝置，超聲波以速度v 在水樣中傳播，在到達容器底部時，超聲波會被反射，然后返回，由換能器接收，經(jīng)過聲電轉(zhuǎn)化為微弱的電信號，經(jīng)過放大電路的放大，檢波，再放大，得到一個回波脈沖，接收到信號后計時器停止計時，利用已有公式：

其中：S-距離；v-速度；t-時間。

利用該式便可以求得超聲波傳感器與容器底部的距離。通常在沒有太大溫差的情況下，超聲波在水中的傳輸速度大約為1 500 m/s，特別要強調(diào)的是，如果用戶對于精度要求較高，則可利用計算溫度-聲速函數(shù)以求得精確的超聲波傳輸速度或采取溫度的補償與校正，通過附加溫度傳感器將數(shù)據(jù)送入處理器，進行標準化處理。根據(jù)計時器記錄的時間t，代入上述公式，就可以得到較為精準的水深情況。在后面其他部分的監(jiān)測中，我們也多次使用了溫度補償?shù)姆椒▽y量結(jié)果加以矯正，這是一種可靠、可行的手段。

單片機系統(tǒng)運行后，發(fā)送40 kHz 的方波，經(jīng)電路放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波換能器將接收到的返回信號經(jīng)放大器放大，當信號返回，則通過IO 口ECHO 輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，用鎖相環(huán)電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為t，再由軟件進行判別、計算，得出水位數(shù)據(jù)并傳送至LCD 顯示。如果水位超過預設(shè)水位，則系統(tǒng)啟動水泵，開始控制水位，以此來實現(xiàn)對某水域的長時間在線監(jiān)測。

2.2 水流量監(jiān)測模塊

本模塊以單片機為控制核心，以霍爾流速傳感器以及液晶實時顯示系統(tǒng)作為組成部分?；魻柫魉賯鞲衅鳟斔畼恿鹘?jīng)渦輪開關(guān)并推動帶磁性的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的時候，產(chǎn)生了不同磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子切割磁感線運動，脈沖電平高低變化。因為霍爾元件輸出脈沖電平的頻率是和磁性轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正相關(guān)，而且水樣推動磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，磁性轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速又是和水樣的流動速度成正相關(guān)，通過這幾項因素的關(guān)聯(lián)，便可以準確計算出水的流速，這種方法具有精度高、響應快、線性效果好、更加穩(wěn)定的優(yōu)點。

水流量的測量原理主要依靠霍爾流速傳感器給出測量得到的頻率，系統(tǒng)對得到的頻率進行處理，由傳感器在一段時間內(nèi)產(chǎn)生高電平的個數(shù)決定，即QF/R。根據(jù)需要，在單片機中寫入設(shè)定的時間，利用單片機內(nèi)部的定時器，計算出該時間之下得到的高電平即可，由于磁性轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速又是和水樣的流動速度成正相關(guān)，這樣就可以根據(jù)已有公式推算出液體的流速，其中已有公式有：

公式（2）中：F-脈沖信號頻率，Q-水流速，ω-角速度，V-線速度，F(xiàn)-頻率(Hz)，Q-水流量（L/min)。

把負載電阻接入霍爾流速傳感器的正極，同時為了使電流的方向和磁場的方向相互正交，加上5 V 的直流電壓。當水樣流過轉(zhuǎn)子組件的時候帶動磁性轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，并且轉(zhuǎn)速是隨著水流速成線性變化的。霍爾流速傳感器就實時輸出相應的脈沖信號發(fā)送給單片機，由單片機判斷液體流速的大小。

2.3 水質(zhì)監(jiān)測模塊

水質(zhì)檢測模塊分為3 個子模塊，分別對應不同的功能。pH 監(jiān)測模塊組成部分有單片機和pH 值傳感器，實現(xiàn)對水樣pH 值的在線監(jiān)測；渾濁度監(jiān)測模塊組成部分有單片機和渾濁度傳感器，實現(xiàn)對水樣渾濁度、懸浮顆粒的在線監(jiān)測；TDS、電導率監(jiān)測模塊組成部分有單片機、TDS 監(jiān)測系統(tǒng)和電導率傳感器，實現(xiàn)對水樣TDS 和電導率的實時監(jiān)測。水質(zhì)監(jiān)測模塊系統(tǒng)框圖見圖2。

2.3.1 pH 監(jiān)測模塊

本模塊以單片機為核心，以pH 值傳感器[2]為組成部分，以玻璃電極為指示電極、以飽和甘汞電極為參比電極，把這兩種電極封裝組成復合玻璃電極，與溶液一起構(gòu)成原電池系統(tǒng)。pH 就是指溶液中氫離子的濃度，即酸堿度，pH 的定義為：-log(h+)。采用這種方法測量，更加方便高效，測量結(jié)果更加準確，有利于實現(xiàn)對水質(zhì)的實時監(jiān)測。

實際生產(chǎn)中，電位分析法可以實現(xiàn)在線監(jiān)測和過程監(jiān)控，所以我們利用電位分析法進行測量，通過能斯特方程得到水樣的pH。能斯特方程表達式為：

公式（3）中：E0- 標準電極電勢；R- 氣體常數(shù)8.314 3 J/(k·mol)；T-絕對溫度k；F-法拉第常數(shù)；n-電極反應中得失的電子數(shù)。

該檢測需要提取被檢測區(qū)域邊緣、內(nèi)部的多組水樣，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。Nernst 方程與絕對溫度有嚴格的關(guān)系，我們可以再次利用之前設(shè)計的溫度傳感器對電極附近的水樣溫度進行收集，采取溫度補償?shù)拇胧3]，將數(shù)據(jù)交給單片機處理。

組塊采集水樣的電動勢信號，經(jīng)過處理和增益放大后，傳輸給A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。在這個過程中我們還需要溫度信息，pH 值采集與溫度采集信息互聯(lián)，MSU 對采集到的酸堿度信息進行濾波和溫度的補償，對水樣的pH 值進行精準計算，計算結(jié)果傳送到計算機。

2.3.2 渾濁度監(jiān)測模塊

該模塊以單片機最小系統(tǒng)為核心，以渾濁度傳感器為組成部分。渾濁度是表示水質(zhì)的重要參數(shù)，它是指水樣中不同大小、比重、形狀的懸浮膠體顆粒、污泥、浮游生物以及其他微生物等阻礙光線透過的程度。因此這就為我們的設(shè)計提供了思路。

根據(jù)渾濁度的定義和水樣的性質(zhì)，我們使用對液體懸浮顆粒有敏感反射作用的紅外光作為檢測手段，通過朗伯-比爾定律加以計算。根據(jù)朗伯-比爾定律，得到水樣的渾濁度公式：

公式（4）中：H-渾濁度；B-介質(zhì)散射系數(shù)；L-光束透過液體的直線距離（mm）；E0-發(fā)光強度（Lx)；E-接收到的光強。

在水池的邊緣、內(nèi)部隨機提取多組水樣樣本，在水樣中設(shè)置適當波長的紅外線燈管作為發(fā)光光源。紅外線燈管置于水樣內(nèi)部，由光源發(fā)出的紅外光穿過被測液體通道，組塊接收端的光電三極管接收發(fā)出的光束[4]。

接收端選取與發(fā)射紅外光波相近的硅光電三極管，光電三極管因受激勵而產(chǎn)生光電流，光電流近似線性變化[5]，LG 構(gòu)成射極跟隨器來提高輸出阻抗，經(jīng)過帶通濾波器處理后輸出，射極跟隨器輸出隨渾濁度變化的電平，送到CPU，得到與渾濁度對應的檢測信號，信號經(jīng)處理器分析計算后得到對應的水樣渾濁度。因此，渾濁度轉(zhuǎn)換成了通過光電三極管的輸出電流或輸出電壓的函數(shù)。光電三極管射極的輸出電壓經(jīng)過濾波器濾波，處理后送到用戶端[6]。

2.3.3 TDS 監(jiān)測、電導率監(jiān)測模塊

本模塊以單片機為控制核心，以TDS 監(jiān)測系統(tǒng)、電導率傳感器為組成部分，通過電導率測量系統(tǒng)中的探頭采集電導率信號，提取水池邊緣、內(nèi)部的多組水樣，以保證數(shù)據(jù)的準確性、可靠性?？?cè)芙夤腆w，它表明1L 水樣中溶解有多少毫克溶解性固體，本模塊的TDS 監(jiān)測采用更加智能的電極法。

因為TDS 與溶液的阻抗有關(guān)，阻抗又與電導率緊密相關(guān)，因此電導率和TDS 存在緊密的關(guān)系。根據(jù)基礎(chǔ)化學，我們可以知道，水溶液的電導率和溶解性固體總濃度成正比，而且離子濃度越高電導率越大，根據(jù)摩爾電導率公式我們就可以加以計算，公式：

公式（5）中：k-電導率；Vm-樣本體積；c-溶液濃度。

由于溫度對TDS 測量結(jié)果的準確性有很大影響，當溫度不為標準溫度25 ℃時，我們就需要用溫度傳感器采集水樣溫度，將采集到的電導率信息與溫度信傳至送單片機，通過算法補償溫度差別帶來的誤差。

該系統(tǒng)通過測量水樣的電導率產(chǎn)生諧振，把傳感器上的排針插入待測水樣，通過這個方法構(gòu)成一個電極，這樣就可以使整個模塊構(gòu)成一個封閉的諧振回路[7]，諧振后引腳就會向單片機最小系統(tǒng)傳輸一個基于待測水樣的電導率的頻率f。由于開關(guān)晶體管具有很好的帶負載能力，所以把輸出端引腳接開關(guān)晶體管，這樣就保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而使輸出頻率近似呈線性變化，保證數(shù)據(jù)的可靠性。

3 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于STM32 單片機系統(tǒng)的智能化綜合飲用水源監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32 單片機為核心。在設(shè)計過程中，充分考慮多種影響因素，尤其以溫度控制最為明顯，多次采用了溫度傳感器采樣進行溫度補償?shù)霓k法對數(shù)據(jù)進行計算與處理。該系統(tǒng)通過水深監(jiān)測模塊、水流量監(jiān)測模塊、水質(zhì)監(jiān)測模塊對飲用水源保護區(qū)的水深、流速、酸堿度、渾濁度、TDS、導電性進行了全方位的綜合監(jiān)控與治理。我們的飲用水源監(jiān)測系統(tǒng)與現(xiàn)有手段相比較，更加的經(jīng)濟、方便，實用性和普及性更高，節(jié)省了大量的人力、物力、財力，這一綜合性系統(tǒng)打破了以往單一系統(tǒng)測量局限的問題，并能對飲用水源保護區(qū)進行全方位的監(jiān)測，提高了經(jīng)濟效益，具有很強的實用性。