一種可擴(kuò)展的雙電源水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

錢 穎，杜 亮，閆 翔

（無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214028）

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，水污染問題日益嚴(yán)重，已引起了大眾的關(guān)注[1-2]。用水安全問題尤為重要，這就需要開展水質(zhì)檢測(cè)工作。傳統(tǒng)的人工取樣檢測(cè)方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)污染[3]。為了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)水體質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用無(wú)線傳輸方式，解放了人力，實(shí)現(xiàn)了手持式監(jiān)測(cè)，符合當(dāng)前的市場(chǎng)趨勢(shì)。該水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以運(yùn)用在很多領(lǐng)域，例如可以安裝在家中，讓用戶實(shí)時(shí)了解家中的水質(zhì)情況，保證飲水安全。系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電，能滿足用戶在室外使用的需求，例如可以用于景觀池水質(zhì)監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)灌溉用水監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)路線

本文設(shè)計(jì)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有5個(gè)方面的功能：一是系統(tǒng)能對(duì)溫度、pH值、濁度等水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)在顯示屏上動(dòng)態(tài)顯示；二是系統(tǒng)搭載藍(lán)牙通信模塊，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸；三是開發(fā)了一款手機(jī)App，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過無(wú)線模塊進(jìn)行傳輸后，用戶可以通過手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前的水質(zhì)情況；四是系統(tǒng)能滿足在室內(nèi)使用和室外使用的不同需求；五是系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性，能根據(jù)用戶需求接入其他監(jiān)測(cè)傳感器。系統(tǒng)框架見圖1。

圖1 系統(tǒng)框架

對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)采用的技術(shù)路線如下。

1）主控電路采用STM32F103C8T6作為控制芯片，外圍電路包括電源模塊、溫度檢測(cè)模塊、pH值檢測(cè)模塊、濁度檢測(cè)模塊、藍(lán)牙通信模塊、OLED顯示模塊等；程序開發(fā)基于Keil MDK開發(fā)環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、無(wú)線通信等功能。

2）手機(jī)端App監(jiān)測(cè)軟件采用基于易語(yǔ)言的E4A編程軟件開發(fā)。E4A是面向?qū)ο蟮目梢暬僮髌脚_(tái)，支持界面可視化編輯操作和編程的可視化。用戶端手機(jī)App操作界面友好，易安裝、易使用。

3）供電接口采用USB連接方式。USB接口使用靈活、兼容性強(qiáng)，便于系統(tǒng)在室內(nèi)和室外工作時(shí)供電方式的切換，能滿足不同場(chǎng)合的供電需求。

4）該系統(tǒng)的核心部分完成后可根據(jù)客戶的需求進(jìn)行定制，預(yù)留了擴(kuò)展口，可以根據(jù)客戶需求接入更多傳感器。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及器件選型

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)采用了模塊化設(shè)計(jì)思路，模塊化的設(shè)計(jì)在系統(tǒng)功能的更新?lián)Q代方面有很大的優(yōu)勢(shì)。如果某一模塊功能落后或者損壞，只要摘除相應(yīng)的模塊，整個(gè)系統(tǒng)又可以重新使用，也可以更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能升級(jí)和擴(kuò)展[4]。本系統(tǒng)的硬件電路部分由主控模塊、電源模塊、溫度檢測(cè)模塊、pH值檢測(cè)模塊、濁度檢測(cè)模塊、藍(lán)牙通信模塊和OLED顯示模塊組成。

本系統(tǒng)的軟件程序采用C語(yǔ)言編寫，為便于程序的修改、維護(hù)和擴(kuò)展，運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)思想把程序分割成不同的功能模塊。根據(jù)硬件設(shè)計(jì)，程序由主程序、顯示模塊子程序、溫度檢測(cè)模塊子程序、pH值檢測(cè)模塊子程序、濁度檢測(cè)模塊子程序、藍(lán)牙模塊子程序和存儲(chǔ)模塊子程序構(gòu)成。主程序在運(yùn)行后先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后調(diào)用相關(guān)子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)采集、檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示、無(wú)線通信及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

2.2 各模塊設(shè)計(jì)及器件選型

2.2.1 主控模塊和電源模塊

主控器件采用STM32F103C8T6芯片，它控制并維持整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在整個(gè)系統(tǒng)中處于核心位置。主控模塊的電路連接見圖2。在圖2中，STM32F103C8T6的通信串口PA2和PA3與藍(lán)牙模塊相連接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)終端App和主控模塊之間的通信；PA11、PA1、PB3端口分別與溫度傳感器模塊、pH值檢測(cè)模塊、濁度檢測(cè)模塊相連接，實(shí)現(xiàn)與檢測(cè)模塊的通信；PA5、PA6端口與顯示模塊相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示屏的控制。

圖2 主控模塊電路連接圖

電路中STM32F103C8T6芯片需要的工作電壓為2～3.6 V，其他模塊均采用5 V電壓供電，所以USB輸出的5 V電壓要分為兩路，一路給需要5 V電壓的模塊供電，一路經(jīng)過降壓處理給STM32F103C8T6芯片供電。采用的電源降壓處理芯片為AMS1117-3.3V，經(jīng)過降壓處理，能使得輸出電壓為3.3 V，為主控芯片供電。電源模塊電路見第32頁(yè)圖3。

圖3 電源模塊電路連接圖

2.2.2 通信模塊和顯示模塊

本系統(tǒng)選用藍(lán)牙通信來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸功能，模塊為HC06。藍(lán)牙通信模塊將水質(zhì)監(jiān)測(cè)硬件電路和終端設(shè)備（有藍(lán)牙功能的手機(jī)或平板電腦）相連。藍(lán)牙通信模塊的TXD、RXD與STM32主控模塊的PA2、PA3相連接。用戶可以通過藍(lán)牙模塊上LED燈的狀態(tài)得知模塊是否已經(jīng)連接到終端設(shè)備上。

顯示模塊顯示傳感器檢測(cè)模塊監(jiān)測(cè)到的水質(zhì)數(shù)據(jù)，選用OLED顯示屏。該模塊使用的工作電壓為5 V，使用總線通信協(xié)議，模塊的SCL端和SDA端分別與STM32控制模塊的PA6和PA5相連，顯示屏顯示當(dāng)前水質(zhì)參數(shù)信息。

2.2.3 傳感器檢測(cè)模塊

傳感器檢測(cè)模塊由溫度檢測(cè)、pH值檢測(cè)和濁度檢測(cè)組成。測(cè)溫探頭采用DS18B20溫度傳感器芯片，溫度范圍為-55～+125℃，適合水體測(cè)量使用[5]。芯片每個(gè)引腳均采用熱縮管隔開，防止短路，內(nèi)部封膠。芯片的I/O口和STM32單片機(jī)的PA11引腳連接就可以實(shí)現(xiàn)雙向通信，需上拉一個(gè)10 kΩ電阻保證信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。pH值傳感器采用雷磁E-201-C型，pH值的測(cè)量范圍為0～14。測(cè)試前需取下電極的保護(hù)套，觀察敏感球泡內(nèi)是否全部充滿液體，如果發(fā)現(xiàn)有球泡，則應(yīng)該將電極輕輕甩動(dòng)以達(dá)到清除氣泡的目的，從而提高測(cè)量精度。pH值檢測(cè)模塊和STM32模塊的PA1引腳相連，實(shí)現(xiàn)通信。濁度傳感器選用TSW-20MK型。需要注意的是，本模塊不能整體放入水中，只能放入透明的部分。濁度檢測(cè)模塊與STM32的PB3引腳相連，實(shí)現(xiàn)通信。

系統(tǒng)工作時(shí)，STM32單片機(jī)將采集到的溫度檢測(cè)模塊輸出的串行9～12位數(shù)字量經(jīng)過換算得到溫度值，將采集到的pH值檢測(cè)模塊輸出的電壓值經(jīng)過換算得到pH值，將采集到的濁度檢測(cè)模塊輸出的電壓值經(jīng)過換算得到渾濁度值。系統(tǒng)把這些檢測(cè)結(jié)果定時(shí)通過藍(lán)牙通信模塊發(fā)送給終端設(shè)備，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、pH值、渾濁度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.3 移動(dòng)App設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)同步開發(fā)了一款移動(dòng)App。易語(yǔ)言是面向?qū)ο蟮目梢暬形木幊唐脚_(tái)，由于易學(xué)易用，被廣泛應(yīng)用于開發(fā)各類中小型應(yīng)用軟件，因此本設(shè)計(jì)采用易語(yǔ)言開發(fā)App。在手機(jī)端使用基于易語(yǔ)言的E4A安卓編程軟件開發(fā)了移動(dòng)監(jiān)測(cè)App，可以通過手持式移動(dòng)終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)情況。

3 系統(tǒng)測(cè)試使用及擴(kuò)展設(shè)計(jì)

基于本設(shè)計(jì)焊接制作完成的主控電路及整套可擴(kuò)展的雙電源水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)見圖4。

圖4 主控電路及整套系統(tǒng)

使用時(shí)需要在手機(jī)上先下載水質(zhì)監(jiān)測(cè)App并進(jìn)行藍(lán)牙配對(duì)連接。藍(lán)牙連接成功后可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，App界面上顯示當(dāng)前時(shí)間和連接狀態(tài)。將溫度傳感器、pH值傳感器、濁度傳感器放入被測(cè)水體后，檢測(cè)結(jié)果在OLED屏幕上顯示，同時(shí)通過藍(lán)牙傳輸，App上同步顯示當(dāng)前溫度、pH值、濁度等參數(shù)信息，見圖5。

圖5 功能測(cè)試結(jié)果

在測(cè)量過程中，App端數(shù)據(jù)會(huì)動(dòng)態(tài)刷新。若在室內(nèi)對(duì)水體進(jìn)行檢測(cè)，通過USB供電接口連接穩(wěn)壓電源。若在戶外使用該系統(tǒng)，切換太陽(yáng)能電池供電，并使用太陽(yáng)能充電控制器實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能獨(dú)立供電。在室內(nèi)和室外的多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試顯示，該雙電源水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠、傳輸穩(wěn)定、測(cè)量準(zhǔn)確。

本設(shè)計(jì)中采用的溫度檢測(cè)、pH值檢測(cè)、濁度檢測(cè)適用于大多數(shù)場(chǎng)合。對(duì)于一些用戶特定的需求，通過預(yù)留的可配置I/O口可以靈活地?cái)U(kuò)展所需要的檢測(cè)模塊。例如，可以擴(kuò)展水流量傳感器，用于飲水機(jī)、售水機(jī)、熱水器、智能水表等的水流量檢測(cè)，擴(kuò)展后可滿足用戶進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)與水流量檢測(cè)的雙重需求；可以擴(kuò)展溶解氧傳感器，當(dāng)水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化時(shí)，水藻會(huì)加快繁殖，懸浮顆粒會(huì)增加，水體透明度會(huì)下降，溶解氧檢測(cè)能反映水體富營(yíng)養(yǎng)化的問題，可結(jié)合溫度、pH值、濁度檢測(cè)滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖水體要求較高的需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

可擴(kuò)展的雙電源水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及電子技術(shù)、通信技術(shù)及新能源領(lǐng)域，是一個(gè)綜合性較強(qiáng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)選用STM32單片機(jī)，采用高精度傳感器實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的水質(zhì)檢測(cè)；搭載藍(lán)牙通信模塊，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸；開發(fā)了一款移動(dòng)App，用戶能通過移動(dòng)終端在線監(jiān)測(cè)水質(zhì)情況；具有雙電源供電功能，能滿足在室內(nèi)使用和室外使用的不同需求；采用了模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)用戶需求進(jìn)行功能擴(kuò)展。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。