基于STM32和无线通信的水质在线监测系统设计.docx
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基于STM32和无线通信的水质在线监测系统设计
测控仪器设计课程设计（论文）
设计（论文）题目：
水质在线监测系统设计
学院名称：
核技术与自动化工程学院
专业名称：
测控技术与仪器
学生姓名：
版权方要求不公开
学生学号：
版权方要求不公开
任课教师：
版权方要求不公开
论文成绩：
2020年11月30日
水质在线监测系统设计
摘要
随着科学技术的发展，人类的生活水平得到了前所未有的提高，与此同时，工业生产的大幅度增长所产生的工业废水流入河海湖泊严重影响了人类的用水安全。
所以在享受科技成果带来的方便之外治理污水就变的尤为重要。
而治理水污染的前提和管理水污染的重要措施就是对水质的各项指标进行实时监测和报告，从而能更加准确的判断污染程度和治理难度。
因此水质在线监测系统的研发具有十分重要的意义。
本文先进行了国内外调研，对前人所采用的技术和所取得的成果以及优缺点进行了分析，在此基础上来实现测量参数多、低经济成本、快速准确、现场稳定性高、精度高的需求，并对水质的PH值、浊度、溶氧率以及导电率进行实时监测。
基于设计要求以及对比分析，提出了水质在线监测系统的总体设计方案。
该多参数水质在线监测系统以STM32F103RCT6为核心元件，首先是采用数字和模拟传感器进行数据采集，通过转换电路将数据转换为单片机可处理的0~3.3V的电压信号，然后发送给STM32F103RCT6进行数据处理，最后用GSM进行数据通信，将采集到的数据发送到监测端。
关键字：
水质在线监测；传感器；STM32F103RCT6；数据处理；无线通信
DesignofWaterQualityOnlineMonitoringSystem
Abstract
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,thelivingstandardofhumanbeingshasbeenimprovedunprecedentedly.Atthesametime,theindustrialwastewaterproducedbytherapidgrowthofindustrialproductionflowsintorivers,seasandlakes,whichseriouslyaffectthesafetyofwateruse.Therefore,inadditiontoenjoyingtheconveniencebroughtbyscientificandtechnologicalachievements,itisparticularlyimportanttotreatsewage.Thepremiseofwaterpollutioncontrolandtheimportantmeasureofwaterpollutionmanagementistomonitorandreportthewaterqualityindicatorsinrealtime,soastojudgethepollutiondegreeandtreatmentdifficultymoreaccurately.Therefore,theresearchanddevelopmentofonlinewaterqualitymonitoringsystemisofgreatsignificance.
Inthispaper,thedomesticandforeignresearchwascarriedout,andtheprevioustechnologyandachievementsaswellasadvantagesanddisadvantageswereanalyzed.Onthisbasis,therequirementsofmultiplemeasurementparameters,loweconomiccost,fastandaccurate,highfieldstabilityandhighprecisionwererealized,andthepHvalue,turbidity,dissolvedoxygenrateandconductivityofwaterweremonitoredinrealtime.
Basedonthedesignrequirementsandcomparativeanalysis,theoveralldesignschemeofonlinewaterqualitymonitoringsystemisproposed.STM32F103RCT6isthecorecomponentofthemultiparameterwaterqualityon-linemonitoringsystem.Firstly,digitalandanalogsensorsareusedfordataacquisition,andthenthedataisconvertedinto0~3.3Vvoltagesignalthatcanbeprocessedbysinglechipmicrocomputerthroughconversioncircuit,andthensenttoSTM32F103RCT6fordataprocessing.Finally,GSMisusedfordatacommunication,andthecollecteddataissenttothemonitoringterminal.
Keywords:
onlinewaterqualitymonitoring;sensor;STM32F103RCT6;dataprocessing;wirelesscommunication
第一章调研
1.1调研背景
水是生命之源，也是我们生活中必不可少的一部分。
虽然我国水资源丰富，但人均占有率小。
而且我国一直面临着水资源的短缺与浪费并存、水环境污染严重与水管理机制不完善并存的矛盾。
长久以来，湖泊不仅是人们直接利用的自然资源，更是人类赖以生存的地方。
湖泊对社会、经济的发展起到无法估量的作用，是人类生产生活不可或缺的重要资源。
然而，随着人口大幅度增长造成的生活废水以及工农业的大规模发展造成的工业废水流入河流，加剧了水质污染问题。
但江河湖泊等流动水域的分布面积较广，很多地方不利于人工测量。
传统的水质监测项目主要以人为主，需工作人员到实际水源地采取水质样本，后经实验室监测设备处理分析并得出结论。
虽然实验室的检测设备齐全、分析方法完善，但整个过程周期长、误差大，且不能实时反映和处理水污染事件，很难满足当下解决环境问题的要求。
所以建立一个水质在线检测系统就尤为重要，这样就可以实时了解水的状况，也可以及时治理，省时省力，且能早发现早解决。
1.2国内外的研究现状及分析
1.2.1国内现状及分析
㈠PH
大多数天然水为中性到弱碱性，PH为6.0-9.0，淡水多在6.5-8.5，部分苏打型湖泊水可达9.0-9.5，海水PH一般在8.0-8.4。
PH测量的现今最常用方法是玻璃电极法，在此之前，PH的测量方法曾先后采用催化法、酸碱滴定分析法、比色测定法等。
催化法与酸碱滴定法的测量进度低，操作麻烦，适应性不广，已基本被淘汰了。
比色法虽被广泛使用，但测量精度还是较低，在有色和浑浊液中很难应用，在浓盐溶液和离子较低的溶液中会产生极大地误差，且不能做自动连续和远距离测量。
玻璃电极法事宜玻璃电极为指示电极，饱和甘汞电极位参比电极组成电池，在许多以此为原理的PH计上有温度补偿功能，便校正温度差异，常规水样监测可准确和再现至0.1PH单位，较精密的仪器可达到0.01PH单位，为提高仪器的准确度，选用的标准缓冲液的PH值应与水样的PH值相近。
㈡溶氧
天然湖泊水中的溶解氧量一般为7-14mg/L，
水中溶氧量的测定方法主要有碘量法、电化学探头法和荧光法。
碘量法是最早用于测量水中的氧容量的方法，是基准方法，但是当水中含有一些还原性物质时，会对碘量法滴定数据造成较大的干扰，且碘量法为现场取量固定，再带回实验室进行分析。
电化学探头法较碘量法，在水中含还原性物质时，不受影响，其优点还有便携式设计，维护少、准确度高和重复性好，不仅在实验室内被大量使用，也更多的在现场便携测定和水质自动在线监测站中广泛使用，但是若需要其每次的测量值都很准确的话，少的不了对仪器的正确使用和定期的维护保养[1]。
荧光法技术由于其操作便捷，被广泛应用于水质检测中，尤其是在有机物和无机物分析中有着很广泛的应用[2]，更适用于野外现场测试。
创新的新型荧光技术，没有膜和电解液，几乎不用维护，性能优异，使用方便。
㈢导电率
水的导电率与其所含的无机酸、盐、碱的量有一定的关系。
该指标常用于推测水中离子的总浓度或含盐量。
不同类型的水有不同的电导率。
常用单位是μS/cm（微西门子/厘米）。
一般天然水的电导率为50~1500μS/cm之间[3]。
电导率值随杂质的浓度增加而增大，使用该指标能够更直观的监测水质[4]。
电导率的测量常采用电极电导率测量法与电磁电导率测量法。
电磁电导率测量法由于不使用电极，故不会存在极化现象，不存在电极表面涂镀耐腐蚀材料和堵塞问题，可在强酸强碱高温高压的情况下使用，但其测量机理决定了只能测量高电导率的溶液，不适用于高纯水测量，且测量范围窄，造价较高。
电极电导率测量法较其而言，采用的电极结构简单，造价低廉，测量范围广，尤其适用于测量高纯水。
㈣浊度
湖泊水的浊度一般在：
1500NTU左右
散射浊度单位NTU，即1升水中含有1mg的福尔马肼聚合物悬浮物只时，成为一个散射浊度单位。
浊度测量常见的有光电式浊度仪，主要有散射式、透射式、散射+透射式。
散射式的仪器简单易用具有较高的精度和灵敏度，可满足对常规液体浊度的测量。
透射式原理简单，仪器设计方面液较为简单采用透射式测量可获得较大的浊度测量范围，但当在测量较低浊度水体时，大部分的光会直接透射此时对光电接收元件和放大器的分辨率和稳定性的要求就会极高，在低浊度时极难满足，因此透射式更适用于高浊度的水体[5]。
散射+透射式可检测散射光与透射光，具有较高的灵敏度，但仪器却很复杂且价格昂贵。
1.2.2国外现状及分析
国外对于水质污染在线监测研究较早，技术也较为成熟[6]。
在国外早期的河流水质监测办法是选取河流断面定点定时采集水样，带至实验室分析。
但这样的人工抽查方法不能及时准确的掌握不断变化中的水质数据。
20世纪60年代末，卫星通讯技术出现，并且被普遍应用到一些海洋和公共海域的水质各参数监测中，卫星有定位范围的功能，可以用来定位水质监测所覆盖的范围，最初其主要是用于监测海水中的叶绿素ａ和海洋表面的温度。
在过去的20年中，这种技术也被用在沿海和内陆水域的水质监测中。
此技术已经比较成熟，卫星通讯技术虽然监测范围较广，但是传输时延大，技术复杂，有一定的商业风险且成本较高。
威尼斯WATERS监测系统使用15条带有特殊监控和数据传输设备的浮船，浮船每日都在水域中航行以获取大量的水质监测数据，再通过无线远程的方式将数据传输到信息处理中心，以实现实时监测和水污染警告，该系统基于LUNIX操作系统，然后并采用专用程控交换机进行通讯。
虽然可以进行实时监测并能通过无线技术将数据传输给数据中心，但是15条浮船进行每日航行，费时费力，浪费资源，且投入较高。
在70年代初期美国和日本等发达国家就对江河湖泊等开展了自动监测，测定项目有水温、浊度、电导率等，同时也对工厂所排放的工业废水也进行监测。
随着工厂的大规模发展导致水污染的加剧，所以有关部分加强了对于是污染的执法力度，在70年代末又增加了化学需氧量、总磷、总氮等自动化监测项目，并通过远程传输系统把得到的监测数据自动传至各级环保部门。
目前美国、日本等发达国家已经生产出了比较成熟的水质在线监测设备，但售价一般在4-6万美元之间，价格过于昂贵[7]。
20世纪90年代末期[8]，随着现代传感器技术、计算机技术和电子工业的不断发展，AlkandariA、AlnasheetM、AlabduljaderY等把无线传感器网络技术应用到水质监测当中，它采用无线通讯技术形成一个网络系统，不仅可以对网络范围内的水质进行感知，还具备数据传输和处理的功能。
无线传感网络监测系统中分布在各监测点的传感器节点有制造成本低、体积小、耗能低等优点。
随着对水污染的高度重视，各个国家都在水质监测方面做出了较大努力且取得了一定成效。
较常规参数且技术相对成熟的自动监测水质的仪器仪表有：
水温、PH、流速、溶解氧、水位、水压等[9]。
可监测的水质污染程度的水质参数主要有：
电导率、PH、浊度、硝酸根（NO）、溶解氧（DO）、总有机碳（TOC）、总氯、氨氮、高锰酸盐、六价铬等。
不同水环境的检测参数不尽相同。
总结来说，早期国外也只是通过现场采集带回实验室监测，但随着技术发展国外在水质监测方面发展较快且处于领先地位，可以运用卫星通讯技术、无线传感器技术的、远程通讯自动监测等检测技术，这些技术先进且能检测出的参数比较广泛但是普遍价格昂贵，且难以实现。
1.3调研分析及结论
综合国内外的水质监测技术的发展过程，可以将水质监测工作的发展概括为以下几个阶段：
⑴人工水质分析阶段：
在早期，水质分析人员只能通过到要研究的水域去采集水样带回实验室进行研究，且早期研究水质的仪器也较为落后。
以至于这种研究方法就存在极大的缺陷，不仅采样范围较小、代表性不强，而且无法对水质进行实时的监测。
⑵水质测试仪器分析阶段：
由于人工水质分析缺陷过于明显，人们开始研究出各种仪器来对水质进行分析。
相关的水质分析人员使用水质测试仪直接去河边进行测量，相对于人工水质分析阶段来说，研究的范围就有了很大的改进，但是水质测试仪器不能将采集的数据传输到监测中心，每次需要数据时只能重新去进行分析，也具有很大的局限性，应用性不强。
⑶水质在线分析阶段：
自动化的水质在线监测系统可以及时的、全方位地对水流域的水质的参数进行采集，并实时反馈，而且出现异常时，能够实时报警，有助于相关人员立刻采取措施。
采用自动化的水质在线监测系统，水质分析人员可以通过各类传感器实现对水质PH值、溶氧量、温度、浊度、电导率等的在线监测，避免了采样范围小、代表性不强、不能将采集的数据及时传输到监测中心等缺点；但是部分技术依然存在一些缺点，有待进一步的改进。
水质监测未来的发展趋势大致分为如下几点：
⑴检测指标增多。
目前在运行的水质检测站点基本只检测一些常规参数，水体的颜色色度、臭味程度、浑浊度、肉眼可见物、化学需氧量、余氯、细菌数量、总大肠杆菌群、耐热大肠杆菌群等。
⑵监测领域不断扩大，监测站点逐渐增多。
检测领域涉及饮用水、地表水、地下水以及近岸海域等各个方面；监测站点常设立于水源地、自来水厂、污水处理厂、纯净水厂、小区、学校、环保部门等。
⑶由简单的水质检测向综合性网络化水质在线自动监测发展。
⑷水质自动监测系统的形式趋向多元化，有站房式、整体柜式、车载移动式等等。
国内外在早些时期都只能采集水样带回实验室检测，但是这样的方法耗时耗力，而且不能进行实时监测，效率较低。
随着技术的进步，国内外对于水质监测都有了进一步的发展，国外较快，方法技术较先进。
但根据查阅的资料文献等得知这些水质监测仪仍然存在一定的问题，例如数据无法实现远程传输，缺少电脑端或者手机端的实时监控以及价格昂贵等不足。
总得来说，根据调研结果可知，本次研究要设计出一套具有多参数测量，测量精度好，价格适中，可进行远距离传输并在电脑端实时监控的水质监测系统。
第二章方案设计
2.1设计内容及要求
针对目前水质环保需求，设计水质在线监测系统。
要求选择合适传感器，对水中的PH值、溶氧、导电率、浊度等参数进行在线测量；要求对四种（PH值、溶氧、导电率、浊度）参数测量的误差影响因素进行分析，并体现在设计中；设计合适的信号传输接口对各传感器信号进行采集；设计合适的通信接口将测量信息传输到监测站计算机。
2.2提出方案
根据国内外现状分析以及本次的设计要求，我们认为PH值、浊度、溶氧率、电导率是河海湖泊的常规水质参数。
水质监测系统可进行在线实时监控，定性分析水体的水质情况，由于监测湖泊水域有线通信很不方便，所以通过无线技术进行数据的远距离传输。
监测中心便可以得到相应数据。
所以根据分析结果提出三个方案并择优选择。
此水质在线监测系统主要包含三个模块：
数据处理模块、数据采集模块、数据通讯模块。
首先是对传感器进行查阅资料和选择，充分分析监测的范围、灵敏度、价格等各个因素后择优选择，但在不同方案中所采用的传感器不同，传感器进行数据采集后，通过调理电路传送给单片机进行数据处理，然后得到的信号通过数据通信技术发送给监测端。
具体方案如下：
方案一：
传感器+FPGA+WIFI+监测端
方案二：
传感器+STM32F103RCT6+ZigBee通信+监测端
方案三：
传感器+STM32F103RCT6+GSM+监测端
注：
不同方案所选传感器不同，具体所采用的传感器在方案具体分析时呈现。
2.3方案分析及选择
2.3.1方案一介绍及优缺点分析
㈠方案一介绍
方案一所采用的具体传感器类型分别为：
⑴PH值传感器：
梅特勒PH复合电极LE438型电极⑵浊度传感器：
TS-300B⑶溶解氧传感器：
KDS-25B⑷电导率传感器：
DJS-1T（光亮）。
方案一的流程图如图2-1所示：
本方案PH值传感器、浊度传感器、电导率传感器、溶解氧传感器都是模拟信号输出，我们需要进行ADC模数转换。
首先PH传感器、浊度传感器和KDS-25B原电池式传感器都是毫伏级电压输出，所以当传感器接收到信号后，要经过调理电路对信号进行放大、稳压等。
导电率传感器是电流输出，首先要进行电流转变为电压的电路转换，其次再进行稳压等操作。
当四个传感器检测到信号并把信号进行调理之后输入FPGA的ADC采集端口，然后在FPGA中进行数据处理，最后得到监测的具体参数。
监测到参数之后要通过无线技术，将所检测到的数据进行传输到监测端，本方案首先决定采用WIFI，WIFI的优势主要是传输速度快和传输距离较远且无线电波的覆盖范围广，但弱点主要是在功耗上，其最大传输距离可达几百米，最大传输速度可达几百Mbps，最大功耗为几十毫安。
这样通过WIFI就可以将处理后的数据传输到监测端。
图2-1方案一流程图
㈡优缺点分析
⑴梅特勒PH复合电极LE438型电极系列复合PH电极：
通常用于实验室内测量温度有差异的溶液的PH值。
一般应用于实验室内可以测量一般水溶液介质，用于水族馆、废水、（水基）悬浮液、游泳池、油漆等试样，适合在野外使用，并可用于温度发生波动的样品。
维护需求低但价格稍贵。
⑵TS-300B浊度传感器测量水中的浊度（悬浮物的计数器）：
传感器基于光学原理。
温度符合测量的水质温度，额定电压为5VDC，额定电流为最大30mA。
价格便宜。
⑶DJS-1T（光亮）电导率传感器：
二极片式的电导电极目前是我国使用最多的电导电极类型，实验室二极片式的电导电极的结构是将铂片烧结在平行玻璃片上，或圆形玻璃管的内壁上，调节铂片的面积和距离，就可以制成不同常数值的电导电极。
⑷KDS-25B溶解氧传感器：
是基于膜电极法测量溶氧量的传感器，此方法设备价格低廉，测量简单快捷，但由于氧气参与反应会在电极和膜体之间形成杂质，会降低反应速度造成误差，所以需要定期更换电极和膜体。
⑸FPGA：
规模大，集成度高，处理速度快，执行效率高。
能完成复杂的时序逻辑设计，且编程灵活，方便，简单，可多次重复编程。
许多FPGA可无限重复编程。
利用重新配置可减少硬件的开销。
但掉电后一般会丢失原有逻辑置；时序难规划；不能处理多事件；不适合条件操作。
虽然FPGA比较高速，处理速率高，但对于本次设计来说有点浪费资源，且设计过程较难已实现。
⑹WIFI：
WIFI技术成为物联网领域无线传输的最重要选项。
其无线电波覆盖范围广，速度快可以调整到1Mbps、5.5Mbps及2Mbps，带宽自动调整，有效保障网络的可靠性和稳定性。
而且可靠性高，无需布线。
但切换时间长、覆盖半径小、带宽不高等并且一个反复出现的批评就是电量消耗和资源占用的增多。
但是此次设计是为了进行在线传输，测量河海湖泊的水质，WIFI所传输长度半径为100米左右，不是很达到要求。
2.2.2方案二介绍及优缺点分析
㈠方案二介绍
方案二所采用的具体传感器类型分别为：
⑴PH值传感器：
梅特勒PH复合电极LE438型电极⑵浊度传感器：
TS-300B⑶溶解氧传感器：
RDO-206A⑷电导率传感器：
DJS-1T（铂黑）。
方案二的流程图如图2-2所示：
本方案二PH值传感器、浊度传感器、电导率传感器是模拟信号输出，操作和方案一相同。
基于精度等原因，本方案放弃膜电极测溶解氧量，采用用荧光法测量的RDO-206A溶解氧传感器，它是数字信号输出，通过485总线再进入单片机串口再处理，另外三个传感器检测到信号并把信号进行调理之后输入ADC采集端口，然后在STM32F103RCT6中进行数据处理，基于成本和设计简化以及浪费资源等考虑，数据处理模块本次实验采用STM32F103RCT6，最后得到监测的具体参数。
监测到参数之后要通过无线技术，将所检测到的数据进行传输到监测端，本方案二首先决定采用ZigBee通讯，ZigBee通讯比WIFI通讯传输距离远，大概可以达到几公里以上，且传输稳定可靠。
图2-2方案二流程图
㈡优缺点分析
⑴导电率传感器本次采用铂黑系列：
一般选用铂黑电极来测量较大的电导率，其测量范围大10s/cm；而光亮电极则通常用来测量较小的电导率，一般测量范围小于10s/cm。
铂黑电导电极可有效防止在测定较高电导率溶液时出现极化现象。
因为他的表面比较大，这样降低了电流的度，减少或消除了极化现象。
⑵溶解氧传感器采用荧光法测量RDO-206A型传感器，和方案一相比，此传感器无需电解液，不会极化；无需消耗氧，不受流速影响；内置温度传感器，自动温度补偿，不受硫化物等化学物质干扰；漂移小，反映快速，测量更准确；尤其免维护，使用周期长，使用成本低，但价格要稍稍昂贵。
⑶经过对比考虑，数据处理模块有方案一的FPGA变换为STM32F103RCT6，它的具体参数如表2-1所示
表2-1具体参数
速度
72MHz
外围设备
DMA
电机控制
PWM，PDR，POR，PVD，PWM
温度传感器
WDT
输入输出数
51
程序存储器容量
256KB
程序存储器类型
FLASH
RAM容量
48K
电压-电源（Vcc/Vdd）
2V-3.6V
振荡器型
内部
工作温度
-40°C-85°C
它专为要求低成本、高性能、低功耗的嵌入式设计的。
它能支持32位广泛的应用，支持包括高性能、实时功能、数字信号处理，和低功耗、低电压操作，同时拥有一个完全集成和易用的开发。
⑷ZigBee是一种建立在IEEE802.15.4基础上的无线通信协议。
具有短距离、低功耗等优势。
其次它还有以下几点优势：
①数据速率比较低。
在2.4GHz的频段大概只有250Kb/S左右，再除掉信道竞争应答和重传等消耗等，
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