自动化水质监测系统研究_杜承璋.pdf

第 39 卷 第 2 期 福 建 电 脑 Vol.39 No.2 2023 年 2 月 Journal of Fujian Computer Feb.2023 本文得到江苏省大学生创新创业项目(No.202113982014H)、无锡学院教学改革研究课题（No.JGYB202109）资助。杜承璋，男，1999年生，主要研究领域为通信工程。E-mail:。谢星成，男，2002年生，主要研究领域为信息工程。E-mail:。刘小庆，男，2001年生，主要研究领域为通信工程。E-mail:。王向荣，男，2002年生，主要研究领域为信息工程。E-mail:。王新蕾（通信作者），女，1980年生，主要研究领域为机器学习、嵌入式人工智能。E-mail:。自动化水质监测系统研究 杜承璋 谢星成 刘小庆 王向荣 王新蕾(无锡学院电子信息工程学院 江苏 无锡 214105)摘 要 针对现行水质监测费时费力的现状，本文提出一种针对内陆湖泊、河道的自动化水质监测系统，以实现远程实时水质监测，完善水质监测布点与采样。系统由浮标系统和岸基系统组成。浮标系统搭载在自主设计的浮标上，由 STM32F103主控模块、北斗模块、4G 模块、水质传感器组等组成。主控模块与监测平台通过蜂窝网络连接，平台实时显示浮标采集的信息。当遇到水质突变等状况时，系统可发出告警提醒管理者，以便及时定位和查找水体污染原因等。同时，由采集的北斗数据，监测平台实时绘制浮标运行轨迹，便于监测控制、规划和浮标的回收、检修。经测试，该系统工作状态正常，可完成水质监测、水质预警、浮标移动轨迹绘制等各功能，满足对水质信息自动化远程监测的需求。关键词 北斗定位；浮标单元；水质监测；移动通信 中图法分类号 TP391 DOI:10.16707/ki.fjpc.2023.02.018 Research on Automatic Water Quality Monitoring System DU Chengzhang,XIE Xingcheng,LIU Xiaoqing,WANG Xiangrong,WANG Xinlei(Department of Electronic Information Engineering,Wuxi College,Wuxi,China,214105)Abstract Aiming at the present situation of time-consuming and laborious water quality monitoring,an automatic water quality monitoring system for inland lakes and rivers is proposed to realize remote real-time water quality monitoring and improve the distribution and sampling of water quality monitoring.The system consists of buoy system and shore-based system.The buoy system is mounted on the independently designed buoy and consists of STM32F103 main control module,Beidou module,4G module and water quality sensor group.The main control module is connected with the monitoring platform through the cellular network,and the platform displays the information collected by the buoy in real time.When the water quality changes,the system can send an alarm to remind the manager,so as to locate and find the cause of water pollution in time.At the same time,the monitoring platform draws the buoy running track in real time based on the collected Beidou data,which is convenient for monitoring,control,planning,recovery and maintenance of buoys.After testing,the system works normally and can complete water quality monitoring,water quality warning,buoy moving track drawing and other functions to meet the demand for automatic remote monitoring of water quality information.Keywords Beidou Navigation;Buoy-unit;Water Quality Monitoring;Mobile Communication 1 引言 绿水青山就是金山银山。世界经济快速发展，环境污染问题却越发突出。其中，水体污染已成为最严重的污染之一1-2。在水污染防治工作中，水质监测是提高水环境管理保护的必要手段和重要环节，在环境监测中占有很大比重3。国务院生态环境部提出生态环境监测规划纲要（2020-2035 年），确保碧水保卫战各项目标落2023 年 福 建 电 脑 79 地见效，推动地表水监测由人工监测与自动监测并行，向以自动监测为主过渡4。它可以缩短检测周期，降低运行成本，提高工作效率。现在主要有两类常规的水质监测方案：传统监测方式和自动化监测。国外主要采用一体式自动化监测方式，将多种传感器布置于河道、湖泊等污染源处2，结合计算机网络技术实现高自动化和高时效性。但这个方案不仅价钱高、还需要专业人员进行保养维护5-6。当前的传统水质检测方法有三种，分别是水质监测实验室、水质监测站和移动监测。其中人工检测虽然操作方便、准确度较高，但具有实时性差、工作量大、效率低、成本高且存在二次污染的风险7-9；水质监测站则需设立专用建筑，建设成本高，以及在线的水质分析仪器价钱高昂，监测范围小；移动监测则无法确保测量数据的准确性和时效性，对突发性污染难以实时监测。针对以上问题，本文提出一种针对内陆湖泊河流水道的自动化水质监测系统。该系统解放人力，缩短检测周期，降低运行成本，提高工作效率，完善监测布点与采样。同时使用北斗系统提供精确定位和移动轨迹绘制。在设计系统时采用嵌入式思路，开发编译环境选择 KEIL 软件，对数据完成了从采集、传输、处理到可视化显示。本系统为管理人员高效处理数据提供了方便，保证了水污染防治工作的效率和效果，对改善环境质量、恢复青山绿水具有重要意义。2 系统总体方案设计 本系统的示意图如图 1 所示。系统包括两部分：浮标数据采集系统和岸基数据监测系统。图 1 基于北斗的自动化水质监测系统示意图 浮标数据采集系统包括主控模块、北斗定位模块、4G 透传模块、水质传感器组和电池模组；岸基数据监测系统包括用于数据传输的通信基站和岸基监测中心。（1）水质传感器组：由温度传感器、TU 浊度传感器、TDS 水质传感器组成。将这些传感器安装在浮标底部，用于采集浮标所在水域的水质参数。（2）岸基监测中心：选择计算机作为监控中心的上位机，通过设计的岸基数据接收监测系统实现对水质参数的读取、处理和展示。3 浮标系统设计 通过模块化结构设计构造浮标硬件系统，性能强悍，构造简约，使用方便。图 2 为浮标硬件系统总体结构图，包含主控模块、4G 模块、北斗定位模块、水质传感器组等。浮标系统的核心构件是主控制器，采用 STM32F103C8T6 处理器作为主控，完成对北斗模块采集的坐标处理。北斗模块包括定位芯片、天线，能达成浮标定位、轨迹绘制功能。图 2 浮标硬件系统总体结构图 3.1 主控模块 主控模块作为核心构件，使用 STMF103C8T6芯片负责系统运行。该芯片基于 ARM-Cortex-M 内核的 32 位微控制器，工作频率为 72MHz，程序存储器容量是64KB，同时片内FLASH支持在线编程。主要完成两项工作：（1）连接北斗模块与其通讯，向岸基数据接收监测系统进行数据发送。（2）与水质传感器组通讯，传输指令和数据接收。3.2 北斗模块 北斗卫星导航系统是全球四大卫星导航系统之一，是国家战略安全和社会发展的需要，具有使用安全、定位精确、发展前景广阔等优点。通过北斗系统，配合岸基数据监测系统、数据传输等技术，保证定位数据安全可靠并且实时有效的传输。本系统选用嵌入式的ATGM336H-5N北斗定位模 块。ATGM336H-5N模 块 是 一 款 高 性 能BDS/GNSS 全星座定位导航模块，具有支持六合一80 杜承璋等：自动化水质监测系统研究 第 2 期 多模卫星导航的定位芯片，能够同步收到的 GNSS信号包含有六个卫星导航系统。此外，还有 32 个定位追踪途径，具有联合定位、授时和导航的功能。同时，它具有成本低、功耗低、体积小、灵敏度高的好处，适合用于浮标数据采集系统。北斗模块供电电压为 3.3V 和 5V，具备 SMA天线接口和 IPEX，支持的定位精度为 2.5 米。该模块的 TXD、RXD 引脚分别与主控模块的 PA10、PA9引脚相连。3.3 4G透传模块 本系统应用于内陆湖泊水质监测，在数据传输方面可采用 4G 通信，有利于节省北斗系统卫星资源，降低成本。它可以完成浮标数据采集系统和岸基数据监测系统间的数据交换。3.4 TDS水质模块 TDS 水质模块供电电压为 3.3V 和 5V 的宽电压，模拟信号输出电压为 0V 和 2.3V，通过 2Pin XH-2.54 接口与 TDS 探针相连。该模块的 AO 引脚与主控模块的 PA0 引脚相连。3.5 TU浊度模块 TU 浊度模块需外接电源，通过 3Pin XH-2.54接口与 TU 浊度传感器进行连接，调节 10K 蓝色电位器按钮对数字量输出触发阈值进行调节。该模块的 AO 引脚与主控模块的 PA1 引脚相连。4 岸基系统设计 4.1 浮标数据采集系统设计 图 3 为附浮标数据采集系统程序流程图。设计浮标系统时采用嵌入式思路，开发编译环境选择KEIL 软件系统。整个程序通过模块化结构设计构造，包括有系统初始化、水质信息采集和处理、北斗卫星定位和移动轨迹处理、数据发送操作等模块。浮标系统上电后，首先将系统各模块初始化，然后进行卫星定位，并执行水质数据采集操作，同时保持定时发送北斗定位数据和水质监测数据至岸基数据监测系统。4.2 岸基数据监测系统设计 岸基系统的监测软件使用 C+语言。整个程序通过模块化结构设计构造，主要包括串口通信模块、水质参数显示模块、地图模块、轨迹绘制模块和数据保存模块。图 3 浮标数据采集系统程序流程图 浮标的位置信息和运行状态将全天候实时展示在系统上，以保证浮标安全稳定地运行。用户还可根据需求，对所得到的数据进行处理和分析。图 4 岸基数据监测系统程序流程图 系统程序流程图如图 4 所示。浮标将所采数据处理后，通过 4G 网络传输到岸基系统。岸基系统2023 年 福 建 电 脑 81 监测软件完成初始化后，打开串口接受浮标端发送的数据包，并对数据包完整性和有效性进行判断。经过解密和一系列算法处理后，完成对数据包的解析，最终在可视化界面上显现所有信息。4.3 监测软件界面设计 监测软件主要有 3 个界面，分别展示