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基于物联网的水质在线监测系统设计与实现

更新时间：2019-12-19 06:52:28 大小：2M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：物联网水质在线监测系统 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

针对以往水质监控系统水质传感器数据采集盲区多,传统处理器、通信模块无法满足大量的数据的处理和传输等问题;设计并实现了一种基于物联网技术的水质在线监测系统;该系统由数据采集节点、数据汇聚节点与监测中心计算机构成;设计了以INA118仪用放大器为核心的微弱信号调理电路,通过STM32微处理器进行实时数据采集和处理,结合ZigBee低速短距离和CDMA2000高速远距离通信等物联网技术将水质数据上传至物联网云平台;监测中心计算机通过下载物联网云平台数据实时显示;通过测量数据的对比性实验,结果表明整个系统的实时性好、测量精度较高,温度,pH值和电导率的平均相对误差分别约为0.64％,1.33％和2.33％,能够较好地满足水质监测的要求.

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文献标识码：A

文章编号：1671—4598(2015)11—3627—04

DOI：10．16526／j．cnki．11—4762／tp．2015．11．017

中图分类号：TP216

基于物联网的水质在线监测系统设计与实现

赵小强，陈升伟，张朋波

(西安邮电大学通信与信息工程学院，西安710121)

摘要：针对以往水质监控系统水质传感器数据采集盲区多，传统处理器、通信模块无法满足大量的数据的处理和传输等问题；设计

并实现了一种基于物联网技术的水质在线监测系统；该系统由数据采集节点、数据汇聚节点与监测中心计算机构成；设计了以INAll8

仪用放大器为核心的微弱信号调理电路，通过STM32微处理器进行实时数据采集和处理，结合ZigBee低速短距离和CDMA2000高速远

距离通信等物联网技术将水质数据上传至物联网云平台；监测中心计算机通过下载物联网云平台数据实时显示；通过测量数据的对比性

实验，结果表明整个系统的实时性好、测量精度较高，温度，pH值和电导率的平均相对误差分别约为0．64％，1．33％和2．33％，能够

较好地满足水质监测的要求。

关键词：水质监测；物联网；ZigBee；微弱信号调理；CDMA2000

and

of Online Water

on Internet of

Designing

Implemention

Based

Quality Monitoring System

Things

Zhao

Pengbo

Xiaoqiang，Chen Shengwei，Zhang

and Information

of Postsand Telecommunications，

University

(School of Communication

Engineering．Xi’an

Xi’an。710121，China)

such as the blind area of data

on the deficiencies of

water

and

quality monitoring controlling systems

Abstract：Focusing

acquisi—

need

amount of data

large

tion in water sensor，a functional conventional

quality

and transmission．an online water

and communication module that cafft meet the

processor

designed．The

based on

quality monitoring system

Internet--of—Things(IOT)technology

processing

consists of data

node and

center

uses INAll8

as the core

node，data gathering

monitoring

computer．This system

and

amplifier

upload

system

acquisition

of weak

circuit．and STM32 _{microprocessor}tO do real—time data

water

quality

acquisition

of telecommunication such as low

processing，and

signal conditioning

the cloud

platform

of IOTcombined with IOT

over shortdistances of

and

data tO

technologies

center

speed

real—time data

ZigBee

over

from the IOT cloud

distances

CDMA200．Monitoring

computer

display

by downloading

real—time

high speed

long

data of the

showsthat the whole

has

with

meas—

high

measurement

system

good

quality

platform．The

comparative experiments

error of

value and

temperature，PH

is about

0．64％，1．33％and 2．33％respectively，

urement

relative

conductivity

accuracy．The average

of water well．

quality monitoring

and this result shows that the

meet the

system

requirements

quality monitoring；Internet

Things；ZigBee；weak signal conditioning；CDMA2000

Keywords：water

智能化监测系统从功能结构上可以划分为两部分：水质数据采

集及发送部分和上位机水质监测软件部分。

引言

水环境质量监测是我国环境保护工作的重要组成部分，目

前我国在水环境监测中主要采用了实验室手工监测为主自动化

监测为辅的监测方法(其中水质实验室监测实时性差、人力消

耗较大、自动化程度较低)，面临着起步晚，水质监测点地理位

置分散，高级水质监测设备主要靠进1=I、成本相对较高，国产

有线水质监测设备安装维护困难、信息传输速率低等问题[1]。

随着物联网以及嵌入式系统两大前沿技术的发展，网络化、智

能化成为环境质量监测的一个必然趋势[2‘5]。笔者将物联网技术

与水质监测相结合，解决了传统水质测量面临的一些问题，实

现了水质数据的准确测量，水质数据的高速远程传输。

图1 系统结构框图

系统总体设计

水质数据采集及发送部分由数据采集节点与数据汇聚节点

组成。数据采集节点负责采集水质传感器、温度传感器数据，

水质在线监测系统的总体结构框图如图1所示。水质远程

通过数据处理、模数转换并经ZigBee发送到汇聚节点。数据

收稿日期：2015—06—04；修回日期：2015—07—08。

基金项目：陕西省教育厅服务地方专项(14JF022)；西安邮电大学研

究生创新基金资助项目(ZL2013—12)。

G模块

汇聚节点负责采集节点的数据接收、压缩，通过驱动3

发送数据包，经CDMA2000移动通信网络的基站传输到处于

Internet中的物联网云服务平台中，数据包存储于云服务平台

数据库中，整个水质监测系统可以存在多个水质数据远程采集

及发送部分。

作者简介：赵小强(1977一)，男，陕西西安人，博士。硕士研究生导

师，主要从事物联网方向的研究。

万方数据

· 3628·

第23卷

计算机测量与控制

上位机监测软件部分负责通过互联网对物联网云服务器中

的水质数据进行实时获取，并对获取的数据进行解析处理，最

后通过直观的实时曲线图给予实时显示。

ZigBee通信端选用TI公司的CC2530，CC2530是适合

IEEE802．15．4、ZigBee和RF4CE应用的真正片上应用系统，

性能稳定且低功耗。主要负责数据在单一地域的多点采样解决

通过上述两个部分就完成了水质信息从监测点到监测中心

的传输过程，实现了一个水质远程监测系统的完整结构。

盲区问题。ZigBee与STM32通信协议设置如表1所示。

表1 CC2530与STM32通信协议

1字节

帧头

2字节

编号

2字节

源地址

1字节

设备类型

1字节

2字节

2系统硬件设计

温度数据

本系统硬件电路设计由数据采集端和数据传输端组成，硬

件结构框图如图2所示。

2字节

PH数据

2字节

电导率数据

帧尾

溶氧量数据

通信协议由帧头、编号、源地址、设备类型、温度数据、

pH数据、电导率数据、溶氧量数据、帧尾9部分组成，其中

帧头1个字节，固定为0XA5，表示一帧数据的开始；编号2

个字节，记录数据包编号；源地址2个字节，表示数据来源，

取ZigBee终端设备自身MAC地址的低2个字节作为设备地

址；设备类型1个字节，OXlA代表协调器，0X]B代表路由

器，0X1C代表终端节点；温度数据2个字节，记录温度传感

器的输出数据；pH数据、电导率数据、溶氧量数据各2个字

节，记录pH、电导率、溶氧量传感器输出信号的A／D模数转

换值；帧尾1个字节，固定为0X5A，表示一帧数据结束。

MC509

3G通信端采用华为公司生产的MC509一CD—

MA2000无线数据终端进行通信，MC509是一款针对物联网

应用的CDMA2000一EVDO工业级专用模块，支持下行3．1

Mbps、上行1．8 Mbps的数据传输速率，并且内置了TCP／IP

协议栈可以方便的建立网络链接．支持全速的USB2．0接口、

UART工业串口以及华为公司扩展AT指令集。本文通过华

为公司提供的AT指令，STM32F4微控制器可以通过UART

串口驱动MC509模块将系统接入网络。

L一一一一一一一一一一一一一一一～一一一一一一一一一一一一一J

图2 水质监测系统的硬件整体结构图

硬件电路包括传感器模块、信号调理电路模块、温度检测

模块、MCU主控模块、MC509 3G通信模块和CC2530无线通

信模块等。

系统中STM32使用串口1控制MC509数据终端向

YeeLink物联网云服务平台(IP地址为：202．117．128．8)发

送数据。

2．1数据采集端

数据采集端选用了雷磁E一201一C型PH传感器、雷磁

DJs—lc型电导率传感器、KDs一25B型容氧量传感器。由于

化学型水质传感器一定程度上受温度的影响，本文采用一总线

控制温度传感器DSl8820，其温度测量范围为一55～125℃，

测量精度为i0．5℃。通过将DSl8820的DQ端与STM32微

控制器的I／O口相连即可编程读取温度数据，用二次曲面拟合

算法修正传感器数据[6]。针对传感器输出信号量变化幅度较小

的问题，设计了调理电路以满足A／D转换要求[^]。其整体结

构如图3所示。

3系统软件设计

系统软件设计主要包括下位机软件设计和上位机软件

设计。

为增加系统的稳定性和可裁剪性，在下位机移植了v．C／OS

--II实时嵌入式系统，程序除系统启动代码使用汇编，大部分

使用c语言开发。程序包括水质数据采集、温度采集、数据通

信、SD卡存储等函数。下位机软件整体结构设计如图4所示，

可以根据不同节点的要求，相应的的增加或者减少任务。

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驱动

l驱动I时刮l』5fi动||驱动Il驱动||换驱动¨

水质微弱信号的输出端连接仪用放大器INAll8，由于噪声

幅度大于信号幅度和后续放大电路的要求，INAll8的增益不宜

过大。为增强低通滤波除躁能力，采用二阶滤波。经二阶滤波

的信号幅度不够大，不利于AD采样处理。因此在滤波末端接

LM324放大电路。

图4下位整体机架构图

pC／0S—II嵌入式实时操作系统是一个支持多任务的操作

系统，在操作系统内可以创建多个任务，各个任务通过系统调

度同时运行在嵌入式操作系统中。系统在启动时首先初始化各

个硬件，之后首先启动主任务。

2．2数据传输端

数据传输端主要包括ZiBee通信端、MC509 3G通信端。

万方数据

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