基于物联网的在线水质监测系统设计

基于物联网的在线水质监测系统设计

作者：亓相涛周敢

来源：《电脑知识与技术》2016年第27期

摘要：随着社会经济的不断发展，水环境污染的问题也逐渐被重视起来。水质监测是防止水污染的重要方式。随着互联网产业的发展，无线实时水质监测技术将逐步取代传统水质监测方式。本文构想了一项在线水质监测系统，硬件端实时监测水质的各项数据，电量不足时自动上浮到水面借助太阳能电池板进行充电，充电完成后潜回原位，根据指令在水中变换位置，监测不同水域的各项数据。本文提出了利用互联网结合传感器实时的监测水质状态。可为环保机构、水务部门、水产行业提供安全可靠的水质监测和水质数据分析服务。

关键词：物联网；在线水质监测；传感器

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）27-0185-03

据2009年环境状况公报统计，珠江、长江水质良好，松花江、淮河为轻度污染，黄河、辽河为中度污染，海河为重度污染。中国社会科学院环境与发展研究中心副主任郑易生指出，中国发布的各种水环境质量检测报告，由于受布点数量和布点区域的限制，“并不能充分、真实地反映国内水污染现状”。目前的水质监测现状揭示了中国水污染的严重程度和水质监测的建设落后程度。

水质监测适用于源头水、国家自然保护区，集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产卵场、仔稚幼鱼的索饵场；鱼虾类越冬场、洄游通道、水产养殖区等渔业水域及游泳区等静态水域。传统的水质监测，需要耗费大量的时间以及大量的人力，经过繁琐的步骤才得到数据，而在线水质监测系统可以实时的监测数据，自动进行设备的充电，用户登录App或者网站即可看到数据。

1系统总体的设计

在线水质监测系统如图1所示，水质监测系统整体分成三层，感知层、网络层以及应用层。感知层是系统的核心，是信息采集的关键部分；网络层对整个系统进行无线连接，通过①LoRa技术将所有的水质监测仪连接起来，LoRa数据接收端将数据通过互联网传输到服务器，服务器进行数据处理[1]。应用层位于三层的顶层，将服务器处理的数据通过App以及网站展现给用户，让用户可以直接地看到想要的数据以及与前几次对比所产生的差异。

2水质监测硬件设计

水质监测仪构想如图所示，是由CC2530控制了整个水质监测仪，数据的采集主要是通过传感器来完成，L9110S是用来控制电机的上浮下潜以及在水中游动，而SL1053是用于来管理太阳能，锂电池用于存储电量。

CC2530芯片对整个系统起着至关重要的作用，将传感器收集的信息存储和发送到服务器，并且接收从服务器传来的信息，再将数据以指令的形式进行命令的传达。

（一）数据采集模块

系统通过温度传感器、PH值传感器、浊度传感器、含氧量传感器模块来采集温度、PH 值、浊度、含氧量等信息。

1）温度传感器

采用PT100温度传感器，对水的温度进行测量，PT100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的上升而迅速匀速的增长，铂热电阻具有精度高、稳点性好、性能可靠的特点，适用于长期进行水质的温度的监测[2]。

2）PH值传感器

采用PH值传感器，对水中的氢离子浓度进行监测以及转换成相应的可用输出信号，整体是一种密封状态，能够很好的防水，而且使用寿命长，适用于长期进行水质的PH值的监测[3]。

3）浊度传感器

采用TS浊度传感器，对水的污浊度进行测量，判断水的洁净度，浊度是由水中的悬浮颗粒引起的，本传感器采用散射光与透射光比值代替单纯的散射光测量浊度，传感器的准确度、可靠性提高，维护更加简单，抗污性增强，适用于长期进行水质的浊度的监测[4]。

4）氧气含量传感器

氧气含量传感器，对水中的氧气含有量进行监测，它是由一个银阳极和金阴极组成，两极之间存在着电势差，氧气在阳极下进行反映，通过半透膜向阴极扩散，根据流过两级电流的大小就能测试水中氧气浓度的比例关系，适用于进行氧气的监测[5]。

（二）数据传输模块

数据输出模块主要由继电器及光耦合器构成，设计中使用的是一种两个接线端为输入端，另外两个接线端为输出端，中间采用光耦合器实现输入输出电隔离的高性能固态继电器，该继

电器具有功率小、高灵敏度、高可靠性等特点。在水质监测系统运行中，当控制器接收到用户的指令后可以将数据返回到用户手中，并且控制仪器进行游动。

（三） L9110S半导体处理器

如图3所示，L9110S是控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，具有较强的驱动能力控制水质监测仪的上浮下潜，以及四处游动。

（四）线性锂电池芯片SL1053

SL1053是高精度的线性锂电池充电的芯片，SL1053可以通过检测电池电压来决定其充电的状态：预充电、恒流充电、恒压充电。均衡的管理锂电池的充电模式和查看电量的剩余量。同时控制着太阳能的充电状态，以及当充电结束后将自动发送完成指令给CC2530控制芯片。

3水质监测网络设计

如图4所示，网络层是用户与仪器之间进行交流的媒介，网络层由LoRa数据传输芯片、互联网以及服务器组成，水质监测仪通过多个LoRa节点进行连接以及数据的传输，可以直接将数据直接传输给LoRa数据接收终端，终端将数据通过互联网传输到服务器，服务器对数据进行处理以及分析，通过互联网将数据传输给用户。

1）LoRa

LoRa是一种新型的基于1GHz以下的超长距低功耗的数据传输技术的芯片，其接收数据的灵敏度达到了-148dBm，与其他的芯片相比较得到了很大的提升，所以我们的水质监测系统中会采用到LoRa芯片，对池塘、水库的监测有较大优势，相比较其他的监测设备使用更加便捷，只需要进行一次布局就能长期的进行在线的监测数据，而不是取到每个区域进行水的采样，然后在检验室来一一的监测数据，可以省去大量的人力物力以及财力，用户操作起来会简单，我们称之为傻瓜式操作。LoRa数据接收终端将几个个体的水质监测仪的数据进行统计，发送到服务器进行统一处理得到综合的数据反馈以及位于不同区域水质之间的差异。

2）服务器

服务器主要是进行数据接收、处理、统计以及进行信息的推送。同时进行管理水质监测仪，监控各项指标是否正常，对用户的信息进行管理等。

4水质监测仪应用设计