基于物联网的智能水质监测系统设计及实现

基于物联网的智能水质监测系统设计及实现

一、背景及研究意义

水是人类生存不可缺少的资源之一，而水质则是考核水是否健康、安全、适宜使用的重要指标。数十年以来随着经济和人口的

快速增长，人类活动对自然环境的影响日益显著。水质受到各种

污染的威胁，为了及时准确地监测水质状况，降低水质问题带来

的危害，物联网技术的不断发展，已经成为水质监测的重要手段。本文旨在基于物联网技术设计一套智能水质监测系统，实现对水

质的实时监测和数据传输。

二、系统设计

1.系统架构设计

本系统采用了分布式体系结构，包括感知层、网络层、服务层

和应用层。其中感知层主要包括采集节点、传感器和数据转换器，以负责水质参数数据的采集和传输。网络层由局域网和互联网组成，实现各设备之间的数据传输和通信。服务层则是以各种计算

和数据处理方法为核心，为上层应用服务提供一系列的程序执行

和读取数据的接口。最后，应用层则是完成系统最终功能实现的

层次，前期根据用户需求开发应用。

2.系统硬件设计

硬件由三部分组成：传感器、采集模块、云端服务器。传感器用于测量水质参数，具体包括PH值、溶解氧等。采集模块主要完成数据的采集、传输及存储等功能。云端服务器负责处理数据，提供数据分析服务。

传感器将测量数据采集后，通过采集模块将采集数据发送到云端服务器，服务器接收并储存这些数据，并通过数据分析和处理实现水质监测和预测。

3.系统软件设计

系统软件由五部分组成，分别是传感器驱动程序、采集程序、网络传输程序、数据处理程序、用户接口程序。

传感器驱动程序是采集过程中的驱动程序，软件通过对硬件进行控制，实现对各种水质参数的测量。

采集程序完成了采集、传输和存储数据的任务。传感器的输出数据通过采集模块被传输到云端服务器的数据层，存储为XML格式的文件。

网络传输程序实现了传输数据的功能，将采集程序的结果发送到云服务器中，从而实现了云端和采集设备之间的通信。

数据处理程序完成对数据进行处理和分析的任务，将采集的数据进行分析和处理，并向用户提供所需的数据服务，包括监测、预测等。

用户接口程序则是对用户进行交互的程序，通过用户接口程序

用户可以查询和监控数据，同时也可对数据进行设置和管理。

三、系统实现

1.传感器的选择与数据采集

为保证测量的准确性，本文选用了理光U-51环境检测仪和

MS-490-M手持电极溶解氧测量仪进行数据采集。这两个设备都具备自动校准能力，并且与计算机通信稳定。本系统通过RS232串

口通信的方式实现了与传感器的连接，以实现测量数据自动采集。

2.采集模块

本系统选择了STM32F103ZE处理器作为集中控制器。硬件方面，我们采用了一个八位采样VCC A/D转换器和一个串口UART

通信模块。设备采样的范围是0至5毫伏（为了适应传感器的输

出范围）。通过串口和云端服务器进行数据的传输。

3.云端服务器数据管理

本系统使用了云端服务器进行数据管理和存储，首先通过安装

数据库软件等相应的工具建立一个数据库，并设置一系列的数据

库表，使之与采集模块的ADS1115芯片进行通信。接着在数据库

中编写相关程序进行数据分析和处理，并提供数据访问接口以供

用户查询和监控数据。

四、实验结果

经过系统的设计和实现，我们采用了实验室环境和采样数据来进行相关的测试，主要包括传感器的精度、数据采集和分析，用户操作等多方面的测试。结果显示，本系统所采集的水质参数数据非常准确，并且能够实时监测和预测水质参数的变化，同时操作简便、修改方便。

五、总结和展望

本文基于物联网技术一种智能水质监测的设计方案，该方案利用现有的各种传感器构成了一个完整的硬件系统，并使用云端服务器作为数据管理和存储设备。数据流、程序执行等操作则在组成整个软件系统的各个层面进行。未来该系统的开发可以更加细致，并使用更多的解决方案去探索更丰富、更多样化的采集方式和数据管理模式，使之更加适合各种场合使用。