基于STM32的水质智能远程监控系统

水文水资源

水利规划与设计

2019年第2期

D O I ： 10. 3969/j . issn . 1672-2469. 2019. 02. 010

基于

STM 32的水质智能远程监控系统

田红\李秉权2，张亚彤2

(1.兰州城市供水（集团）有限公司，甘肃兰州730070$ 2.兰州交通大学机电技术研究所，甘肃兰州730070)

摘要

：

文章介绍了一种太阳能水质智能远程监控系统。该系统利用

STM 32嵌入式单片机的强大扩展性实现数据

交互管理和功能控制。实验测试表明系统能稳定采集传输数据，远程监控中心能实时获取水质信息及控制阀门启 闭，该系统的水质测量精度和控制能力契合我国规约标准，具有实际应用和可推广价值。文章编号：1672-2469(2019)02-0031-03

关键词

：

水质监测；采集控制；STM 32;远程通讯

中图分类号：

X 832

文献标识码

：

B

水质监测是实现水资源保护与水污染控制的重 要途径。现有水质监测装置多由市电供电，为单一 固定点监测，相比较湖泊流域附近，鲜有可应用于 野外环境下，可准确定位水质异常的监测系统[1 ]。 国外在水质监测研究多基于无线传感器网络的监控 解决方案，如爱尔兰的SmartCoast 监测系统是将传 统的单一测量改造成多传感器网络的自动化检测设 备[2]，已应用于部分湖泊流域中，得到了很好的应 用效果。但我国因地域分布广，地形复杂等特点， 水质监测需求大，且国内外相关水质监测领域标准 规约不尽相同，所以全部引人国外技术是不现实 的。而目前国内仅对重点流域湖泊进行了水质监 控，且系统体积庞大，不适用于偏远地区等现实情 况[3-]。本文介绍了一种太阳能水质智能远程监测 控制系统，以我国的水质规约规范为开发标准，采 用STM 32嵌人式单片机为控制核心，结合驱动芯 片控制继电器，利用GPRS 模块为数据交互媒介， 采用太阳能供电设备为系统提供正常工作电压随着 物联网以及嵌人式系统两大前沿技术的发展。该系 统能够应用于环境恶劣的野外，特别是在没有常规 电力供给的地方工作，能实现对水源水质的定时分 析，并能准确、及时的切断供给阀门或水闸等设 备，防止污染水质的进一步扩散，从而最大程度降 低人身及财产损失。

1总体方案

本文设计并实现的监控系统包括水质监测、阀 门控制和无线通讯功能。其中以STM 32嵌人式单 片机作控制核心，搭配外围元器件实现对水质的智

能监控。太阳能供电设备由太阳能光伏阵列电池

板、充放电控制器、蓄电池及DC -D C 控制升压电 路组成。水质监测通常以溶解氧、浊度及p H 值等 参数值做为衡量水质情况的标准[5]，因此水质监测 单元主要通过浊度传感器、p H 值传感器、溶解氧

DO 传感器等的信息采集与上传。阀门控制单元采 用继电器控制，配合驱动芯片及M 0S 管实现控制

阀门动作。为保证本系统能适应野外恶劣的环境， 将硬件设备如控制核心、无线通讯模块及供电设备 等以合理的安装距离组装进具有防锈蚀及防潮能力 的控制柜中，以提高系统的抗干扰能力[6]。

水质监测传感器将采集数据转化为电信号，通 过设计的增益放大器及信号调理模块，并引人加权 平均滤波法将信号采集中的噪声干扰降低，提高测 量精度。最后通过水质分析仪比对标准预设水质参 数信息，并以无线通讯网络上传至上位机。为了提高本系统的可拓展性和实用推广价值， 在STM 32单片机上额外预留多个输人输出端口， 方便后续调试工作或扩展其他功能单元。系统总体 设计结构图如图1所示。

2硬件设计

该系统采用模块化的设计思想，其主要由控制

核心、传感器、无线通讯模块、阀门控制单元和太 阳能供电设备主板组成。本系统硬件结构图如图2 所示。

收稿日期！ 2018-07-23

作者筒介：田红（1967年一），女，高级工程师。

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2019年第2期

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7.3

13.11

如图4所示。

图3系统功能模块图

3.1系统主要功能介绍3. 1.1 实时监测

实时监测模块主要是实时监测当前测站实时信 息，测站信息有测站的类型、；TU 在线状态、更新

时间、溶解氧、p H 值、浊度等。这些信息主要是

RTU 上传至服务器终端的监测数据。实时监测界面

3.1.2 报警管理

报警管理模块的主要功能是当测站显示报警信 息后，管理员通知相应的测站负责人及时预防处理

图4

监控系统实时监测界面

单片机继电器

自来水厂

总体设计结构图

pH 值数据还需通过温度补偿来获取更为精确地参 数数据。浊度传感器采用QE _ T S 型，其内部结构

主要由发光二极管和光敏三极管组成，通过低通滤 波和信号调理电路将其信号采集进单片机中。水温 传感器需通过信号调理单元将模拟量信号转换为数 字量，直接输人至单片机中。最后经过处理计算后 的不同水质数据参数在LED 屏上可以实时显示出 来，方便操作人员查看。

3软件设计

水质监测监控系统软件功能主要包括实时监测、

报警管理、测站管理、统计查询以及系统管理共五 个模块组成。软件系统功能模块图如图3所示。

LED

显示屏

报警模块存储器

图2硬件结构图

控制核心选用STM 32系列的STM 32F 103RCT 6芯片，该芯片功耗低，性能优越，适用于本系统的

功能要求[7]。QP ;S 模块以规定的通讯协议格式将 采集信息打包上传至上位机，采用SIM 800C 型号

GPRS 模块与STM 32单片机连接。同时报警模块为

装置监测出水质异常状况时进行报警，并以无线通 讯的方式及时上传给上位机。

溶解氧传感器通过增益放大器及滤波电路将微 弱的电流信号精确转换为模拟量信号，通过SPI 总 线与STM 32连接。p H 值传感器我们选用的是上海 雷磁公司生产的E -201-C p H 复合电极，其测量反 应快，适用于多种溶液，通过高输人阻抗放大器将 较低的电压信号抬升到0〜3V 的电压范围，经A /

D 转换接口送人STM 32单片机中。同时溶解氧与

图

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二

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系统管理

统计查询测站管理报警管理实时监测远程控制命令下发

测站数据接收

测站数据接收

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