基于物联网的水质自动采样系统设计

王 玥

(山西经贸职业学院，山西 太原 030024)

0 引言

现如今，人民对良好生活环境的强烈诉求正被国家、政府积极响应，并且各项措施相继落地。在水环境监测及水体污染调查过程中，需要真实客观地反映水质污染状况，虽然各地已部署、安装相当多数量的水质监设备，但部分厂矿因生产或人为等原因，致其排放污水的成分、流量在短时间内波动幅度较大，居民生活污水水质也随地域及季节不同而变化，所以急需以正确的采集方法和采集设备来应对复杂的水体污染情况。在水污染源安装水质自动采样器是有效解决方案之一[1]。

1 整体结构

系统的整体结构图如图1所示，系统分为三层，分别是感知层、网络层和应用层。

图1 系统整体结构图

感知层是由水样采集设备，还有温度、pH值和流速等参数，以及模拟一些模拟量、开关量的采集电路；网络层是由以ARM内核芯片为核心，采集的水质数据经过处理器的解析和传输协议转换，由物联网通信模块传输到Internet上；应用层是由数据库和数据信息管理软件构成，通过Internet将采集到的数据存入数据库，再由管理软件对数据进行统计、分析和深层次的挖掘处理，并提供数据查询、异常报警和远程控制等功能。用户也可以通过移动设备端登陆系统实现管理功能[2]。

2 方案设计

水质采样器从外观上划分为三个区域。

一是控制、操作区域。用户通过触摸屏进行远程控制、数据查询操作，由于水质采样器所处环境的缘故，触摸屏需要防水、防潮。

二是水质采集区域。采用橡胶软管作为水流运输通道，利用蠕动泵挤压软管产生真空负压来吸水，利用电磁阀夹住、松开软管控制水流的通路。水质采样器通常都是配合在线水质分析仪连同使用，即采集的水质样本经分析正常，则立即排放，如异常，进行留样做进一步处理，但是水质分析仪得出结果需要30 min～40 min的过程，所以本采样器中设置双桶，在等待1号桶分析结果的同时，在2号桶同步进行采样，以达到连续、不间断采样的目的，并且为了客观、平稳地获得样本，在两个采集桶中都有搅拌电机，使样本均匀，有代表性，防止偶然、孤立样本的出现。

三是水质留样保存区域。本水质采样器中采用如图2所示的导流盘对留样瓶进行灌注，具体原理是利用步进电机使留样管在水平方向上移动，水流则从凹槽流向指定的留样瓶，此设计相比环形布置留样瓶的方案，移位更精确而且没有累计移位误差。同时该区域具有低温保存功能，防止样本在提取前变质。

图2 导流盘结构图

3 硬件设计

本系统以STM32F103微控制器为核心，对各模拟量、数字量进行采集控制和接口通信，整个解决方案采集系统的通信方式是采用NB-IoT与工厂数据库或环保部门系统数据传输，采用组态触摸屏人机交互，STM32F103与触摸屏通过MODBUS传输指令与数据，图3为系统硬件结构框图。

图3 系统硬件结构框图

3.1 物联网通信模块电路设计

LPWAN(低功耗广域网)细分为NB-IoT、LoRa、eMTC等技术，是为了满足物联网中能源消耗低和通信距离长的需求而研发的一种物联网通信技术[3]。LoRa有高性能、远距离、低功耗，支持大规模组网、测距和定位等方面突出的特点，常用终端+LoRa基站的方式作为应对方案[4]。NB-IoT和eMTC都是依托运营商网络，它们最大特点是打破了距离的限制，在地铁站、地下停车场等相对封闭的场所传输，穿透性好、通信可靠性明显提高，可以实现全国乃至全球漫游的数据采集[5]。水质采样器多工作在偏远、空旷等工业环境中，若使用有线介质向云端传输数据线距长、布线复杂很不便，且采样过程中数据量不大、数据的时延对系统的影响较小，基于此考虑本设计中使用中国移动型号为M5310的NB-IoT模块作为无线传输方案。

3.2 直流电机控制电路设计

本设计中选用的混匀电机和夹管阀为5V电源供电，均可使用图4所示控制电路控制。

图4 直流电机控制电路图

3.3 步进电机控制电路设计

控制蠕动泵正反转来实现进水及排水，控制步进距离来调整水流流速。

图5 步进电机控制电路图

4 程序设计

RT-Thread由中国嵌入式工程师开发，源代码开放，且是一款商业许可证非常宽松的实时操作系统，得到了国内众多企业的认可[6]。

本系统是一个复杂的多任务系统，需要实现的功能包括与屏幕交互、与流量计通信、温度采集、各采集模式运行切换及状态保存、与服务器的数据交互等，为了充分挖掘微控制器内核的性能和保持系统整体的实时特性，选用RT-Thread多任务管理机制对系统各任务进行协调管理。系统的软件结构框图如6所示。

5 结束语

NB-IoT无线通信技术利用运营商网络具有传输距离远、低功耗、低成本等优点，适用于无线传感器网络、无线遥控系统、无线数据采集等领域。本设计通过NB-IoT无线通信技术应用实验证明该方法是可行的。

图6 系统软件结构框图

[1] 马颢珺,孙海林,左航，等.水质自动采样器在污染源在线监测中的应用[J].环境研究与监测,2010,23(3):22-24.

[2] 杨渭,孔祥洪,钱卫国，等．基于溶氧和酸碱度的水质检测机器鱼设计[J]．渔业现代化,2014,41(1):10-14.

[3] 陈永波.基于LPWAN技术的能源电力物联专网[A].中国电机工程学会电力信息化专业委员会、国家电网公司信息通信分公司.2016电力行业信息化年会论文集[C].2016.

[4] 蒋武洲,周海东,刘福，等．物联网LoRa技术的应用与发展[J].电视技术,2018,42(8):100-103．

[5] 邵嘉.LPWAN技术在能源物联网领域应用研究[J].物联网技术,2018(12):44-47.

[6] 王振运.基于RT-Thread和STM32的双轮自平衡机器人的设计与实现[D].山西:中北大学,2016.