基于Labview監控的遠程無線多參數水質監測系統設計

◆譚華

（桂林航天工業學院電子信息與自動學院 廣西 541004）

傳統的水質監測方法，通常是通過人工方式進行水質采樣，然后將水樣運輸到實驗室進行分析處理，以達到水質檢測的目的。但這種方法采樣效率低下，人工成本高，而且存在水樣二次污染的風險，無法保證檢測數據的準確性、實時性和可靠性。因此，設計一種低成本、采樣靈活、實效性高的多參數水質監測系統具有迫切的現實需求和廣泛的應用前景。鑒于此，本文設計了一個基于STM32嵌入式技術、LoRa技術和Labview虛擬儀器技術于一體的遠程無線多參數水質監測系統[1-3]，能對包括PH值、COD值、ORP值、渾濁度值、氨氮值和溶解氧值在內的六項水質參數進行遠程實時采樣監測，同時確保了水質監測數據的實效性和準確度。

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1 系統總體方案

本系統的總體設計方案是利用STM32F103作為下位機主控芯片，采用RS485總線連接不同的水質監測傳感器，通過modbus協議獲得傳感器上的數據，將數據根據既定要求進行處理，然后再通過LoRa遠距離無線通信模塊將數據傳輸到上位機，與此同時，上位機的LoRa無線模塊接收數據，并將接收到的數據通過串口發送給Labview虛擬儀器監控界面[4]，這樣完成對包括PH值、COD值、ORP值、渾濁度值、氨氮值和溶解氧值在內的六項水質參數進行實時監測顯示。其總體設計框圖，如圖1所示。

四點直線度監測示意如圖2所示。圖2中，針對4個間隙測點相對對于懸浮架的坐標A(x1,z1)、B(x2,z2)、C(x3,z3) 、D(x4,z4)，采用最小二乘法擬合獲取同一時刻4個間隙測點的第一擬合直線，再根據4個間隙測點與對應擬合直線的偏差值獲取中低速磁浮軌道在當前時刻所處位置的四點直線度。

圖1 系統總體設計框圖

系統由水質參數采集下位機和水質參數監控上位機兩部分部分組成，其中下位機由傳感器采集模塊、STM32主控模塊和LoRa無線數傳模塊組成，而上位機由LoRa無線串口模塊和Labview虛擬儀器監控界面組成。

2 系統硬件設計

2.1 主控模塊設計

首先，下位機系統上電完成初始化，包括六種水質參數采集傳感器、定時器中斷、RS485接口的初始化，判斷定時中斷是否發生，然后STM32F103主控芯片通過RS485接口利用Modbus協議采集傳感器數據，將采集到的數據進行處理，一是發送LCD顯示，通過按鍵切換顯示內容，二是按照既定通信協議存入LoRa無線通信模塊的發送緩沖區，通過LoRa無線信號發送給遠端上位機。再判斷是否結束，如果不結束則繼續回到等待定時中斷發生，繼續采集傳感器數據，如果結束就直接退出。

圖2 STM32主控模塊硬件設計

2.2 傳感器模塊

為了實現水質的多參數采集和滿足系統接口設計要求，本系統使用了重慶安耐恩環境技術有限公司的水質傳感器，包括PH值傳感器、ORP傳感器、COD傳感器、渾濁度傳感器、溶解氧傳感器和氨氮傳感器六種，該傳感器具有接口通用、技術成熟等特點，而且滿足系統所要求的抗干擾性和遠程傳輸特性。如表1所示，為六種水質傳感器的參數表。

表1 各類傳感器的參數表

下位機主要完成對水質傳感器數據的采集、封裝和發送。其處理程序是采用C語言，借助嵌入式開發環境Keil MDK對STM32F103C8T6芯片進行開發設計。下位機主控核心程序包括以下幾個部分：各傳感器的數據采集、數據的處理與轉換、串口通信、數據的無線傳輸等。其軟件流程圖，如圖3所示。

系統所選用LoRa無線模塊型號是中國億佰特公司的E32-433T20D，該模塊是基于LoRa射頻芯片SX1268為核心研發的。LoRa模塊的RXD及TXD引腳與主控芯片STM32的USART2_TX及USART2_RX引腳連接，負責對主控數據的收發；另外，LoRa模塊的M0及M1引腳與PB5及PB6引腳連接，對其工作模式進行選擇，AUX作為指示模塊工作狀態引腳與主控的PB4引腳連接，VCC選擇3.3 V～5.0 V供電，GND接地。

2.3 LoRa無線模塊

本系統的上位機軟件是采用美國國家儀器公司的Labview進行開發設計的，其功能主要是接收下位機發送的數據、然后將數據實時數字顯示和波形顯示、同時設置閾值報警功能。其程序設計流程圖，如圖4所示。

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3 系統軟件設計

3.1 下位機軟件設計

系統所使用的六種水質參數傳感器都是通過RS485接口與主控模塊STM32芯片進行連接，并通過ModBus協議進行數據通信。

圖3 下位機軟件處理流程

本系統的主控模塊硬件設計如圖2所示，主控芯片采用的是STM32F103C8T6微控制器[5]，它是一款基于ARM Cortex-M 內核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲器容量是64KB，需要電壓2V～3.6V，工作溫度為-40°C～ 85°C，能夠滿足系統設計要求，具有很高的性價比。其與外圍電源電路、晶振電路、復位電路和啟動電路一起構成最小系統。該主控最小系統與傳感器模塊通過RS485電路接口進行連接，并利用modbus協議獲取傳感器上的數據，然后對數據進行處理，并將處理后的數據通過LoRa接口電路發送給LoRa無線數傳模塊。另外，主控模塊的按鍵電路對接的按鍵，其中一個是獨立式按鍵，負責切換屏幕顯示內容，另一是自鎖按鍵，負責系統的用電開關；另外顯示電路連接的是性價比很高的LCD1602液晶顯示器，用于下位機端水質參數數值的調試顯示。

3.2 上位機軟件設計

LoRa無線模塊是本系統實現遠距離無線傳輸的關鍵，LoRa是LPWAN通信技術中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。具有傳輸距離遠：城鎮可達2-5Km，郊區可達15km，功耗低：電池使用壽命長達10年，傳輸速率高：可達幾百到幾十Kbps，工作頻率高而且免費：ISM頻段包括433、868、915 MHz等，還有容量大、組網靈活、安全性高等特點[6]。并且在復雜環境下，其融合的前向糾錯編碼技術能夠確保數據采集傳輸的準確性。因此，LoRa技術在本系統中的應用正好解決了水質監測所要求的成本低、抗干擾能力強及傳輸距離遠等問題[7]。

圖4 上位機程序處理流程

4 系統運行與測試

系統的前面板劃分為數個部分，包括各測量值的波形顯示、串行通信參數設置、參數閾值設置及其報警燈顯示、日期時間顯示、數據保存和停止運行等。其中系統的參數閾值設定，可以根據不同的水質監測要求來進行調整設定，這樣可以滿足不同的水質監測需求。

當Ames試驗不適用時（如受試物存在抑菌性），基于哺乳動物細胞的小鼠淋巴瘤細胞tk基因突變試驗（MLA）和HPRT基因突變試驗或為受試物的致突變性評價的備選方案。此外，也可使用TK6細胞或L5178Y細胞通過流式細胞計數法檢測表型為GPI（‐）的細胞出現率（即體外Pig‐a基因突變試驗）對受試物的致突變能力進行評價［26］。然而，體外Pig‐a基因突變試驗當前處于開發階段，其檢測效果尚有待大規模實驗室間驗證。

本系統對自來水的水質進行了遠程多參數采集驗證測試，為展示系統的Labview監控界面運行效果，從下位機采集到的傳感器數據處理后，通過LoRa無線模塊被傳輸到了上位機的Labview監控界面，界面出現了PH值、ORP值、COD值、渾濁度值、溶解氧值和氨氮值的實時數值和波形顯示畫面。系統測試表明，本系統能夠有效地對水質進行多參數監測。

5 結束語

本文結合嵌入式技術、LoRa無線通信技術、Labview虛擬儀器技術設計了一個遠程無線多參數水質監測系統，經測試驗證，本系統能有效地對包括PH值、COD值、ORP值、渾濁度值、氨氮值和溶解氧值在內的六項水質參數進行遠程實時監測，并在Labview虛擬儀器界面實時數值和波形顯示，同時具有閾值設置報警和數據存儲功能，給用戶帶來直觀的水質監測畫面。本系統具有水質參數采集效率高、靈活便捷、傳輸實時和遠程監控等優點，具有較高的應用價值。