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水质监测数据传输网络设计.pdf
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水质监测数据传输网络设计
摘 要:随着电子技术的不断进步,新概念的不断提出,人们对于生活的要求也在不
断的提高,智能化自动化的概念也逐渐的深入人心。伴随着生命之源的不断消耗,人
们对于淡水资源的关注度也在提高。本课题就是以智能检测为主题进行设计的一款集
检测、监测于一体的水质在线监测系统。本系统能够实时监测温湿度、水位、浑浊度
值,并可以通过无线模块传输此时的监测值。用户采用手机 APP 即可查看此时检测的
数据,非常方便。系统的硬件设计包括 STM32 系统处理器电路、温湿度传感器模块、
水位监测模块、WIFI 模块、浑浊度监测模块设计;软件设计主要包括系统主程序、温
湿度采集程序、WIFI 传输子子程序。最终通过实测表明系统设计达到设计要求,所有
功能均实现。
关键词:STM32;WIFI;温湿度;水位;浑浊度
目 录
1 绪 论 ........................................................... - 1 -
1.1 设计背景..................................................... - 2 -
1.2 设计现况和意义............................................... - 2 -
1.3 本文主要内容................................................. - 3 -
2 系统的方案设计 ................................................... - 3 -
2.1 系统主要模块................................................. - 3 -
2.2 系统结构..................................................... - 4 -
3 系统的硬件设计 ................................................... - 5 -
3.1 主处理器系统电路............................................. - 5 -
3.2 温湿度模块................................................... - 5 -
3.3 水位监测模块................................................. - 6 -
3.4 浑浊度检测模块............................................... - 6 -
3.5 Wifi 模块接口 ................................................ - 7 -
4 系统的软件设计 ................................................... - 7 -
4.1 主程序....................................................... - 8 -
4.2 温湿度检测子程序............................................. - 9 -
4.3 Wifi 传输子程序 ............................................. - 10 -
5 系统测试 ........................................................ - 12 -
5.1 测试流程.................................................... - 12 -
5.2 测试结果.................................................... - 13 -
结论 ............................................................... - 15 -
参考文献 ................................................ 错误!未定义书签。
附录 .................................................... 错误!未定义书签。
1 绪 论
1.1 设计背景
水是生命之源,人类在生产生活中都离不开水。在地球水圈中,水资源的总量为
1.37×
10
9
km
3
,其中海水约占总量的 97.3%,淡水仅占其 2.7%。淡水所占比例
不但少,而且大部分分布在地球南北极冰雪覆盖下的冰川、冰盖中,而可利用的淡水
资源就只有河流、淡水湖和地下水的一部分,还不到总量的 1%
[1]
。现如今随着社会经
济的发展、科学的进步和人民生活水平的提高,环境污染越来越严重,其中,水环境
污染最为严重。在水资源日益短缺的今天,水质问题受到了更多地关注,因此对水质
进行测试能使我们更好地保护水资源,保证合格的水质,这对正常生产、保证产品质
量和人们健康具有非常重要的意义。
随着中国社会经济的快速发展,城市化和工业化的加速,城市和工业废水大量流
入江河湖泊水库,地表水和地下水污染严重,问题日益严重。根据中国环境状况公报,
2001 年全国 13 个主要水文系统(扬子江、黄河、珠江等)控制的 400 个省级水质监测特
征中,56%与第一类水质有关。这个增加率为 26.1%,第五类的水质介绍增加了 16.1%。
显示了我国的水质污染有每年减少的倾向。第五类水质为 43.0%。第二类湖泊只占 7%。
据 2006 年统计,由于水污染,中国每年遭受 700 亿元的经济损失。保护水环境和治理
水污染是我国经济发展的急迫问题。
地球上的土地面积很少,大部分的部分都是水,所以说地球还可以成为一颗水星,
但是尽管水占地球的大部分区域,而其中的淡水资源却很少,整体的淡水资源只占地
球的百分之一。就在这仅有的百分之一的淡水资源随着工业化的破坏和人们的不节约,
在很多淡水都是冰山的时候,人们可用的淡水也越来越急缺。随着电子技术、传感器
技术、计算机技术、现代通信技术等高新技术的发展,使安全技术逐渐发展起来。人
们也开始逐渐关注节约水资源和针对污染水质进行治理。对于水质的检测国家和社会
也是逐渐增加了关注度和支持力度,技术人员也不断地更新检测技术,对于检测方案
也是越来越多。
1.2 设计现况和意义
进入二十一世纪以来,电子技术的概念不断进步和发展,人们对于计算机,物联
网都有了一定的认识和基础,慢慢接受并享受电子技术带来的方便和快捷,人们的生
活水平也在不断的提高,随着温饱问题的解决,生活的质量要求也随之升高,人们更
多地注重于安全,这个安全包括:生活安全和食品安全,尤其是水质安全问题。这时,
电子技术和人们需求相结合就诞生了水质在线检测的这个新概念,以一个大型的物联
网城市,进行分别连接各家各户的智能点,进而形成一个智慧城市的大框架,在这个
大框架下,智能水质监测是最基础也是最重要的点,国家也在积极支持和发展这方面
的技术和方法,智能检测成为时代的主题。
水质监测的重点是特定的含水层(例如河流、湖泊、水库、海洋)。对水质的几个参
数进行测定和分析,对污染物质的种类和污染物质浓度的状况进行测定和评价。科学
家不仅要管理污染源,还要紧急处理水污染事故。另外,政府制定开发计划,支持环
保部数据,加强水生环境保护,水质监测对加强水环境保护和管理非常重要。解决我
国的水污染危机。
现在,世界上对水质监测的重视程度很高,各国都制定了符合实情的水质标准和
水质监测标准。水质标准和水质监测技术标准也在制定中。例如,国家地表水质标准(GB
3838.ANE 2002)、国家地下水质量标准(GB/T 1448.93)和水质监测标准(SDL 27.84)。目前
市场上的主要的水质监测探测器是人工进行化学监测,消耗人工和资源,而且要得到
水质的结果不及时。针对这种情况,实时水质监测系统就显得尤为重要。经过特定的
水质检测器进行定点水质检测,经过微系统处理器获得该点的水质信息,并实时传输
到液晶显示模块上。该系统将实时显示水质情况,可以做到在线观看。
水质在线监测系统是针对水质的安全风险而设计的,如水的一些参数:温度,浑
浊度,湿度,水位等。
1.3 本文主要内容
本文所设计的水质数据监测系统以 STM32 单片机为控制核心,电路按照实际电路
功能划分,通过具体的硬件电路设计结合软件编程,实现了所需要的基本功能。每一
章的具体内容如下:
第一章绪论主要讲述了课题研究的背景、研究意义以及国内外研究现状,通过对
比表明了当前研究的必要性;
第二章主要讲述了系统总体设计过程,首先阐明了系统设计要求,随后介绍了系
统设计的各个模块,最后介绍了系统整体结构;
第三章主要是讲述了系统的硬件设计过程,包括 STM32 系统处理器电路、温湿度
传感器模块、水位监测模块、WIFI 模块、浑浊度监测模块设计;
第四章主要讲述了软件设计,主要包括系统主程序、温湿度采集程序、 WIFI 传输
子子程序;
第五章讲述了系统的测试过程以及测试结果,并给出相应详细的分析过程。
2 系统的方案设计
2.1 系统主要模块
1.处理器
采用 STM32 单片机作为系统控制器,STM32F103RCT6 是由意法半导体公司出品的
STM32F103 系列的微处理器。STM32 最高频率可达 72MHz,它有零等待的存储器访
问、基于哈佛结构并带有 3 级流水线特性和其高效的处理效率保证能够实时高效的处
理水表取数和上传数据。STM32 自带 64k 字节 Flash,它具有多种低功耗模式:等待、
活跃停机、停机模式,外设的时钟可单独关闭。在停机模式下, STM32 的功耗仅仅
4.5uA 左右,完全能够满足智能控制的供电要求,这实现并保证了整个系统的低功耗
特性
[9]
。
2.无线通信模块
Esp8266ex 是一个完整且集成的 WLAN 网络解决方案,可以独立运行,也可以作为
另一个主机 MCU 上的从属运行,如果 Esp8266ex 配备了应用处理器作为设备中唯一的
应用处理器,则可以直接从外部闪存启动。内存有助于提高系统性能并减少内存需求。
如果 esp8266ex 负责 WLAN 适配器的任务,则可以将其添加到任何基于微控制器的设计
中。只需通过 SPI / SDIO 或 I2C / UART 即可轻松实现连接。esp8266ex 除了具有 WLAN
功能外,还集成了 32 位处理器和 Tensilia l106 钻孔系列的 SRAM,具有强大的处理
和存储选项。乐信提供的软件开发套件(SDK)包含各种示例代码。Esp8266ex§
122200Grad§2;内部集成包括天线开关,RF 巴伦,功率放大器,低噪声接收器放大器,
滤波器和电源管理模块,因此整个解决方案只需很少的外部电路,并且占用的电路板
空间最小。ESP8266 模块非常小(19mm*29mm),模块通过 6 个 2.54mm 间距的排针
与外部连接,方便大家安装到自己的设备里面;相比 TC35i,ATK-ESP8266 体积更小,
速率更高,功耗更低,支持的频段也更为丰富,因此系统采用该模块进行设计。
3.温湿度监测模块
在传统的信号测量标准系统中,必须以惊人的方式解决诸如不正确信息排序之类
的技术问题,例如变量中的误差转换和电路中的电路偏差。另外,正常观察点是产生
强信号干扰的弱电磁环境,并且模拟的温度信号易于失真,失真和指定。结果,用于
测量温度的解决方案对于系统中的新数字温度的干扰是有效的;这些问题的解决方案是
一种有效的解决方案,非常适合新的数字热传感器和更小,更精确和更高的电压,以
及更广泛的电缆应用和网络。
2.2 系统结构
该系统由监测终端和手机 APP 组成,监测终端负责监测水质数据,当开启时,
WIFI 通信自动连接,将采集的数据通过无线传输的方式传递到手机 APP 端,用户可以
随时查看此时测量的实时数据。同时,监测系统可安装干电池和蓄电池两种电源,两
种电源可自动切换,也可以只安装一种电源,供电方式多样。系统原理框图如下图所
示。
手机 APP WIFI 模块
主控芯片
温湿度模块
水位模块
浑浊度模块
图 2.2 系统结构
系统的监测终端由主控芯片、温湿度模块、水位模块、浑浊度模块以及WIFI 模块
构成,WIFI 模块和手机 APP 进行通信。
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春哥111
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