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农田水利论文：浅析农用灌溉水水质检测系统研究
来源：985论文网 添加时间：2020-01-08 10:27
摘 要： 近年来，由于生活垃圾和工业污水的污染，农用灌溉水水体污染严重，较多灌溉区水质发生了很大变化，不再符合农业灌溉标准。为了实现对水参数的监测，提出了一套基于无线传感设备网络的水质监测系统。
该系统以无线传感器为基础，通过无线传感设备网络采集水质的 pH 值、温度及溶氧量等信息，并通过节点完成数据传输与处理，实现对水质环境参数的有效监测。系统以 STC15F2K60S2 单片机为核心处理器，完成对数据的采集、处理以及通信。试验结果表明： 该系统测量精准，运行稳定，数据传输丢包率低。
关键词： 水质监测； 无线传感； 农用灌溉； G P R S 模块； STC15F2K60S.
0 引言。
农业灌溉用水水质检测主要包括温度、含盐量、pH 值、有毒害的重金属离子和溶氧量等衡量水污染的因素。本文重点对灌溉用水的温度、溶氧量和 pH值进行实时测量和监管。农业灌溉用水水质检测系统主要由无线传感设备节点、路由器网络、单片机及GPRS 模块组成，结构如图 1 所示。
在农业用水水质检测区，传感器节点和路由器均匀分布，构成一个完整的网络。传感设备节点负责测量灌溉区水质的监测信息，然后由路由器网络将数据通过网络的方式传送至汇聚节点处； 汇聚节点接收和处理整个网络节点的数据信息，通过串口方式将数据信息发送至智能处理器，由其将信息进行分析、处理后通过人机界面显示出来，提供可靠的水环境参数信息。汇聚节点的信息也可以通过 GPRS 无线传输模块发送至远程在线监测中心，或直接给用户提供警告信息。
1 网络节点结构及硬件设计。
无线传感器节点主要包括温度、溶氧量和 pH 值等传感器组成的网络，由路由器网络节点通过串口与处理器中心完成数据的传输和接送； 在采集、处理、传输的过程中，还要实时实现与其他网络节点的联系。
1. 1 硬件组成。
无线传感设备网络节点由多种传感器、调理电路、串行接口、时钟电路、JTAG 调试接口和无线传输模块组成。传感器模块主要 pH 值、温度、溶氧量等水质传感器电路组成； 调理电路由放大和 AD 转化电路组成； 单片机模块、无线传输模块和电源电路构成系统的核心处理板。无线传感设备网络节点结构如图 2所示，设备实物图如图 3 所示。处理器采用 STC15F2K60S2 加强型单片机，突出特点是抗扰性强、功耗低、处理速度快、无需外部晶振和外部复位等，特别适用于远程检测现场。无线模块采用微功率、传输频段可调的 nRF24L01 新型收发器件，功耗低，具有多种低功率工作模式，易于实现低功耗的设计。
该系统以无线传感器为基础，通过无线传感设备网络采集水质的 pH 值、温度及溶氧量等信息，并通过节点完成数据传输与处理，实现对水质环境参数的有效监测。系统以 STC15F2K60S2 单片机为核心处理器，完成对数据的采集、处理以及通信。试验结果表明： 该系统测量精准，运行稳定，数据传输丢包率低。
关键词： 水质监测； 无线传感； 农用灌溉； G P R S 模块； STC15F2K60S.
0 引言。
农业灌溉用水水质检测主要包括温度、含盐量、pH 值、有毒害的重金属离子和溶氧量等衡量水污染的因素。本文重点对灌溉用水的温度、溶氧量和 pH值进行实时测量和监管。农业灌溉用水水质检测系统主要由无线传感设备节点、路由器网络、单片机及GPRS 模块组成，结构如图 1 所示。
1 网络节点结构及硬件设计。
无线传感器节点主要包括温度、溶氧量和 pH 值等传感器组成的网络，由路由器网络节点通过串口与处理器中心完成数据的传输和接送； 在采集、处理、传输的过程中，还要实时实现与其他网络节点的联系。
1. 1 硬件组成。
无线传感设备网络节点由多种传感器、调理电路、串行接口、时钟电路、JTAG 调试接口和无线传输模块组成。传感器模块主要 pH 值、温度、溶氧量等水质传感器电路组成； 调理电路由放大和 AD 转化电路组成； 单片机模块、无线传输模块和电源电路构成系统的核心处理板。无线传感设备网络节点结构如图 2所示，设备实物图如图 3 所示。处理器采用 STC15F2K60S2 加强型单片机，突出特点是抗扰性强、功耗低、处理速度快、无需外部晶振和外部复位等，特别适用于远程检测现场。无线模块采用微功率、传输频段可调的 nRF24L01 新型收发器件，功耗低，具有多种低功率工作模式，易于实现低功耗的设计。
为了保证数据监测的准确性和可靠性，传感器模块采用集成模块，pH 值和溶氧量检测使用上海罗素公司的 pH 电极与溶氧电极。pH 电极测量范围为 0 ~14,其内部集成了热敏温度，可实现对水温的测量； 溶氧电极测量范围为 0. 0 ~ 19. 9mg/L,测量精度为 ±2. 5% F. S.
1. 2 pH 值检测电路由于 pH 电极输出的信号为单片机无法采集 mV级的数字量，因此需要在检测部分加入一级放大电路。调理电路中采用 INA118P 运算放大器构成放大电路，放大后的电压信号在 0 ~ 5V 之间。pH 检测电路原理图如图 4 所示。
检测电路输出电压为：
其中，Vin为 pH 复合电极之间的电压值； R1为可调电阻的电阻值； Vph为发送给单片机检测处理的电压值。
1. 3 温度检测。
为了节省系统的成本，本研究采用 pH 电极内部的热敏电阻测量灌溉水水温。在检测电路中，温度检测电路电压输出为 0 ~ 5V 之间，适合单片机采集处理。温度检测原理如图 5 所示。
图 5 中，Rt为热敏电阻，其阻值跟着水温的变化而变化，该电路的电压信号输出值为：
1. 4 溶氧量检测。
本文采用 DO -952 溶氧电极测量水中的溶氧量，该传感器能够提供长期稳定、准确、可靠的溶解氧测量数据，具有功耗低的特点，是远程在线环境监测的理想选择。其输出范围为 4 ~ 20mA,因此需要采用放大电路来为信号进行放大处理。溶氧量检测原理图如图 6 所示。
溶氧量检测电路采用两级放大，其原理是将电极输入信号加到前级的输入端，经过前级放大后再次加到后级的输入端，再经后级放大。该检测电路的电压输出值为：
1. 2 pH 值检测电路由于 pH 电极输出的信号为单片机无法采集 mV级的数字量，因此需要在检测部分加入一级放大电路。调理电路中采用 INA118P 运算放大器构成放大电路，放大后的电压信号在 0 ~ 5V 之间。pH 检测电路原理图如图 4 所示。
1. 3 温度检测。
为了节省系统的成本，本研究采用 pH 电极内部的热敏电阻测量灌溉水水温。在检测电路中，温度检测电路电压输出为 0 ~ 5V 之间，适合单片机采集处理。温度检测原理如图 5 所示。
本文采用 DO -952 溶氧电极测量水中的溶氧量，该传感器能够提供长期稳定、准确、可靠的溶解氧测量数据，具有功耗低的特点，是远程在线环境监测的理想选择。其输出范围为 4 ~ 20mA,因此需要采用放大电路来为信号进行放大处理。溶氧量检测原理图如图 6 所示。
其中，Vin为溶氧传感器输出的电压值； R8和 R12为可调电阻的电阻值； Vo为发送给单片机检测处理的电压值； K 为电压放大倍数。
2 GPRS 数据传输网络的设计。
由于农用灌溉水水质监测各传感器监测点所处位置具有很大的不确定性、分布比较分散、通讯条件极为不便，为了实现监测点数据的上传，在从监测点远程监管中心的网络组建上，最经济的方法是采用GPRS 方式。
GPRS 是一项高速数据处理的技术，其方法是以“分组”的形式传送数据。GPRS 模块在初始化、建立连接、发送指令和收集数据都需要根据协议进行。GPRS 数据传输流程如图 7 所示。
GPRS 数据传输过程为： 首先进行初始化操作，然后发送 AT 指令，完成双方协议的认证； 在确定 PPP 连接后，获取 IP 连接地址，进行数据的采集； 最后建立Socker 数据库链接，完成 TCP / IP 数据的发送。
3 软件设计。
3. 1 微处理器程序设计。
STC15F2K60S2 单片机软件开发基于 Keil C51集成开发环境，采用 C 语言编程。该软件开发包括传感器节点、路由器网路节点、汇聚节点和 GPRS 通讯软件等。其中，传感器节点负责水质温度、pH 值及溶氧量的采集； 路由器网路节点负责数据的传输； 汇聚节点则作为基站，同步向远程检测中心发送数据信息。
本文以传感器节点为例，介绍软件模块化设计方法，主要包括传感器节点的初始化、数据采集和通信模块。传感器节点流程如图 8 所示。
底层传感器每隔 30min 采集 1 次水质参数，完成数据采集后立即进入睡眠模式，满足系统低功耗的要求； 同时采用定时方式完成数据的传输，在这段时间内汇聚节点可以同时接受和发送数据。当传感器节点收到校准的同步信息时，调整节点的定时时间，然后自动进入低功耗模式，等到下一轮数据采集时才重新唤醒。
3. 2 远程监测中心软件设计。
远程监测中心软件采用 Labview 开发，实现对农业灌溉用水水质的检测和管理。单片机通过无线传感器采集数据，并调用外部模块程序将数据以文档的形式进行存储，并通过 GPRS 的形式将文档发送给远程监测中心。远程监测中心可根据显示界面实时查看灌溉区水参数，种植人员也能以用户登录的方式远程访问互联网查看采集到的数据信息。远程监测中心软件框架如图 9 所示。
远程监测中心软件主要包括设置、实时监测、数据处理和用户管理4 个方面。设置模块主要是对水质标准和数据传输的参数进行设置； 实时监测是利用无线传感器网络对水质参数进行采集，当水质不合格时进行报警； 数据模块是对采集到的数据信息进行实时的处理和预警； 用户管理则可根据工程师和使用人员进行特定的登录权限和访问特定的数据信息。
4 系统实地检测。
为了验证基于无线传感设备网络的农用灌溉水水质监测系统的可行性、有效性及稳定性，在某一天将某一灌溉区用水实地检测的数据与专门的检测仪测量结果进行对比分析，测量间隔为 30min,判断该系统的准确性。pH 值对比结果如表 1 所示，溶氧量测试结果如表 2 所示。
由表 1、表 2 可以看出： 本系统测量值与专用仪器测量结果大致相同，其中溶氧量相对误差在 3% 以内，溶氧量相对误差在 2% 以内，测量比较精准，且系统运行稳定，数据传输丢包率低，符合水质监测标准，能够满足灌溉用水水质参数的实际测量要求。
5 结论。
本文研究的农用灌溉水水质检测系统，采用无线传感设备网络采集水质的 pH 值、温度及溶氧量的参数信息，并可通过汇聚节点实现数据的无线传输和处理，实现水质环境参数的远程监测。实地测量结果表明： 该系统测量精准，运行稳定，数据传输丢包率低，溶氧量相对误差在 3% 以内，溶氧量相对误差在 2% 以内。因此，该系统符合水质监测标准，能够满足灌溉用水水质参数的实际测量要求，对实现农业灌溉水质监测具有重要的意义。
2 GPRS 数据传输网络的设计。
由于农用灌溉水水质监测各传感器监测点所处位置具有很大的不确定性、分布比较分散、通讯条件极为不便，为了实现监测点数据的上传，在从监测点远程监管中心的网络组建上，最经济的方法是采用GPRS 方式。
GPRS 是一项高速数据处理的技术，其方法是以“分组”的形式传送数据。GPRS 模块在初始化、建立连接、发送指令和收集数据都需要根据协议进行。GPRS 数据传输流程如图 7 所示。
3 软件设计。
3. 1 微处理器程序设计。
STC15F2K60S2 单片机软件开发基于 Keil C51集成开发环境，采用 C 语言编程。该软件开发包括传感器节点、路由器网路节点、汇聚节点和 GPRS 通讯软件等。其中，传感器节点负责水质温度、pH 值及溶氧量的采集； 路由器网路节点负责数据的传输； 汇聚节点则作为基站，同步向远程检测中心发送数据信息。
本文以传感器节点为例，介绍软件模块化设计方法，主要包括传感器节点的初始化、数据采集和通信模块。传感器节点流程如图 8 所示。
3. 2 远程监测中心软件设计。
远程监测中心软件采用 Labview 开发，实现对农业灌溉用水水质的检测和管理。单片机通过无线传感器采集数据，并调用外部模块程序将数据以文档的形式进行存储，并通过 GPRS 的形式将文档发送给远程监测中心。远程监测中心可根据显示界面实时查看灌溉区水参数，种植人员也能以用户登录的方式远程访问互联网查看采集到的数据信息。远程监测中心软件框架如图 9 所示。
4 系统实地检测。
为了验证基于无线传感设备网络的农用灌溉水水质监测系统的可行性、有效性及稳定性，在某一天将某一灌溉区用水实地检测的数据与专门的检测仪测量结果进行对比分析，测量间隔为 30min,判断该系统的准确性。pH 值对比结果如表 1 所示，溶氧量测试结果如表 2 所示。
5 结论。
本文研究的农用灌溉水水质检测系统，采用无线传感设备网络采集水质的 pH 值、温度及溶氧量的参数信息，并可通过汇聚节点实现数据的无线传输和处理，实现水质环境参数的远程监测。实地测量结果表明： 该系统测量精准，运行稳定，数据传输丢包率低，溶氧量相对误差在 3% 以内，溶氧量相对误差在 2% 以内。因此，该系统符合水质监测标准，能够满足灌溉用水水质参数的实际测量要求，对实现农业灌溉水质监测具有重要的意义。
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