无线传感器网络的饮用水源监控系统设计软件子系统(附件)
我国市场上水源环境参数智能监控系统的智能化程度和科学技术水平比较低，这种监控系统仅能够解决一定的数据处理功能，而且很难实时进行大量处理数据和对各饮用水源环境参数进行高效智能化调节。 考虑到影响饮用水源地水质关键的环境参数有温度、 TDS值、 浑浊度、PH值、溶解氧和盐度等多种因素，本文提出设计一种基于无线传感器网络的饮用水源监控系统，本系统以STM32F103C8T6单片机为主控芯片，构建基于无线传感器网络技术的饮用水源环境参数智能监控系统，该系统由终端探测节点、数据汇聚处理节点、web服务器和数据监控处理器等四层组成，其中系统的终端探测节点主要由传感器，控制器和无线通讯模块组成；数据汇聚处理节点和web服务器主要由树莓派搭建Linux系统并运行Django框架和MySQL数据库的程序实现；数据监控处理器由移动便携设备组成，用户可以通过电脑或手机的浏览器可以实时监测、控制以及数据处理分析。无线通讯模块采用芯片型号为CC2530F256的无线通讯模块；所涉及到传感器包括DS18B20温度传感器，TDS水质电导率传感器，ＰＨ值传感器和浑浊度传感器；web服务器为一台PC机，连接无线数据汇聚处理节点并接收数据，提供web服务以实现数据查询及分析。Web服务器运行一个采用C++程序接收基于无线传感器的检测设备发回来的温度、TDS值、浑浊度和PH值的数据并存入数据库。关键词 无线传感器、溶解氧、TDS值、PH值、温度
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的研究背景和意义 1
1.2 国内外现状和发展趋势 1
1.3 本设计的研究内容 3
1.4 总体设计思路 5
2 系统的总体方案及节点设计 5
2.1 系统总体方案设计 5
2.2 系统的节点设计 7
3 终端探测节点检测单元最小系统设计 9
3.1 检测单元的功能设计 9
3.2 主控制器的选择 9
3.3 检测单元中各端口设计 10
3.4 无线通信接口设计 12
4 数据汇聚处理节点监控的软件部分 16
4.1 子系统监控端软件总体设计 16
4.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
子系统监控端程序设计 18
5 系统调试 21
5.1 无线模块收发程序调试 21
5.2 饮用水源监控系统总调试 23
5.3 调试结果 25
结论 28
致谢 30
主要参考文献 31
1 绪论
1.1 课题的研究背景和意义
中国的饮用水资源丰富，全国各地分布的河流、湖泊和海洋，为我国提供了大量的水资源，据相关文献记载，我国水资源总量已经位居世界第四，但中国是一个人口大国，人均占有量很少，而且地区分布不均匀。在中国大约90%的城市遭受着严重的水污染,许多城镇饮用水水质达不到国家标准。在制造业相对发达的今天，工厂排放未经过处理的生产用水至湖泊的现象时有发生，在偏远地区，由于监管不到位，大量的生活废水被排进河流使得饮用水源水质被污染，因而引发了多种疾病，对我们的身体健康造成严重的威胁，加上城市供水系统局部落后，导致水资源严重浪费，加剧了水资源匮乏的境况。在上世纪初，中国的饮用水源水质监测技术相对落后，大部分饮用水源监测设备都是从国外进口，但随着监测技术的不断发展，中国不断地进行技术革新，不断地加大研发力度，如今国产设备的数量正逐渐增加。传统的远端数据采集设备因其处理性能低下、功能简单而不能满足市场需求，我们对水质监测设备的要求也越来越高。基于无线传感器的饮用水源监控系统不仅要对饮用水源地水环境的温度，PH值，TDS值，浑浊度和溶解氧等重要参数进行监测，更要符合我国近年来水质变化的趋势，生成饮用水源地水质报告，在监测参数不符合要求的时候，能够快速响应采取人工干预。
1.2 国内外现状和发展趋势
我国从八九十年代已经开始对饮用水源环境参数的研究，研制饮用水源环境参数智能监控系统和智能控制系统中的试验应用工作从未间断，但目前我国市场上水源环境参数智能监控系统的智能化程度和科学技术水平比较低，这种监控系统仅能够解决一定的数据处理功能，而且很难实时处理大量数据和对各个饮用水源地站点的环境参数进行集中监测。在科学技术飞速发展的今天，中国越来越越重视无线传感器的研究，也攻克了无线传感器技术一些疑难问题，把无线传感器网络技术、智能控制技术和计算机软件技术同饮用水源环境参数高效监控结合是当前饮用水源环境参数监控的研究热点，无线传感器网络技术和智能控制技术的的结合提高了饮用水源环境参数监控的能力，智能化的饮用水源环境参数监控系统也有效地降低了监测成本，提高监测经济效益，同时最大程度上保证了人类饮用水质的安全。
通过对我国与国外在饮用水源环境参数监控的研究成果相比较，一些水质监测技术发达国家着手研究饮用水源地水质智能监控系统较早，而且取得比较好的经济效益。在整个饮用水源地的水源环境监控中引入无线传感器技术、智能控制技术和计算机软件技术，不仅可以对饮用水源地水质的温度、溶解氧、ph值、tds值和浑浊度等参数监测，还能够根据污染源的污染类型、气象参数、环境参数构建基于智能控制理论的环境参数预测模型，通过历史数据及其特定的边界条件，模拟重点监控的污染指标、扩散速度和可能发生污染的地区及可能引发污染事故的污染源提出预警，预测饮用水源地水环境污染的发展趋势，然后通过人为干预，采取相应的措施，以减少污染的可能性。另外，通过调看各个水源地水环境参数的历史数据和时间，研究人员可以利用时空趋势模型预测各个饮用水源地水环境污染增长和减少规律， 预测水环境污染的发展趋势，宏观掌握各个饮用水源地水环境污染的概率分布图，能尽早地给水环境污染源规划提供决策和快速响应进行人工干预。根据参数得到的结果，对不同的水域进行污染源削减，重新获取数据，将削减前后的数据进行动态和静态的对比，以此来判断削减方案的理性。传统的水源地监测设备使用有线方式采集传感器数据，不能够实现数据实时上报，大多设备存在延时上报数据，而且安装和维护困难,基于这种现状，我们设计了一种基于无线传感器网络的饮用水源监控系统,它能对各个饮用水源地的水环境的各项参数进行远程实时监控。
根据现有饮用水源地水环境监测的特点以及在实际监测过程的存在的一些问题，我们提出了一种基于无线传感器网络的饮用水源监控系统的设计方案，该方案自提出起，我们团队反复论证，对软硬件的设计反复斟酌，最终我们采用自组织的方式搭建无线传感器网络，将装有多种传感器的终端探测节点投放到饮用水源地，由终端探测节点中的各传感器采集饮用水源地水环境的温度，PH值，TDS值和浑浊度等参数的数据，将数据传输给数据汇聚处理节点显示并保存至数据库，数据监控处理中移动便携设备通过无线网访问局域网，读取数据库中的所存储的终端探测节点各时间段的监测数据。由此可以实现对饮用水源地水环境的各项参数实时远程监测和数据分析，极大地方便了用户对各个站点的终端探测节点监测历史数据查询。我们采用无线监测系统与有线监测系统相比，极大地节约了监测的成本，数据传输更加安全可靠，具有较强的实用性。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的研究背景和意义 1
1.2 国内外现状和发展趋势 1
1.3 本设计的研究内容 3
1.4 总体设计思路 5
2 系统的总体方案及节点设计 5
2.1 系统总体方案设计 5
2.2 系统的节点设计 7
3 终端探测节点检测单元最小系统设计 9
3.1 检测单元的功能设计 9
3.2 主控制器的选择 9
3.3 检测单元中各端口设计 10
3.4 无线通信接口设计 12
4 数据汇聚处理节点监控的软件部分 16
4.1 子系统监控端软件总体设计 16
4.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
子系统监控端程序设计 18
5 系统调试 21
5.1 无线模块收发程序调试 21
5.2 饮用水源监控系统总调试 23
5.3 调试结果 25
结论 28
致谢 30
主要参考文献 31
1 绪论
1.1 课题的研究背景和意义
中国的饮用水资源丰富，全国各地分布的河流、湖泊和海洋，为我国提供了大量的水资源，据相关文献记载，我国水资源总量已经位居世界第四，但中国是一个人口大国，人均占有量很少，而且地区分布不均匀。在中国大约90%的城市遭受着严重的水污染,许多城镇饮用水水质达不到国家标准。在制造业相对发达的今天，工厂排放未经过处理的生产用水至湖泊的现象时有发生，在偏远地区，由于监管不到位，大量的生活废水被排进河流使得饮用水源水质被污染，因而引发了多种疾病，对我们的身体健康造成严重的威胁，加上城市供水系统局部落后，导致水资源严重浪费，加剧了水资源匮乏的境况。在上世纪初，中国的饮用水源水质监测技术相对落后，大部分饮用水源监测设备都是从国外进口，但随着监测技术的不断发展，中国不断地进行技术革新，不断地加大研发力度，如今国产设备的数量正逐渐增加。传统的远端数据采集设备因其处理性能低下、功能简单而不能满足市场需求，我们对水质监测设备的要求也越来越高。基于无线传感器的饮用水源监控系统不仅要对饮用水源地水环境的温度，PH值，TDS值，浑浊度和溶解氧等重要参数进行监测，更要符合我国近年来水质变化的趋势，生成饮用水源地水质报告，在监测参数不符合要求的时候，能够快速响应采取人工干预。
1.2 国内外现状和发展趋势
我国从八九十年代已经开始对饮用水源环境参数的研究，研制饮用水源环境参数智能监控系统和智能控制系统中的试验应用工作从未间断，但目前我国市场上水源环境参数智能监控系统的智能化程度和科学技术水平比较低，这种监控系统仅能够解决一定的数据处理功能，而且很难实时处理大量数据和对各个饮用水源地站点的环境参数进行集中监测。在科学技术飞速发展的今天，中国越来越越重视无线传感器的研究，也攻克了无线传感器技术一些疑难问题，把无线传感器网络技术、智能控制技术和计算机软件技术同饮用水源环境参数高效监控结合是当前饮用水源环境参数监控的研究热点，无线传感器网络技术和智能控制技术的的结合提高了饮用水源环境参数监控的能力，智能化的饮用水源环境参数监控系统也有效地降低了监测成本，提高监测经济效益，同时最大程度上保证了人类饮用水质的安全。
通过对我国与国外在饮用水源环境参数监控的研究成果相比较，一些水质监测技术发达国家着手研究饮用水源地水质智能监控系统较早，而且取得比较好的经济效益。在整个饮用水源地的水源环境监控中引入无线传感器技术、智能控制技术和计算机软件技术，不仅可以对饮用水源地水质的温度、溶解氧、ph值、tds值和浑浊度等参数监测，还能够根据污染源的污染类型、气象参数、环境参数构建基于智能控制理论的环境参数预测模型，通过历史数据及其特定的边界条件，模拟重点监控的污染指标、扩散速度和可能发生污染的地区及可能引发污染事故的污染源提出预警，预测饮用水源地水环境污染的发展趋势，然后通过人为干预，采取相应的措施，以减少污染的可能性。另外，通过调看各个水源地水环境参数的历史数据和时间，研究人员可以利用时空趋势模型预测各个饮用水源地水环境污染增长和减少规律， 预测水环境污染的发展趋势，宏观掌握各个饮用水源地水环境污染的概率分布图，能尽早地给水环境污染源规划提供决策和快速响应进行人工干预。根据参数得到的结果，对不同的水域进行污染源削减，重新获取数据，将削减前后的数据进行动态和静态的对比，以此来判断削减方案的理性。传统的水源地监测设备使用有线方式采集传感器数据，不能够实现数据实时上报，大多设备存在延时上报数据，而且安装和维护困难,基于这种现状，我们设计了一种基于无线传感器网络的饮用水源监控系统,它能对各个饮用水源地的水环境的各项参数进行远程实时监控。
根据现有饮用水源地水环境监测的特点以及在实际监测过程的存在的一些问题，我们提出了一种基于无线传感器网络的饮用水源监控系统的设计方案，该方案自提出起，我们团队反复论证，对软硬件的设计反复斟酌，最终我们采用自组织的方式搭建无线传感器网络，将装有多种传感器的终端探测节点投放到饮用水源地，由终端探测节点中的各传感器采集饮用水源地水环境的温度，PH值，TDS值和浑浊度等参数的数据，将数据传输给数据汇聚处理节点显示并保存至数据库，数据监控处理中移动便携设备通过无线网访问局域网，读取数据库中的所存储的终端探测节点各时间段的监测数据。由此可以实现对饮用水源地水环境的各项参数实时远程监测和数据分析，极大地方便了用户对各个站点的终端探测节点监测历史数据查询。我们采用无线监测系统与有线监测系统相比，极大地节约了监测的成本，数据传输更加安全可靠，具有较强的实用性。
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