无线传感器网络的饮用水源监控系统设计硬件子系统(附件)
本文介绍了一种基于无线传感器网络的饮用水源监控系统，本水质监测系统共有三个监测部分组成。终端探测部分可检测水质的温度、PH值、TDS和浑浊度等水质参数，硬件包括传感器、单片机、无线传输模块、树莓派、LCD显示模块等。传感器在现场采集相关数据，将模拟量通过A/D转换为数字量再传输给单片机，通过无线传输模块把数据传送给树莓派处理，把经过处理的测量结果存储在web服务器内，用户登录网站就可以查询水质参数相关信息。通过数据监控处理器中历史数据，可以分析出偶一个时间段内的污染指标、扩散速度和重点发生污染的地区。能够对监测水域预测环境污染的发生趋势，进而通过人为干预减少污染发生的可能性。关键词 饮用水源，无线传感器网络，单片机，A/D转换
目 录
1 引言 1
1.1本课题的研究背景 1
1.2饮用水源国内外研究现状 1
1.2.1国内研究现状 1
1.2.2国外研究现状 3
1.3本课题主要研究内容 3
2 总体方案设计 4
2.1系统结构 4
2.2方案选择 6
2.2.1树莓派 6
2.2.2 LCD选择 6
3 硬件设计 8
3.1 系统硬件组成 8
3.2 单片机介绍 8
3.2.1 STM32F103C8T6简介 8
3.2.2 STM32F103C8T6最小系统 9
3.3无线通讯模块NRF24L01 12
3.4 A/D 转换模块 15
3.5传感器及其调理电路 16
3.5.1温度传感器 16
3.5.2 PH值传感器 19
3.5.3浑浊度传感器 20
3.5.4 TDS测量原理 21
3.6树莓派三代B型 22
3.6.1树莓派三代B简介 22
3.6.1树莓派三代B型与NRF24L01模块 23
3.7 PCB制作 24
4 软件设计 26
4.1数据接收模块软件设计 26
4.2子系统监控端程序设计 27 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
5 系统调试 28
5.1监测系统调试 28
5.2数据处理系统调试 29
5.3数据处理系统汇总分析 30
结 论 33
致 谢 34
参 考 文 献 35
附录 37
1 引言
1.1本课题的研究背景
我国水资源总量占全球水资源的6%，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，位列世界第四位。但是我国疆土辽阔、人口基数大，人均水资源量只有2100立方米，远远低于世界人均水资源占有量，是世界上人均水资源最贫乏的国家之一。中国现在面临着人多水少的重大难题，再加上中国的人口和水资源东西南北分布不均匀，加剧了水资源短缺、污染严重、生态恶化等问题的发展。我国的城市和乡村都有不同程度的缺水问题，绝大部分城市都会有供水不足的问题发生，而农村更有近3亿人口饮水不安全。城市给人们提供了高质量的生活品质和经济的快速发展但同时也带来了污水量大排放等问题，现在的城市水环境面临十分严峻的形势。 由于污水排放导致水质污染，据报告显示约有50种疾病与饮用水饮用水源污染直接相关，对我们的身体健康带来严重的威胁；再加上人们的节水意识淡薄、城市供水系统不完善，致使水资源不断地浪费，造成我国水不够用的现状。
我们需要针对不同的群体设定一个饮用水标准，只有达到饮用标准才可以确保人类健康生存。通过实时监测也可以让人们了解自己所处的环境，减少安全事故的发生的概率，同时也推动了水质监测行业的发展。伴随着我国城市供水量的日益增长，运用自动化技术能合理分配城市供水需求，推进饮用水源监测技术智能化发展。 这不仅提高了水质监测的效率，而且节省了人力成本，是我国饮用水源监测技术的一个进步。运用自动控制技术对水源实时监测，再配合监测终端设备，就可以对水质参数进行汇总分析，用户可以根据实际需求做出最合适的调整方案。 饮用水源终端探测节点包括无线传输模块、单片机STM32F103C8T6以及四种传感器完成对温度、浑浊度、PH 值和TDS的监测。饮用水源数据汇聚处理节点可以接收终端探测节点的数据包，并存储在数据库中以备日后查用。数据监控处理器会将所有的数据分类分析，用户可以通过管理员授权账户登陆查询当前的水质状况。当监测水域水质参数超过系统预设阈值，系统将会发出警告提醒用户处理问题，这样用户就可以在手机上随时监控水域水质，节省了人们的时间和精力。
1.2饮用水源国内外研究现状
1.2.1国内研究现状
保护饮用水源免受污染是解决我国饮用水安全的有效途径之一，因此针对水源地的保护制定一系列法律法规是确保供水系统安全的关键环节。为了保证我国城市与乡村居民都能使用安全且充足的饮用水，国家出台了一系列的法律法规来保障居民用水安全。 近年来，国家不断推进中西部经济发展，越来越多的企业和居民都定居在中西部地区，这加剧了中西部地区的用水紧张，基于严峻的饮用水源现状，集成化的智能饮用水源监测设备孕育而生。 我国智能水质监测技术起步比较晚，但是发展的速度和规模都非常快。20世纪50年代，我国就建立的近千处水质监测站；70年代，国家环保部门在我国东南西北4大区域6大水系建立大量的水质监测点，制定了近20个水质参数来反应监测水域的水质状况；80年代，我国着重针对长江流域进行水质监测，并建立了自动水质监测站，这些监测站能够对水温、浑浊度、电导率、PH值等水质参数进行实时监测。
哈尔滨工业大学解决了水源与监测设备的距离问题，他们利用ZIGBEE的低功耗和GPRS的高速传输等优点技术实现了远程监测水质参数，实现了智能化的水质监测。杭州电子科大的同学利用所学知识研制一款水质监测机器人。这款“水上机器人”内置GPS模块，用户可以设置机器人的运动轨迹。当水质监测机器人在工作的时候，用户可以在客户端查看水质监测机机器人所在的位置，还能看到机器人的以往所有运动轨迹。水质监测机器人会及时向服务器发送监测结果，当某一水域的值超出阈值时，机器人会自动向用户发送警报。江苏的维纳太科公司研究出一款基于微电脑技术和高精度传感器的水质监测仪器，它能够检测8种水质参数，监测的数据用电脑进行全面的分析。这款仪器利用大量的高精度传感器测量水源，并设置定时监测确保数据的更新，这些数据通过GPRS等方式传送给服务器，定制的分析软件会进行专业分析并生成报告。整套设备集成度高、价格低、便携性强。 因为省去建立监测站房和维护人员，所以降低了维护量和维护成本。设备能准确地监测目标水域的水质状况，服务器在一定时间内能够保存所有的检测结果，当检测结果过于陈旧时，系统会自动删除老旧数据。用户可以设定时间周期和水质参数生成个性化监测报告，以备分析讨论。
目 录
1 引言 1
1.1本课题的研究背景 1
1.2饮用水源国内外研究现状 1
1.2.1国内研究现状 1
1.2.2国外研究现状 3
1.3本课题主要研究内容 3
2 总体方案设计 4
2.1系统结构 4
2.2方案选择 6
2.2.1树莓派 6
2.2.2 LCD选择 6
3 硬件设计 8
3.1 系统硬件组成 8
3.2 单片机介绍 8
3.2.1 STM32F103C8T6简介 8
3.2.2 STM32F103C8T6最小系统 9
3.3无线通讯模块NRF24L01 12
3.4 A/D 转换模块 15
3.5传感器及其调理电路 16
3.5.1温度传感器 16
3.5.2 PH值传感器 19
3.5.3浑浊度传感器 20
3.5.4 TDS测量原理 21
3.6树莓派三代B型 22
3.6.1树莓派三代B简介 22
3.6.1树莓派三代B型与NRF24L01模块 23
3.7 PCB制作 24
4 软件设计 26
4.1数据接收模块软件设计 26
4.2子系统监控端程序设计 27 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
5 系统调试 28
5.1监测系统调试 28
5.2数据处理系统调试 29
5.3数据处理系统汇总分析 30
结 论 33
致 谢 34
参 考 文 献 35
附录 37
1 引言
1.1本课题的研究背景
我国水资源总量占全球水资源的6%，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，位列世界第四位。但是我国疆土辽阔、人口基数大，人均水资源量只有2100立方米，远远低于世界人均水资源占有量，是世界上人均水资源最贫乏的国家之一。中国现在面临着人多水少的重大难题，再加上中国的人口和水资源东西南北分布不均匀，加剧了水资源短缺、污染严重、生态恶化等问题的发展。我国的城市和乡村都有不同程度的缺水问题，绝大部分城市都会有供水不足的问题发生，而农村更有近3亿人口饮水不安全。城市给人们提供了高质量的生活品质和经济的快速发展但同时也带来了污水量大排放等问题，现在的城市水环境面临十分严峻的形势。 由于污水排放导致水质污染，据报告显示约有50种疾病与饮用水饮用水源污染直接相关，对我们的身体健康带来严重的威胁；再加上人们的节水意识淡薄、城市供水系统不完善，致使水资源不断地浪费，造成我国水不够用的现状。
我们需要针对不同的群体设定一个饮用水标准，只有达到饮用标准才可以确保人类健康生存。通过实时监测也可以让人们了解自己所处的环境，减少安全事故的发生的概率，同时也推动了水质监测行业的发展。伴随着我国城市供水量的日益增长，运用自动化技术能合理分配城市供水需求，推进饮用水源监测技术智能化发展。 这不仅提高了水质监测的效率，而且节省了人力成本，是我国饮用水源监测技术的一个进步。运用自动控制技术对水源实时监测，再配合监测终端设备，就可以对水质参数进行汇总分析，用户可以根据实际需求做出最合适的调整方案。 饮用水源终端探测节点包括无线传输模块、单片机STM32F103C8T6以及四种传感器完成对温度、浑浊度、PH 值和TDS的监测。饮用水源数据汇聚处理节点可以接收终端探测节点的数据包，并存储在数据库中以备日后查用。数据监控处理器会将所有的数据分类分析，用户可以通过管理员授权账户登陆查询当前的水质状况。当监测水域水质参数超过系统预设阈值，系统将会发出警告提醒用户处理问题，这样用户就可以在手机上随时监控水域水质，节省了人们的时间和精力。
1.2饮用水源国内外研究现状
1.2.1国内研究现状
保护饮用水源免受污染是解决我国饮用水安全的有效途径之一，因此针对水源地的保护制定一系列法律法规是确保供水系统安全的关键环节。为了保证我国城市与乡村居民都能使用安全且充足的饮用水，国家出台了一系列的法律法规来保障居民用水安全。 近年来，国家不断推进中西部经济发展，越来越多的企业和居民都定居在中西部地区，这加剧了中西部地区的用水紧张，基于严峻的饮用水源现状，集成化的智能饮用水源监测设备孕育而生。 我国智能水质监测技术起步比较晚，但是发展的速度和规模都非常快。20世纪50年代，我国就建立的近千处水质监测站；70年代，国家环保部门在我国东南西北4大区域6大水系建立大量的水质监测点，制定了近20个水质参数来反应监测水域的水质状况；80年代，我国着重针对长江流域进行水质监测，并建立了自动水质监测站，这些监测站能够对水温、浑浊度、电导率、PH值等水质参数进行实时监测。
哈尔滨工业大学解决了水源与监测设备的距离问题，他们利用ZIGBEE的低功耗和GPRS的高速传输等优点技术实现了远程监测水质参数，实现了智能化的水质监测。杭州电子科大的同学利用所学知识研制一款水质监测机器人。这款“水上机器人”内置GPS模块，用户可以设置机器人的运动轨迹。当水质监测机器人在工作的时候，用户可以在客户端查看水质监测机机器人所在的位置，还能看到机器人的以往所有运动轨迹。水质监测机器人会及时向服务器发送监测结果，当某一水域的值超出阈值时，机器人会自动向用户发送警报。江苏的维纳太科公司研究出一款基于微电脑技术和高精度传感器的水质监测仪器，它能够检测8种水质参数，监测的数据用电脑进行全面的分析。这款仪器利用大量的高精度传感器测量水源，并设置定时监测确保数据的更新，这些数据通过GPRS等方式传送给服务器，定制的分析软件会进行专业分析并生成报告。整套设备集成度高、价格低、便携性强。 因为省去建立监测站房和维护人员，所以降低了维护量和维护成本。设备能准确地监测目标水域的水质状况，服务器在一定时间内能够保存所有的检测结果，当检测结果过于陈旧时，系统会自动删除老旧数据。用户可以设定时间周期和水质参数生成个性化监测报告，以备分析讨论。
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