无线传感器网络的水质监测系统软件设计
目前国内水污染严重，水资源日益短缺，水质监测迫在眉睫。针对固有水质监测系统的大量资源浪费，监测不及时等缺点，设计提出一款基于无线传感器网络的水质监测系统。将无线传感器技术应用于水质监测，是能够解决水质监测采样不均，勘测不及时的最有效的解决办法。根据硬件方框图设计软件流程图，设计各个模块的程序方案。设计主要包括无线收发器，定时器，A/D转换器，传感器，串口设计模块，键盘及液晶显示屏模块。选取浊度传感器和pH传感器，将浊度和酸碱度作为判断水质的主要指标，设计出一套可行的水质监测方案，结合实际，满足现实生活需求，并能将其应用于军事、医疗、定位等众多领域，解决传统系统布线复杂，监测不及时等问题。关键词 水质监测，无线通信，pH传感器，浊度传感器，nRF24L01
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 研究现状及发展趋势 1
1.3 论文章节安排 2
2 总体设计 3
2.1 设计思路 3
2.2 总体功能 3
3 硬件设计 3
3.1 系统设计框图设计 3
3.2 核心处理器电路设计 4
3.3 无线收发器电路设计 5
3.4 传感器电路设计 6
3.5 输出电路设计 8
4 软件设计 11
4.1 编写语言的选择 11
4.2 主程序 11
4.3 检测板主程序设计 12
4.4 浊度数据采集模块子程序设计 13
4.5 pH值数据采集模块子程序设计 15
4.6 无线数据收发模块子程序设计（发送模式） 15
4.7 数据处理模块子程序设计 17
4.8 显示板主程序设计串口通信模块设计 17
4.9 串口通信模块设计 18
4.10 无线数据收发模块子程序设计（接收模式） 18
4.11 定时器模块子程序设计 19
4.12 液晶显示模块子程序设计 20
4.13 按键模块子程序设计 20
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
4.14 报警电路模块子程序设计 21
5 软硬件联调 21
5.1 初始状态调试 21
5.2 按键设置 22
5.3 处于酸碱性溶液中的pH检测调试 22
5.4 模拟浊度超标调试 24
结论 25
致谢 26
参考文献 27
附录A 硬件电路图 29
附录B 印刷电路图 31
附录C 程序代码 33
1 绪论
1．1 课题研究背景及意义
日益恶化的水污染问题迫使我们对水质监测工作引起重视，对此我们必须提出更高的要求。良好的水质是保证水环境和谐的基础，监测水质是保护生态和水资源的重要手段，对各行各业的生产发展和人民生活的稳定有着至关重要的影响。水质监测系统的发展演变了很长一段时间，由最初的人工监测，逐步发展到现如今的在线检测系统[1]。无线传感器网络是近年来兴起的一项研究热点，是一种新兴的技术。交通管理、建设生产、医疗卫生、生活家居等各个领域都有无线传感器技术的应用[2]。大批的设备已经开始采用无线传感器网络技术，而无线传感器网络应用于水质监测系统就是其中重要的一种。随着我国现代化进程的推进，传统的人工监测已无法达到水质监测工作的要求。而在水质监测方面，无线传感器网络的应用大大提高了数据传递的可靠性与稳定性，提高了检测效率。因而将无线传感器网络应用于水质监测工作，对未来而言有着广阔的发展空间。
鉴于现阶段国内大部分水质监测均为人工操作的方式，本设计提出了一种基于无线传感器网络的水质监测系统。传统的监测水质方法有浪费大量的人力和物力，采样不均匀，不能自动检测和实时性不强等缺点，而应用无线传感器网络的水质监测系统能够实时监控，操作更简单，更方便，更实惠，同时也确保了数据收集的可靠性。当需要监测的地点较多时，采用无线传感器网络技术的优势尤为突出，是大水面监测的一种有效手段[3]。随着技术的发展，无线传感器网络技术的应用越来越成熟，类型也越来越多样化，具有巨大的实用价值和辽阔的市场前景[3]，无线传感器网络技术在各种设施中随处可见。
无线传感器网络是一个具有大量传感器节点构成的网络。每个节点都有动态搜寻和定位的能力。无线传感器技术在军事、科研、医疗等商业领域具有巨大的发展潜力。它的特点是网络拓扑变化频率高、数据存储量大、计算速度快。依据这些特点，无线传感器网络更适合于偏远地区的生态管理和水质监测。水质监测是人类生活发展中重要的一环，水环境的好坏关系着人类的和谐发展。难以获得真实可靠、快速有效的信息数据是水质监测存在的巨大问题，这使得水质监测难以发挥其作用，从而影响水质监测的正常发展。无线传感器网络是存在于现代水质监测的一种常见方法，它能有效提高数据传输速率和信息的可靠性[4]。
1．2 研究现状及发展趋势
目前，在水质监测过程中的相关人员，经常采用传统的监测方法，传统的水质检测方法是利用具有经验的仪器进行操作，不仅需要花费大量的时间和精力，并且只能在有限的监测范围内实施，检测周期长，根本不能实时改变水质环境，开展正确有效的措施。水质监测系统的现场总线布置需要大量电缆和电线。随着时间的推移，线路容易老化，维护困难，施工也比较麻烦。无线传感器网络智能化程度高，监测面广，有利于广阔水面的全面监测，实现自然环境综合管理，将其应用于监测水质和相关工作将具有广阔的市场潜力[5]。
二十世纪，水质自动监测系统逐步发展起来，美国、英国、荷兰、德国、日本都建立了这类系统。美国俄亥俄河有14个自动监测站，英国泰晤士河沿岸设有5个连续监测点[6]。当前，世界上许多国家都建立起水污染自动监测系统WPMS。这种监测系统利用现代科学技术，采集周围的环境数据，同时科学地反映周围环境质量及其变化趋势，是环境保护的一项重要基础性工作。DAEWS是由多瑙河流域沿岸几个国家共同承担的项目[7]，一旦河流被污染，DAEWS将通过卫星系统的事故报警系统提醒下游国家。为下游国家有关部门采取措施提供了时间。该项目是威尼斯WATERSS咸水湖水环境参数的一个综合性系统，它能够提供水体的实时监测和预警服务。系统中设有15个浮船，配有数据传输和特殊监测设备，其中每天监测水域内的水将能够获得不同位置的水体实时监测数据。中国对于传感器网络技术的研究起步较晚，直到近两年才备受关注。由于传感器网络可以随时随地获取大量真实有效的数据，被广泛应用于军事国防[8]、农业管理、环境监测[9]、交通管制、智能家庭[10]、医疗卫生[11]、定位[12]系统等诸多领域。中国的水污染监测工作仍处于起步阶段。在过去，许多地方只在排污企业周边集中设置简单的监测仪器，数据传输的实时性和可靠性相对较低。然而，随着近年来各个国家对于水污染问题越来越关注，水污染连续监测系统已在黄浦江和其他河流水域及宝钢、武汉钢铁有限公司等建立了污染连续自动监测系统。中国的水质监测和管理系统的建立，不仅开创了一个新的局面，也为中国的水质监测系统的发展积累了宝贵的经验[13]。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 研究现状及发展趋势 1
1.3 论文章节安排 2
2 总体设计 3
2.1 设计思路 3
2.2 总体功能 3
3 硬件设计 3
3.1 系统设计框图设计 3
3.2 核心处理器电路设计 4
3.3 无线收发器电路设计 5
3.4 传感器电路设计 6
3.5 输出电路设计 8
4 软件设计 11
4.1 编写语言的选择 11
4.2 主程序 11
4.3 检测板主程序设计 12
4.4 浊度数据采集模块子程序设计 13
4.5 pH值数据采集模块子程序设计 15
4.6 无线数据收发模块子程序设计（发送模式） 15
4.7 数据处理模块子程序设计 17
4.8 显示板主程序设计串口通信模块设计 17
4.9 串口通信模块设计 18
4.10 无线数据收发模块子程序设计（接收模式） 18
4.11 定时器模块子程序设计 19
4.12 液晶显示模块子程序设计 20
4.13 按键模块子程序设计 20
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
4.14 报警电路模块子程序设计 21
5 软硬件联调 21
5.1 初始状态调试 21
5.2 按键设置 22
5.3 处于酸碱性溶液中的pH检测调试 22
5.4 模拟浊度超标调试 24
结论 25
致谢 26
参考文献 27
附录A 硬件电路图 29
附录B 印刷电路图 31
附录C 程序代码 33
1 绪论
1．1 课题研究背景及意义
日益恶化的水污染问题迫使我们对水质监测工作引起重视，对此我们必须提出更高的要求。良好的水质是保证水环境和谐的基础，监测水质是保护生态和水资源的重要手段，对各行各业的生产发展和人民生活的稳定有着至关重要的影响。水质监测系统的发展演变了很长一段时间，由最初的人工监测，逐步发展到现如今的在线检测系统[1]。无线传感器网络是近年来兴起的一项研究热点，是一种新兴的技术。交通管理、建设生产、医疗卫生、生活家居等各个领域都有无线传感器技术的应用[2]。大批的设备已经开始采用无线传感器网络技术，而无线传感器网络应用于水质监测系统就是其中重要的一种。随着我国现代化进程的推进，传统的人工监测已无法达到水质监测工作的要求。而在水质监测方面，无线传感器网络的应用大大提高了数据传递的可靠性与稳定性，提高了检测效率。因而将无线传感器网络应用于水质监测工作，对未来而言有着广阔的发展空间。
鉴于现阶段国内大部分水质监测均为人工操作的方式，本设计提出了一种基于无线传感器网络的水质监测系统。传统的监测水质方法有浪费大量的人力和物力，采样不均匀，不能自动检测和实时性不强等缺点，而应用无线传感器网络的水质监测系统能够实时监控，操作更简单，更方便，更实惠，同时也确保了数据收集的可靠性。当需要监测的地点较多时，采用无线传感器网络技术的优势尤为突出，是大水面监测的一种有效手段[3]。随着技术的发展，无线传感器网络技术的应用越来越成熟，类型也越来越多样化，具有巨大的实用价值和辽阔的市场前景[3]，无线传感器网络技术在各种设施中随处可见。
无线传感器网络是一个具有大量传感器节点构成的网络。每个节点都有动态搜寻和定位的能力。无线传感器技术在军事、科研、医疗等商业领域具有巨大的发展潜力。它的特点是网络拓扑变化频率高、数据存储量大、计算速度快。依据这些特点，无线传感器网络更适合于偏远地区的生态管理和水质监测。水质监测是人类生活发展中重要的一环，水环境的好坏关系着人类的和谐发展。难以获得真实可靠、快速有效的信息数据是水质监测存在的巨大问题，这使得水质监测难以发挥其作用，从而影响水质监测的正常发展。无线传感器网络是存在于现代水质监测的一种常见方法，它能有效提高数据传输速率和信息的可靠性[4]。
1．2 研究现状及发展趋势
目前，在水质监测过程中的相关人员，经常采用传统的监测方法，传统的水质检测方法是利用具有经验的仪器进行操作，不仅需要花费大量的时间和精力，并且只能在有限的监测范围内实施，检测周期长，根本不能实时改变水质环境，开展正确有效的措施。水质监测系统的现场总线布置需要大量电缆和电线。随着时间的推移，线路容易老化，维护困难，施工也比较麻烦。无线传感器网络智能化程度高，监测面广，有利于广阔水面的全面监测，实现自然环境综合管理，将其应用于监测水质和相关工作将具有广阔的市场潜力[5]。
二十世纪，水质自动监测系统逐步发展起来，美国、英国、荷兰、德国、日本都建立了这类系统。美国俄亥俄河有14个自动监测站，英国泰晤士河沿岸设有5个连续监测点[6]。当前，世界上许多国家都建立起水污染自动监测系统WPMS。这种监测系统利用现代科学技术，采集周围的环境数据，同时科学地反映周围环境质量及其变化趋势，是环境保护的一项重要基础性工作。DAEWS是由多瑙河流域沿岸几个国家共同承担的项目[7]，一旦河流被污染，DAEWS将通过卫星系统的事故报警系统提醒下游国家。为下游国家有关部门采取措施提供了时间。该项目是威尼斯WATERSS咸水湖水环境参数的一个综合性系统，它能够提供水体的实时监测和预警服务。系统中设有15个浮船，配有数据传输和特殊监测设备，其中每天监测水域内的水将能够获得不同位置的水体实时监测数据。中国对于传感器网络技术的研究起步较晚，直到近两年才备受关注。由于传感器网络可以随时随地获取大量真实有效的数据，被广泛应用于军事国防[8]、农业管理、环境监测[9]、交通管制、智能家庭[10]、医疗卫生[11]、定位[12]系统等诸多领域。中国的水污染监测工作仍处于起步阶段。在过去，许多地方只在排污企业周边集中设置简单的监测仪器，数据传输的实时性和可靠性相对较低。然而，随着近年来各个国家对于水污染问题越来越关注，水污染连续监测系统已在黄浦江和其他河流水域及宝钢、武汉钢铁有限公司等建立了污染连续自动监测系统。中国的水质监测和管理系统的建立，不仅开创了一个新的局面，也为中国的水质监测系统的发展积累了宝贵的经验[13]。
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