這篇系統設計論文發表了物聯網在線水質監測系統設計研究，論文提出了利用互聯網結合傳感器實時的監測水質狀態。可為環保機構、水務部門、水產行業提供安全可靠的水質監測和水質數據分析服務。論文對系統的總體設計進行了探討。

　　摘要：隨著社會經濟的不斷發展，水環境污染的問題也逐漸被重視起來。水質監測是防止水污染的重要方式。隨著互聯網產業的發展，無線實時水質監測技術將逐步取代傳統水質監測方式。本文構想了一項在線水質監測系統，硬件端實時監測水質的各項數據，電量不足時自動上浮到水面借助太陽能電池板進行充電，充電完成后潛回原位，根據指令在水中變換位置，監測不同水域的各項數據。

　　關鍵詞：系統設計論文,物聯網,在線水質監測,傳感器據

　　2009年環境狀況公報統計，珠江、長江水質良好，松花江、淮河為輕度污染，黃河、遼河為中度污染，海河為重度污染。中國社會科學院環境與發展研究中心副主任鄭易生指出，中國發布的各種水環境質量檢測報告，由于受布點數量和布點區域的限制，“并不能充分、真實地反映國內水污染現狀”。目前的水質監測現狀揭示了中國水污染的嚴重程度和水質監測的建設落后程度。水質監測適用于源頭水、國家自然保護區，集中式生活飲用水地表水源地一級保護區、珍稀水生生物棲息地、魚蝦類產卵場、仔稚幼魚的索餌場;魚蝦類越冬場、洄游通道、水產養殖區等漁業水域及游泳區等靜態水域。傳統的水質監測，需要耗費大量的時間以及大量的人力，經過繁瑣的步驟才得到數據，而在線水質監測系統可以實時的監測數據，自動進行設備的充電，用戶登錄App或者網站即可看到數據。

　　1系統總體的設計

　　在線水質監測系統如圖1所示，水質監測系統整體分成三層，感知層、網絡層以及應用層。感知層是系統的核心，是信息采集的關鍵部分;網絡層對整個系統進行無線連接，通過①Lo⁃Ra技術將所有的水質監測儀連接起來，LoRa數據接收端將數據通過互聯網傳輸到服務器，服務器進行數據處理[1]。應用層位于三層的頂層，將服務器處理的數據通過App以及網站展現給用戶，讓用戶可以直接地看到想要的數據以及與前幾次對比所產生的差異。

　　2水質監測硬件設計

　　水質監測儀構想如圖所示，是由CC2530控制了整個水質監測儀，數據的采集主要是通過傳感器來完成，L9110S是用來控制電機的上浮下潛以及在水中游動，而SL1053是用于來管理太陽能，鋰電池用于存儲電量。CC2530芯片對整個系統起著至關重要的作用，將傳感器收集的信息存儲和發送到服務器，并且接收從服務器傳來的信息，再將數據以指令的形式進行命令的傳達。

　　(一)數據采集模塊

　　系統通過溫度傳感器、PH值傳感器、濁度傳感器、含氧量傳感器模塊來采集溫度、PH值、濁度、含氧量等信息。1)溫度傳感器采用PT100溫度傳感器，對水的溫度進行測量，PT100是鉑熱電阻，它的阻值會隨著溫度的上升而迅速勻速的增長，鉑熱電阻具有精度高、穩點性好、性能可靠的特點，適用于長期進行水質的溫度的監測[2]。2)PH值傳感器采用PH值傳感器，對水中的氫離子濃度進行監測以及轉換成相應的可用輸出信號，整體是一種密封狀態，能夠很好的防水，而且使用壽命長，適用于長期進行水質的PH值的監測[3]。3)濁度傳感器采用TS濁度傳感器，對水的污濁度進行測量，判斷水的潔凈度，濁度是由水中的懸浮顆粒引起的，本傳感器采用散射光與透射光比值代替單純的散射光測量濁度，傳感器的準確度、可靠性提高，維護更加簡單，抗污性增強，適用于長期進行水質的濁度的監測[4]。4)氧氣含量傳感器氧氣含量傳感器,對水中的氧氣含有量進行監測，它是由一個銀陽極和金陰極組成，兩極之間存在著電勢差，氧氣在陽極下進行反映，通過半透膜向陰極擴散，根據流過兩級電流的大小就能測試水中氧氣濃度的比例關系，適用于進行氧氣的監測[5]。

　　(二)數據傳輸模塊

　　數據輸出模塊主要由繼電器及光耦合器構成，設計中使用的是一種兩個接線端為輸入端，另外兩個接線端為輸出端，中間采用光耦合器實現輸入輸出電隔離的高性能固態繼電器，該繼電器具有功率小、高靈敏度、高可靠性等特點。在水質監測系統運行中，當控制器接收到用戶的指令后可以將數據返回到用戶手中，并且控制儀器進行游動。

　　(三)L9110S半導體處理器

　　如圖3所示，L9110S是控制和驅動電機設計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，該芯片有兩個TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性;兩個輸出端能直接驅動電機的正反向運動，它具有較大的電流驅動能力，具有較強的驅動能力控制水質監測儀的上浮下潛，以及四處游動。

　　(四)線性鋰電池芯片

　　SL1053SL1053是高精度的線性鋰電池充電的芯片，SL1053可以通過檢測電池電壓來決定其充電的狀態：預充電、恒流充電、恒壓充電。均衡的管理鋰電池的充電模式和查看電量的剩余量。同時控制著太陽能的充電狀態，以及當充電結束后將自動發送完成指令給CC2530控制芯片。

　　3水質監測網絡設計

　　如圖4所示，網絡層是用戶與儀器之間進行交流的媒介，網絡層由LoRa數據傳輸芯片、互聯網以及服務器組成，水質監測儀通過多個LoRa節點進行連接以及數據的傳輸，可以直接將數據直接傳輸給LoRa數據接收終端，終端將數據通過互聯網傳輸到服務器，服務器對數據進行處理以及分析，通過互聯網將數據傳輸給用戶。1)LoRaLoRa是一種新型的基于1GHz以下的超長距低功耗的數據傳輸技術的芯片，其接收數據的靈敏度達到了-148dBm，與其他的芯片相比較得到了很大的提升，所以我們的水質監測系統中會采用到LoRa芯片，對池塘、水庫的監測有較大優勢，相比較其他的監測設備使用更加便捷，只需要進行一次布局就能長期的進行在線的監測數據，而不是取到每個區域進行水的采樣，然后在檢驗室來一一的監測數據，可以省去大量的人力物力以及財力，用戶操作起來會簡單，我們稱之為傻瓜式操作。LoRa數據接收終端將幾個個體的水質監測儀的數據進行統計，發送到服務器進行統一處理得到綜合的數據反饋以及位于不同區域水質之間的差異。2)服務器服務器主要是進行數據接收、處理、統計以及進行信息的推送。同時進行管理水質監測儀，監控各項指標是否正常，對用戶的信息進行管理等。

　　4水質監測儀應用設計

　　(一)軟件設計

　　軟件設計分為服務端和客戶端，服務器端主要是對用戶的信息進行管理，數據的分析。客戶端則是用戶查詢獲取信息，發送指令，位置的定位。1)服務器端服務器是信息管理的中心，服務器內儲存著用戶的信息，水質監測儀編號類型等信息，用戶使用反饋信息，水質監測儀監測的數據，服務器會將信息統計成曲線圖表的形式反饋給用戶，給予用戶最直接的觀察。2)客戶端客戶端可分為PC端和移動端，移動端更適合進行信息的修改，數據的查看。而移動端適合進行水質監測儀的操控，方便攜帶，隨時都能觀察數據的變化。(1)PC端PC端會有水質監測儀的介紹，用戶能根據自己的需求選擇水質監測項的指標，我們會根據用戶提供的信息進行私人定制，達到更精準的監測;用戶能對自己的水質監測儀進行地圖定位;用戶能修改自己的信息;用戶能通過圖表、曲線、矩狀圖的形式查看數據;用戶能根據自己的問題向我們反饋;(2)移動端移動端相比PC端攜帶方便，隨時隨地都能查看水質監測儀監測的數據，能夠綁定水質監測儀進行操控，能查看水質監測儀的電量，能信息的錄入，位置的定位。

　　(二)模型設計

　　水質監測儀整體外觀像一個蘑菇。上為蘑菇傘帽，下為蘑菇桿，這樣的設計有利于設備的上浮下潛以及設備在水中的平衡運行。最上層為太陽能電池板，對設備進行電量補給。中間是一個氣孔，它能夠吸收空氣到設備內部使設備變輕，從而方便設備的上浮。旁邊以及下面會設有傳感器，來監測數據。下面設有螺旋槳，一共設有四個，分別控制設備的上浮下潛和設備的游動。

　　5結語

　　本文提出了基于物聯網在線水質監測系統構想結合了互聯網，實現了互聯網+的創意，符合現在時代的發展，能夠很好的解決價格昂貴，操作復雜的水質檢測，運用了多種比較穩定的傳感器，保證了系統穩定性。主要適用于水庫，魚塘等，對人類的健康造成威脅的一切水源都能進行監測，給人們健康美好的生活環境。

　　參考文獻：

　　[1]龔天平.LORA技術實現遠距離、低功耗無線數據傳輸[J].技術交流,2016.

　　[2]張紅兵基于鉑電阻Pt100的溫度傳感器設計[J].電子科技,2012.

　　[3]姜德志姬光榮陳艷麗TS濁度傳感器在洗衣機中的應用[J].國外電子元器件,2007(8).

　　作者：亓相濤 周敢 單位：武漢商學院 信息工程學院

　　推薦期刊：《水利規劃與設計》是水利部主管、水利部水利水電規劃設計總院主辦的具有前瞻性、科學性、指導性的綜合科技期刊。為水利及農業、林業、國土、城建、環保等相關行業領導、專家、工程技術與科研工作者、大專院校師生服務。