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中文摘要 本文主要介绍了无线传感器节点和 线传输数据的实现，基于虚拟仪器技术化工企业废水质量的检测，传感器节点采用温度传 感器、 解氧传感器和浊度传感器，通过 块向云端发送测量到的废水中的温度、 解氧、浊度等参数 ，上位机 调取云端数据进行处理并采取相应的控制 ，从而达到远程实时监测和控制的功能 。本设计 主要应用于企业废水质量参数监测，对监测的数据进行相应处理并建立温度、浊度、溶解氧、 数据库信息。同时设定温度、浊度、溶解氧、 采集到的参数超过所 设定的阈值范围时，上位机监测界面就会及时报警提醒相关工作人员。 该 系统传感器节点可以进行拓展，上位机 用户可以随时对系统软件进行修改以满足新的需求，更新速度快、开发和维护费用低 ,具备极高的社会效益和经济效益，有非常高的推广实用价值。 关键词： 实时监测 ,传感器节点 ,上位机 外文摘要 of a PH on of to a to to C is so as to is in of to a of At PH C to be C at to I 页共 I 页 目 录 1、绪论 . 1 . 1 . 1 2 总体方案设计 . 2 2 1 检测原理 . 2 2 2 系统网络结构图 . 2 2 3 无线传感器网络节点 . 2 2 4 采集模块 . 3 度传感器 . 3 . 4 . 4 . 5 . 5 . 7 . 8 . 8 . 9 . 9 . 10 . 13 . 13 . 19 位机软件设计 . 21 . 22 . 23 . 24 . 26 据输出 . 27 4、传感器参数 . 28 . 28 . 29 . 30 . 30 5、软件调试 . 31 结 论 . 35 致 谢 . 36 参 考 文 献 . 37 第 1 页 共 35 页 1、绪论 目前，环境问题是影响世界各国可持续发展的一个重要因素，水环境的污染日益严重，不仅严重影响人们的健康，还加速了水资源的短缺。众所周知，中国的水资源非常的缺 乏，是世界 13个缺水国家之一。 生命最初诞生于水中。水是生命的物质基础。水不仅是维持生命所不可缺少的，也是我们在生活中所不可或缺的物质。但是，随着人类经济活动加剧，工业生产，化工企业的发展，社会经济的繁荣，在消耗了大量能源的同时，将大量的工业废水和城市生活污水不经处理排入水中，水污染日益严重。水污染对水体周围的环境和各种微生物等都存在非常大的危害。久而久之，也会威胁到人类的安全与健康。所以，我们必须要重视水环境污染。 题研究的背景及意义 传统的环境水质监测工作主要都是以人工现场采样、实验室仪器分析为 主。虽然在实验室中分析手段完备，但实验室监测存在不能及时反映污染变化状况、采样误差大、监测频次低、监测数据分散等缺陷，难以满足人们有效的进行水环境管理的需求。而实现了废水质量的在线监测，只需经过几分钟的数据采集，水源地的水质信息就可发送到环境分析中心的服务器中。只要观察到有某种污染物的浓度发生了异常的变化，环境监管部门就可以立刻采取相应的措施，取样具体分析，可快速而准确地获得水质监测数据 课题的主要工作及要求 本课题是以云服务为平台，利用 拟机技术，设计一种集监测、显示与报警为一体的远 程实时监测系统。其主要内容有以下几个方面。 （ 1）深入化工企业对工业废水进行研究，了解工业废水主要的污染成分，选择各类合适传感器类型； （ 2）构建无线传感器网络。在化工企业废水排放口以及相关区域布置无线传感器节点，节点监测数据通过设置在监测区域内的 块，将监测数据定时传至云服务平台，最后在上位机中实时显示与监测，并将数据存入到数据库； （ 3）如果监测节点上传的数据超过规定的标准值时，上位机会发出报警并显示废水具体的排放情况。云服务器也会触发报警机制，进行简单的报警，提醒第 2 页 共 35 页 管理人员及时查找和分析原因，从 而采取相应控制措施。 2 总体方案设计 2 1 检测原理 本课题采用了单片机技术、无线网络传输技术、传感器技术和集成技术，对水环境进行实时监测温度、氧含量和 参数变化等信息，通过传感器感测信号，通过数据打包发送到上位机，并在上位机监测界面上显示实时数据。 2 2 系统网络结构图 本系统主要由无线传感器网络节点（负责采集节点周围水域温度、溶解氧浓度、 度等数据）、网络云平台和上位机监测中心（对上传的数据进行数据融合并直观显示数据）等几部分组成。无线传感器节点安装在企业废水排放池，对池中的废水实 现 度、浊度、溶解氧进行检测，将得到的参数经无线传感网络传输到网络云平台，然后上位机调用网路云平台数据，对数据进行分析、处理、超限报警和控制，因此系统的设计较为简单明了，化工企业废水质量远程监测网络结构如图 1所示。 图 1 化工企业废水质量远程监测网络结构 无线传感器网络节点 无线传感器网络节点需要完成信息采集和数据传递的功能，节点在结构上可分为五个模块：电源模块、控制报警模块、数据采集模块（传感器数据采集）、云服务平 台 . 无线传感节点 1 无线传感节点 2 无线传感节点 N 位机监测中心 第 3 页 共 35 页 数据处理模块（单片机处理系统）和无线传输模 块（ 本设计采用 片机 发板作为微处理器，传感器分别采用 度传感器、浊度传感器、 感器、溶解氧传感器检测温度、浊度 线传输模块采用 线传感器节点如图 2所示。 图 2 无线传感器节点 2 4 采集模块 度传感器 具有抗干扰能力强、体积小、硬件开销低、精度高、数字信号输出等特点。 信时只要接一条口线就可以通信多个点的能力，不同于之前的分布式传感器需要多点接口，应用时不需要接外部的元件，可以直接用数据总线供电， 到 ，测量的温度最低为 最高为 +125 。用 行温度测量之前，必须要先完成 则记忆功能和控制功能就没法使用。首先提供以下功能命令：读 索 过 警检查。 如果在之前已经使 量到的数据存储在中。存储器能完整的确定一线端口的通讯，数据开始用写寄存器的命令写进寄存器，接着也可以用读寄存器的命令来获取这些数字。当确认以后就可以用复制寄存器的命令来将这些数字转移到可电擦除 。当修改过寄存器中的数时，这个过程能确保数据的完整性。 高速寄存器 由 8个字节的存储器组成。用读寄存器的命令能读出第九信模块 数据采集模块 块 电源模块 电路 线 控制模块 报警模块 数据处理 模块 （ 溶解氧传感器 温 度传感器 浊度传感器 传感器 第 4 页 共 35 页 个字节，这个字节可以对前面的八个字节进行校验。 所示。 图 3 形结构图 度传感器 检测溶液浑浊度的传感器如图 4所示。 图 4 度传感器 该浊度传感器输出为模拟电压输出 0到 5V，工作电压为 5V，工作电流为 50作时响应时间小于 500传感器输出的是模拟信号，所以输出端连接在 H 传感器 检测溶液 图 5所示。 第 5 页 共 35 页 图 5 该传感器输出方式为模拟电压信号输出 1695 3832作电流为 50测浓度范围为 应时间小于 5s，稳定时间小于 60s。该传感器输出的是模拟信 号，所以输出端连接在 解氧传感器 检测溶液溶解氧含量的传感器，如图 6 所示 图 6 罗素 501解氧传感器 该传感器输出的是模拟电压信号，电极的电位为 24570极的参比电极内阻小于 10 极的稳定性为 84h。该传感器输出的是模拟信号，所以输出端连接在 发板 捷灵活的开源电子原型平台，具有以下特点： 1、含有开放的源 代码，程序开发可免费下载也可以根据紫的要求自己编写或修改。 2、内部含有低价格的 3、烧录方式支持 以把新的 固件 烧入到 了 后，可以通过串口或者串口转 5、支持多种互动程序。 32储器容量， 20小 源电压最大 32个 6 页 共 35 页 2 23 个输入 /输出线数， 8个模数转换器输入数， 20度， 32 所示。 图 7 面 1、声明变量及接口名称（例如： 3;）。 2、 ：函数在程序开始时使用，可以初始化变量、接口模式、启用库等（例如： ）。 3、 ：在 函数之后，一个循环函数。 1、 义接口为输入或输出型 接口，在 函数里使用。 2、 位，把数字端口的值置高或者置低。 3、 出数字接口的值。 4、 一个接口写入模拟值（ ）。对于 片的 括 ,该函数可以工作于 3,5,6,9,10和 11 号接口。老的 仅支持 9,10和 11号接口。 5、 取 一个模拟值转换为数字值 6、 :延时函数， 000)为一秒。 7、 特率 )特率）。在同计算机通讯时，要是用相同的波特率才能通讯，在 函数里使用 8、 ：读取持续输入的数据。 第 7 页 共 35 页 9、 行口的数据输出。 据 )默认为十进制等于 据， 10、 行口的数据输出，在输出最后跟随一个回车和一个换行符。这个函数所取得的值与 一样。 线传输模块 块是一款高性能工业级的 发板）。 块采用 司的工业级四频（全球通用）用于全球各地区 ,可以低功耗实现语音、短信、彩信、数据和传真信息的传输。同时 具有全球卫星定位 能，适用于各类 位导航 应用。其性能稳定，外观精巧，性价比高。 用工业标准接口，内嵌 P 协议，可以低功耗实现语音、短信（ 数据和传真信息的传输。同时 具有全球卫星定位 能，适用于各类 位导航应用。 所示 ： (1)于设置移动台类别。 (2)于设置 (3)于设置附着和分离 务。 (4)于设置 接模式。 (5)于设置本地端口号。 (6)于建立 (7)于发送数据。 (8)于查询当前连接状态。 (10)于关闭移动场景。 第 8 页 共 35 页 图 8 发板 体流程图 第 9 页 共 35 页 图 9 系统总体流程图 系统总体流程图如图 9所示，本设计上 位机采用 点不断地对检测区的废水参数进行采集，数据经过 理，从 云端发送，上位机设定检测周期，等待到检测时间就向云端获取数据，判断数据是否超过报警界面，如果超过界限，上位机就会返回报警和控制信号，并且上位机报警灯也会亮，节点接收到了控制信号就会立即采取控制措施，打开阀门等一系列动作。 点软件设计 体设计流程 采集到的数据按照特定格式发送给无线传输模块， 于接收状态，等到 据传 到 Y 开始 初始化 数据采集 节点数据处理 数据无线发送 上位机数据获取 是否超过报警界？ 返回控制信号，界面报警 节点收到控制信号，执行控制过程 N 第 10 页 共 35 页 向无线云平台传输数据。 0所示。 图 10 首先对 始化， 电即完成初始化，初始化完成后， 后处于等待传感器数据传输的状态，直到所有传感器检测完成向控制板发来数据后，收到的数据进行处理标定，然后向 送无线传输指令，同时不断地对 行获取信号请求，如果 检测到有控制信号，就执行控制和报警操作（电磁阀控制和报警灯点亮）。 字信号软件设计 温度传感器输出为数字信号，信号输出连接在 初始化： N Y 开始 初始化 向温度传感器发送接收数据请求 等待各传感器发送数据 对数据进行数据处理 向 送发送指令 向 送获取指令 等待 据返回 是否收到信号？ 报警灯闪，控制阀门灯亮的程度 第 11 页 共 35 页 (1) 把数据线拉高置 1； (2) 延时几个 s； (3) 数据线拉到低电平 0； (4) 延时 750s(延时范围为 480s 至 960s)； (5) 数据线拉高置 1； (6) 延时，等待 (如果初始化已经成功，会在 15到 60据这个状态可以来确定是否初 始化成功，但是不能无限的等待，否则程序会进入死循环，应该要进行超时控制 )。 (7) 若 做个延时，延时的时间从第五步发出的高电平算起至少应该要 480s。 (8) 最后再次将数据线拉高 1后结束。 x=0; ; ); /约 90s ; 0); /约 800s ; 7); /约 370s 读操作： (1)将数据线拉高 1； (2)延时 2s； (3)将数据线拉低 0； (4)延时 3s； (5)将数据线拉高 1； (6)延时 5s； 第 12 页 共 35 页 (7)读取数据线上的状态 ,得到 1个状态位，然后进行数据处理； (8)延时 60s。 个字节函数 i=0; 0; i=8;i0; 0; = 1; 1; Q) = 0 5）； /约 54s 写操作： (1) 先将数据线置低电平 0； (2) 延时时间为 15s； (3) 按从低到高的顺序依次发送字节 (每次只发送一个字节 )； (4) 延时时间为 45s； (5) 将数据线拉到高电平 1； (6) 重复以上操作一直到所有的字节全部发送完为止； (7) 最后将数据线拉高。 第 13 页 共 35 页 i = 0; i=8;i0, ; DQ= ); /约 54s ; =1; 拟信号软件设计 浊度传感器、 感器、溶解氧传感器输出信号都为模拟信号， 个模数转换的 I/集数据时只需要把三种传感器的数据端接到 子的 口，软件设计时直接读取 据进行采集。 1、浊度传感器的数据输入及处理程序： 2、溶解氧传感器的数据输入及处理程序： ; 3、 H = 点程序 #第 14 页 共 35 页 #1 /脚配置 #2 /脚配置 #3 /脚配置 #4 /预留 #5 /预留 0); / 连接 脚 /* 网络配置及发送指令 */ Brn; ,rn; rn; ,rn; ,2000rn; ,80rn; rn; 76354/.1rrr; :,:; :,:; :,:; :,:; rn; rnrn:; /* 设置波特率、发送网络配置 */ 600); /设置波特率为 9600 00); /发送 第 15 页 共 35 页 00); /发送 00); /发送 00); /发送 00); /发送 00); /* 主循环程序 */ K; i; 0; 2; ; /定义温度值 /* 向 */ ; / /); /写入数据 000); ; /* 依次读取温度传感器发来的八位数据 */ 第 16 页 共 35 页 i = 0; i =10)89; 88; 第 17 页 共 35 页 * 00); 000); /输出 K); /输出温度值 ,); /输出浊度值 ,); /输出溶解氧值 ,); H); /输出 ); 00); 00); /* 向 */ ; 0; rn); 第 18 页 共 35 页 00); 013763/.1rn); =rn); rn); rn); rn); ); /*在获取到的数据中提取控制信号和报警信号 */ ) ); i=1; i0) ); = ); if()if()i+; j= 0;j;j+) if(j=& j+1=i & j+2=d & j+3=) j; ; 第 19 页 共 35 页 b= /* 执行报警模块 */ if(b=1) , /输出高电平，报警 5， ; /输出低电平 ,打开电磁阀 b); , /低电平，不报警 5， ; /高电平，关闭电磁阀 b); b); ; ; 络云平台 本设计采用的是中国移动物联网开放平台 为网络云平台，接收无线网络传送的数据。 中国移动物联网开放平台 于物联网 技术 和产业特点打造的开放平台和 生态环境 ，能够有效降低各类物联网应用开发和部署成本，满足物联网领域设备连接、协议适配、数据 存储 、数据安全、大数据分析等平台级服务需求。 第 20 页 共 35 页 图 11 中国移动互联网开发平台首页 图 12 中国移动互联网开放平台工程界面 要在该平台上使用，就要接入 先要在 建设备等一系列准备工作，然后要通过网络和 务器建立 接，最后将数据按照一定的协议 (比如： 包上传至 而实现设备终端接入。 注册好用户后，需要创建一个项目用来监控你所需要上传到云端的数据，并把它归类于区分，在建好项目之后，要依次添加设备、添加 加触发器。每个 每个数据流对应单独的一个采集参数（温度、解氧和浊度），这样一个基本的云平台才算建立好了。 第 21 页 共 35 页 图 13 云端项目基本信息 图 14 云平台 数据展示界面 位机软件设计 上 位 机 调 试 采 用 的 是 司自行研制的一种第 22 页 共 35 页 强大的程序开发环境，其类似于 言开发环境一样，有着可以完成大多数编程任务的函数库，各类函数库有这各种不一样的功能。但是， 它的计算机语言基本上都是基于文本的语言产生的代码，而 编写程序，程序是以框图的形式产生的，其开发环境集成了各种应用所需要的工具，帮助使用者解决问题和不断创新还能提高生产力。 言程序开发环境中 序由前面板和后面板组成，前面板主要有显示控件，人机用户操作界面和输入控件等控件来构成，是 序的交互式输入和输出端口，输入控件是 后面板程序框图提供数据的输入装置，显示控件则是显示后面板程序框图或生成的数据的输出装置，后面板便是程序框图，所有的数据源的处理都在程序框图中传送处理分析的，前面板的输入控件和显示控件都能在后面板中一个对象端点与之相对 应，输入控件对象的端点便是在 显示控件对象的端点便是 序框图中的数据流终点。每个控件端口之间的连线是其数据通道，数据都是单线流动的，也可以是从单一的数据源端口流向一个或多个接收目的端口，但是注意数据源的数据类型是否与接收端接收的数据类型一样，不一样的数据类型不能使数据源数据流动。 位机流程图 第 23 页 共 35 页 图 15 上位机报警流程图 位机主界面 图 16主界面前面板 本 接字符串控件、当前 建路径N 开始 初始化 窗体事件 接收数据 发出控制信号 Y 上位机报警 是否超过警戒上下限？ 第 24 页 共 35 页 控件、打开 用节点控件、关闭引用控件等控件组合成的主界面。 图 17主界面程序框图 位机监测界面 上位机监测界面分为自动监测界面和手动监测界面，采用选项卡方式进行切换。如图 18所示 图 18 自动检测界面 自动 /手动界面切换选项卡和手动 /自动检测切换的开关采用的是滑动开关控制的条件结构，选项卡及切换开关程序框图如图 19所示。 第 25 页 共 35 页 图 19 选项卡及切换开关程序框图 数据采集采用 模块程序框图如图 20所示，从左到右依次用打开 入 据控件、读取 闭 配正则表达式控件等控件组合，根据我们云端数据的协议及地址 图中与打开 接控件连接的“ 服务云端地址，“ 80”为远程端口，获取云端数据点是通过 求在 携带参数的形式实现的。 本设计中 求代码： 76354/.1 中“ 776354”是设备 是设备 余都是固定格式。 “ 2000000 ” 是 读 取 的 字 节 ， “ 3000 ” 指 的 是 超 时 毫 秒 ，“ d*-dd-ddsdd:dd:dd” 指的是匹配正则表达式控件的正则表达式 ，即获取到的数据中与时间匹配的字符串。 第 26 页 共 35 页 图 20 云端采集数据程序框图 史数据的查询 图 21 历史查询界面 图 22 历史查询程序框图 此模块采用了当前 径控件、创建路径控件、读取文本文件控件、关闭文件控件，以及一个 测得的四个参数数据采用比较方式输出布尔量，若超过设置的阈值则输出对应参数的报警灯会亮，并且然后采用或门将所有的布尔量进行或运算，然后将布尔量转换为（ 0,1），从而控制是否响报警声音。 第 27 页 共 35 页 图 23 报警灯 图 24 报警程序框图 图 25 报警声音程序框图 报警声音用于数据超过设定的阈值报警；报警声音由 140015001600图 25所示。 据输出 第 28 页 共 35 页 图 26 数据输出 图 27 数据输出程序框图 此模块采用的控件较多：包括格式化写入字符串控件、当前路径控件、创建路径控件、创建文件控件、设置文件位置控件、写入文本文件控件以及关闭文件控件等。在当前路径下，打开一个名为 已有文本文件，如文件不存在则创建一个名为 文本文件，系统获取监测数据，利用格式化写入字符串控件在 本文件的末尾写入新的监测数据字符串数据，即在保存原有的监测数据基础上，系统自动写入新的监测数据，方便工作人员的查看及以后的查询或打印。 4、传感器参数 正常开启节点，得到每个传感器上传上来的数值，需要对其进行标定。 度传感器标定 第 29 页 共 35 页 本设计采用的是 测过程中，我们配置了不同温度的5 杯溶液，分别对应的温度为 26 度、 32 度、 36 度、 44 度、 56 度的液体，对 其分别进行温度检测，得到的数据如下。 表 1 温度数据表 测量数据 414 514 574 705 753 896 实际温度（ ） 26 32 36 44 47 56 图 28 温度拟合曲线 根据上述的数据得出，溶解氧传感器的标定关系为 y= 解氧传感器标定 本设计采用 501 针型 电极是由指示电极铂金丝和银 氯化银参比电极复合而成。我们分别在冷开水、自来水、空气等不同的水环境中用溶解氧传感器进行测量，得到了如下数据。 表 2 溶解 氧数据表 不同水环境 测量数据 参考溶氧量 冷开水 878， 884， 923， 970 水、自来水、矿泉水等 1233,1300,1451,1464,1473,1481,1558 气中 1747,1749,1792 别取三种水环境中得到数据的平均值，和参考溶解氧量的中间值作为标定参数，得到的拟合曲线如图 29。 第 30 页 共 35 页 图 29 溶解氧拟合曲线 根据上述的数据得出，溶解氧传感器的标定关系为 y= H 传感器标定 本设计采用的是 3种 到 线性关系。 液用混合磷酸盐配置， 三种溶液测量中得到如下数据。 表 3 测量数据 30 根据上述测量数据得出， y= 度传感器标定 本设计采用 浊度传感器，该传感器 是利用光学原理，通过液体溶液第 31 页 共 35 页 中的透光率和散射率来综合判断浊度情况，由于浊度值是渐变量，通常在动态环境下检测，传感器采集的浊度值，需要外接控制进行 算得到对应环境下的浊度情况。 配置三种浑浊度不同的溶液，分别对其进行检测，得到下面数据： 表 4 浊度传感器数据表 实际数据（ %） 量数据 31 浊度拟定曲线 根据上述的数据得出，浊度 传感器的标定关系为 y = 5、软件调试 将节点接上电源， 上 ，正常启动，搜索网络，等一切都准备就绪，正常传输数据时， 口显示界面如图 29 所示，云端显示数据如图 30所示，上位机显示界面如图 32所示。 第 32 页 共 35 页 图 32 将 入代码，然后点击编译按键，如果编译没有错误就把 击上传，等待上传成功，程序以及成功的烧录到单片机里。 图 33 串口数据界面 第 33 页 共 35 页 图 34 云端数据界面 监控界面显示的工业废水四中指标：温度、溶解氧、 浊度，温度显示的单位为摄氏度，范围为 15 溶解氧的范围为 3 到 6， 范围为 6到 8，浊度的范围为 0
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