基于WIFI物联 环境水体智能监控

在无线技术迅速发展的今天，无线监控也得到广泛应用，将其应用到水环境监测中具有重要意义，便于及时了解水的ｐＨ值、水温、浑浊度等情况。可应用

GPRS和Zigbee等技术采集所需数据，监控终端应用计算机进行，但是由于其无法灵活监控、价格昂贵，因此不适合应用与养殖户中。现阶段，我国大部分水产养殖户对水质监测普遍使用GPRS技术与Zigbee技术，以此来了解水的温度、ｐＨ值、溶解含氧量等情况，这两种技术能够进行远程监控，并可自动 警，使水环境实现远程智能化监控。Zigbee技术的优势在于自组

织和功耗低，在无线传感器 络中更适合应用，但是也有一定缺陷，比如：传输速度较慢、组 复杂、系统不具备良好的扩展性等，在通信技术方面受到限制，因此对有数据传输要求的区域不适合应用。GPRS通用分组通信技术，技术相对成熟，覆盖的 络范围较广，在各行各业中的远程通信中得以应用。在当前通信数据量与日俱增的今天，项目工程需要较多的后续投入，同时也制约了通信速率。

此次研究在WIFI物联 环境下对水体智能监控仪表进行分析。以期利用相关智能仪表进行溶氧量、ｐＨ值和水温等的在线精准监测。无线传感器 络（ＷＳＮ）具备计算、控制、感知和无线通信功能，在环境监控、军事、国防和农业领域得到广泛应用。WIFI属于短距离无线通信协议，在当前已经普及使用。

１整体设计方案

在进行方案设计时应遵循经济性高、自动组 、无须布线、便于维护的原则，对于水质相关参数可以有效查看。设计的整体WIFI物联 智能水体系统图见图１。

采取智能水体仪表可以有效收集、检验水质的相关参数，然后将数据显示出来并完成发送，有警 的功效，能够计算温度补偿、清洗电极等（图２为结构框架图）。主要包括以下几方面构造：供电、主控和信号调理等模块，以及传感器。以水体仪表功能不同为基础，智能仪表所包含的硬件设施也存在差异性［１］。其工作原理为：利用传感器调理模块采集被测量的数据，进一步扩大所采集的数据，然后完成滤波、Ａ／Ｄ转换和数据处理，储存至储存器内，利用WIFI模块将完成处理的数据传达至上级主控模块中，使用者还能自主设计智能仪表的日期时间、通信速率、系统 警值等重要参数。通过这种模式使上层主模块和现场数据时刻掌控，根据需求随时进行数据查询。

２硬件电路

硬件电路中将意法半导体ARM系列芯片STM32F105RBT6当作仪表芯片的主体，应用此控制器进行仪表设计的主要优点即为若干种片内资源集合在片中，比如电源管理、时钟、若干ＤＭＡ控制器、多个通信接口（最多可达１３个）、多个定时器（最多可达１１个）以及复位等，且为ＳＷＤ与ＪＴＡＧ接口调试提供了有利条件。芯片供电电压为３．３Ｖ，进一步设计其内部ＰＬＬ，其工作频率最高能够达到７２ＭＨｚ，同时在片内集成１２位逐次逼近型Ａ／Ｄ转换器。所支持外部信号源测量能够高达１６个，每个通道的Ａ／Ｄ转换都能够以扫描的方式或者单次的方式完成，转换结束的数据资料被储存在１６位数据的寄存器中。在进行芯片外围电路设计时，需要设计储存电路、显示电路、晶振模块和WIFI通信电路等，以符合智能仪表所需功能要求。

WIFI模块使用的组件为嵌入式HF-A11，这种嵌入式WIFI模组可将以太 ／ＵＡＲＴ／ＧＰＩＯ等接口数据传输

图１　WIFI物联 环境水体智能监控系统图

图２　WIFI物联 环境水体智能监控仪表设计图

至WIFI接口。STM32F105RBT6通过HF-A11模组作用，和WIFI无线 络串联在一起，从而切实控制物联 运行。HF-A11嵌入式模组的构成主要为ＷＬＡＮＭＡＣ、基带处理以及射频前端硬件，软件可将ＴＣＰ／ＩＰ协议、配置管理和ＩＥＥＥ　８０２．１１ｂ／ｇ／ｎ　ＷＬＡＮ协议全面、完整地提供出来。在编程系统的工作中不用对WIFI有关协议和标准进行掌握，就能够在短时间内完成水体智能仪表的无线解决方案。

为避免ｐＨ传感器出现极化现象，需要ｐＨ值监测电路输入阻抗较高的值，便于降低ｐＨ值传感器中流通电流时造成的降压，将电压添加到运放的正负输入端上，使输入阻抗提高。因电极采样为±５００ｍＶ的输出电压，因此在输出过程中将参考电压增加至Ｖｒｅｆ。同时还应注意输入阻抗保持均衡，其中Ｒ１３＝Ｒ１４，Ｒ１２＝Ｒ１５，Ｒ１９＝Ｒ２０；且在具体使用时，各种因素都会影响到ｐＨ值信号，因此将滤波电路增设至放大电路后部［２］。经相关检测显示，各输出信号之间有良好的线性关系，可符合智能仪表实际设计要求。

电路中的PT100温度传感器为电路自带传感器，待到处于１００℃高温时，其阻值在１３８Ω左右，而待温度降至０℃时，其阻值在１００Ω。通过PT100的这种特点进行输出值和温度的互相转变。

溶氧仪主要包括两种膜电极种类：一种是原电池型；另一种是极谱型。其中极谱型传感器将０．７３５Ｖ左右的极化电压加至阴阳两极之间以后，氧在薄膜上渗透之后，便会还原至阴极。因为氧化还原反应出现在电极上，与原样品成正比的氧分压电流在电子转换中出现。当在有氧时，溶解氧浓度的传输则像电流一

样达到调理电路［３］。将极谱型与原电池型传感器相比则前者具有一定优势，包括良好的精准度、工作年限更长等，基本能够达到用户要求。采用极谱型膜电极进行本次试验研究。电路的构成部分主要为滤波器和两级放大器，电路中的前置放大器应用ＣＡ３１４０ＥＺ放大器，其特点在于阻值高，在进行信号采集时，能够有效防止信号弱化，使电流第一级放大，电路所选择的前置放大器为阻抗较高的ＣＡ３１４０ＥＺ放大器，利用其采集相关信号，并避免信号发生衰减，放大电流的第一级，二级滤波应使用ＯＰ０７放大［４］。在温度的干扰下，电

流从溶解氧电极中流出也呈现出增大趋势［５］。针对这种情况，在具体应用过程中还应适当补偿测量的温度结果。

表１　研究数据表的分析比较

３系统软件设计

此次研究在设计程序的过程中设计方式为模块化进行，采用模块编写与调试的方式对控制器所需完成的功能进行划分，分开处理需要个别调试的模块，应用联调的方式调节不同模块。这种软件的内容可划分成两部分，即系统主程序与任务子程序。前者的工作主要是调度任务，后者的主要工作是系统的子功能各项工作［６］。主程序需要依照流程完成相关子模块程序的执行，初始化系统，控制系统各项任务。系统的软件也可分成两大内容：一是应用程序软件；二是嵌入式μＣ／ＯＳ－Ⅱ操作系统内核，如图３所示。

图３　控制软件系统图

４研究结果

本次研究对水质温度、溶解氧和ｐＨ值等参数进行监控分析，具体数据见表１。将设计的智能仪表与普通测量仪器相比，其测量值全部都达到了实际应用所需。另外，研究的WIFI传输距离已经超出２０ｍ，进一步设置了WIFI外置天线，传输距离更远，监测效果更佳。

５结语

此次研究在WIFI物联 环境下对水体智能监控仪表进行分析，设计了一款可以对水质环境进行动态监测的仪表。其能够实现不同环境的水质监测，且利用无线传输为上层主控模块传递相关数据。研究结果显示，将这种智能仪表应用到水产养殖管理当中，可有效提高水产养殖的科学性，保证水质环境适合水产品需要，满足养殖需求，使养殖工艺得以发展［７］。但是，随着WIFI物联 的不断发展，对于水体的智能监测也应不断研究，与时俱进，为水产养殖提供更强的技术支持。