能源自给型水质监测系统的设计与研究_免费论文全文下载

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【摘 要】水质监测是水资源管理与保护的重要基础，是保护水�h境的重要手段。本文设计了一种基于风光互补和无线传感网络的水质监测系统，首先介绍了系统整体设计方案，然后对系统的工作原理进行分析，最后对水质监测系统进行硬件和软件的设计。

【关键词】水质监测；风光互补；无线传感网络
【Abstract】Water quality monitoring is an important basis for water resources management and protection， and is an important means to protect water environment. This paper describes the design of a water quality monitoring system is based on Wind-solar？Hybrid and wireless sensor network， First of all， the overall design of the system is introduced， and then the working principle of the system is analyzed. Finally， the hardware and software of the water quality monitoring system are designed.
【Key words】Water quality monitoring； Wind-solar Hybrid； Wireless Sensor Network
0 引言
传统的河流水质监测需耗费大量的物力和人力，对一些地理条件较差，交通不便的河道地区，需要监测人员长期驻守管理，给检测过程带来诸多不便[1-3]。因而，建立水质参数远程监控系统，对河流环境中的温度、溶解氧、pH值等影响水生物生存的因素进行远程实时监控，将成为提高河流水质水平的一个重要部分。
1 能源自给性水质检测系统工作原理
系统构成包括：电源模块、传感器检测模块、数据处理模块、数据传输模块、和远程监控中心。电源模块的设计包括太阳能电池板、风力发电机、锂电池、风光互补控制器以及DC/DC升降压电路。当阳光照射太阳能电池或者风力发电机转动时，发电系统输出电压并通过风光互补控制器转给锂电池充电[4-5]，锂电池通过DC/DC升降压电路转换为电压满足系统各部分供电要求。传感器检测部分包括溶解氧、PH和温度传感器，由于部分传感器如溶解氧传感器和PH探头采集的数据较微弱，且自身的内阻很大，因此需要设计调理放大电路处理其输出信号，然后输入到单片机进行处理。控制器由MSP430F149及其外围电路构成。控制器负责对传感器检测部分采集到的水质参数进行处理，并控制整个系统正常有序地工作。数据传输模块包括Zigbee无线数据传输模块和GPRS模块，检测节点通过Zigbee模块把采集的水质参数传输至汇聚节点，考虑到汇聚节点到远程监控中心的距离较远，Zigbee模块无法进行长距离传输，因而采用GPRS模块将水质参数传输到远程监控中心。远程控制中心由上位机构成，采用C#编写监控界面，能够实现对检测到的水质参数进行实时显示、保存，便于分析。
2 系统硬件设计
（1）数据采集模块：
温度传感器选用PT1000，测量精度为0.1℃。PT1000是铀热电阻，在零摄氏度时，PT1000阻值为1000欧姆，它的阻值会随着温度上升而匀速增长，整体呈线性变化。
由于温度对溶解氧会产生影响，故选用带有温度补偿的传感器。选取YCS-2000溶解氧传感器，测量范围为0～20mg/L，测量精度：0.1mg/L，温度补偿为0～40℃。传感器输出电压范围为0～200mV，输出信号经过放大电路后接入单片机进行AD转换，信号放大器采用OP07运算放大器。
pH复合电极的测量范围：0～14，测量精度：0.02。由于其输出信号是毫伏级别的电压信号，因而需要利用放大调理电路对传感器输出信号进行处理，才能输入单片机，放大器采用OP07运算放大器，提高测量电路的输入阻抗，进行滤波放大。
（2）DC/DC升降压电路
升降压模块分别采用LM1117-3.3V和LM7805两块稳压芯构成的稳压电路为MSP430F149和检测部分、无线通信部分提供稳定的3.3V和5V电压。
（3）数据处理模块
本系统核心处理器16位MSP430F149单片机，依托其超低功耗、强大的数据处理能力等特性，可以对风光互补输入信号进行有效的处理。MSP430F149单片机具有12位高精度A/D转换模块，实现对输入信号的模数转换。此外，单片机系统还要对GPRS模块进行编程控制，完成连接网关以及数据传输等功能。
（4）数据传输模块
Zigbee设备选用TI公司生产的CC2530模块，其工作温度为-40℃～125℃，灵敏度为-110dBm，频率为2.4G。传感器检测节点将检测到得水质参数输入单片机进行AD转换之后，经过路由节点，传输至汇聚节点，完成监测数据的短距传输。
GPRS模块选用型号为USR-GPRS232-730，工作电压约5V，该模块同时拥有RS232和RS485两种接口，可以对数据进行远距离传输。
3 系统软件设计
远程控制中心主要由上位机构成，MSP430F149单片机通过RS232或RS485接口同上位机进行通信，上位机界面采用C#进行编写能够实现对水质参数的实时显示和保存，有利于问题分析，提高了系统数据的可靠性。
4 结束语
本文设计了一种能源自给性远程水质监测系统，综合考虑实际应用的需要，综合利用风光互补发电技术、无线传感网络技术、单片机技术等搭建了一个远程水质实时监测系统，这对保护河流水质安全、提升河流水质质量以及预防河流污染，保护河流环境具有重要意义。
【参考文献】
[1]张国杰，陈凯，颜志刚，王文豪.基于无线传感器网络的水质监测系统研究[J]. 机电工程，2016（03）：366-372.
[2]李继安.面向水质监测的无线传感器网络能效优化与综合评估研究[D].华中科技大学，2014.
[3]赵敏华，李莉，呼娜.基于无线传感器网络的水质监测系统设计[J].计算机工程，2014（02）：92-96.
[4]王涛.小型风光互补发电系统控制器的研究[D].合肥工业大学，2009.
[5]黄晶忠.小型独立运行的风光互补发电系统[J].中国西部科技，2008（04）：24-26.
[责任编辑：朱丽娜]

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