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多参数水效在线检测系统的设计
摘要：设计了一种多参数模块化水效在线检测系统。取水和循环模块实现自动取水和循环；水效检测模块实时检测pH、电导率、浑浊度、硬度等水效参数和温度、压力、流量计等管路参数；数据处理模块对上述数据进行转换和分析。数据通信方式采用Modbus通信协议。检测机构通过上位机直观地了解用水产品水效情况，实现对目标水效的实时监控。所设计的多参数水效在线检测系统为用水产品水效检测提供了一个良好的解决方案。
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随着经济的高速发展，家庭用水水效逐渐成为了人们关注的重点。众所周知，对水效影响较大的参数有水温、pH值、电导率以及水的浑浊度等[1],这些参数可以共同反映水体的质量状况，预测水效发展趋势，为水效监测提供必不可少的科学依据[2～4]。
传统的水效检测方法耗材量大，人工操作繁琐，取样率低，无法同时测量多种水效参数并且不能实现对目标水效的实时在线远程监测等问题。因此，设计一种低成本、低功耗、高精度、高取样率的智能化水效检测系统吸引了很多研究人员的关注[5,6]。
基于以上问题，本文提出并设计了一种多参数水效在线检测系统，通过检测模块实现温度、压力、pH、电导率、硬度等多种水效参数的实时在线检测，使用远程通信，将采集到的数据实时上传至服务器，同时进行分析，进而对水效环境进行智能控制。
1、系统方案设计
智能水效在线检测系统采取模块化设计，主要由取水和循环模块、水效检测模块、控制系统和界面模块、数据处理模块4个部分组成，系统整机系统框图如图1所示。
图1系统整机系统框图
1.1取水和循环模块
取水和循环系统模块分为集中供水端和分支供水端2个部分。主要功能是取样、水量检测、样本储存和压力保护等，系统集中供水端功能框图如图2所示。
图2集中供水端功能框图
1.1.1集中供水端
供水泵和前置处理器提供的纯水，经过调解桶C的加药搅拌、缓冲桶B的搅拌与调温、供水桶A的水效检测，最终控制在(25±1)℃进入12路样机1-12中。同时所有样机配有电功率仪表，用于监测样机耗电量。
水路原理如图3所示。
图3水路原理
1.1.2分支供水端
分支供水端与集中供水区别在于以下几点：
1)每个分支供水桶都配有自动/手动加药口、搅拌电机、加热组件、冷凝器、盘管、温度传感器，其中桶1和桶6配有水效检测模块。
2)分支供水桶出水口配有压力传感器。
3)分支样机1-6的净水和废水出来会通过三通阀、过滤器和回收电磁阀回流至分支供水桶中。
1.2水效检测模块
水效检测模块通过使用多种类型传感器，如温度、pH、余氯、电导率、压力、浊度、硬度、电量等传感器来实现对目标水效的全方位、多参数的检测，其中压力控制在(0.1～0.9)MPa范围内，pH值为6.5～8.5[7,8],余氯含量低于0.7 mg/L时[9]。
1.3数据处理模块
数据处理模块是将不同传感器采集的模拟电压信号通过AD976模数转换为二进制信号，再通过STM32F 103VET6微处理器控制芯片处理，最后通过远程数据传输模块传至控制软件与应用软件。
1.3.1模数转换
系统会收集多种水效参数，设置有多路传感器采集信号进行分时处理，因多种传感器信号均包含正负电压，故选择MAX306作为模拟信号开关。模拟信号选择开关电路如图4所示。
图4模拟信号选择开关电路
由于pH、浊度、余氯等传感器输出的是模拟电压信号，而主控制器STM32不能识别模拟信号，所以需要用AD976模数转换芯片将上述模拟电压信号转换为二进制信号，供STM32识别处理。
图5为该芯片的模数转换电路。
图5模数转换电路
图6为系统软件设计采用的转换模式时序图。
图6转换模式时序图
1.3.2远程数据传输
在系统中，水效参数数据经STM32处理后，选择ENC28J60模块作为以太网接口，实现快速数据吞吐，通信方面选择5 G通信技术，选择Modbus通信协议作为系统的数据通信方式；采取一主多从的布局模式，网络底层总线选择RS485差分数据信号作为输入方式，将数据上传至上位机供用户进行监控以及控制。
1.4控制系统和界面模块
1.4.1控制系统
控制系统采用嵌入式软件系统作为操控核心端，自上而下的对设备硬件以及软件进行调控，控制系统基本框架以及控制系统基本网络架构如图7和图8所示。
图7控制系统基本架构
图8控制系统基本网络架构
控制系统负责对建立的设备参数智能传感器阵列模型进行控制，实现水效参数等的一体化检测；控制阀门、开关、流量计等设备；将实时的采集设备的进水温度压力、出水温度压力等信息存储到存储模块中；将数据发送给服务器即检测中心实现实时监控以及负责报警和恒温控制等。其中，报警模块可以在当前水效不符合设定范围的标准时提醒用户。当检测数据超过设定的上、下限时，LED灯亮起，同时蜂鸣器会提示警报[8,9]。恒温模块是由安装在水箱箱体两侧的贴片接触式温度传感器，将读取的数据传输到主控STM32芯片，由系统根据用户设定的恒温温度要求判断之后工作的运行方式是制冷还是加热[10～12]。温度调节器开关控制电路如图9所示。
图9半导体温度调节开关控制电路
1.4.2界面交互
界面交互通过人工参与调控控制并且实时对系统进行在线检测。
1)PC端实时显示界面
PC端软件的实时显示界面直观地将采集到的数据显示出来，并通过系统程序对数据进行存储与分析，界面设计框架结构如图10所示。
图10界面设计框架架构图
系统设置主要包括串口设置、建立数据文本、用户认证、仪器标定4个方面。进入系统界面后，首先需要建立通信串口配置，其次，系统需要对登录的用户进行身份验证。系统设置相关界面如图11所示。
图11系统设置相关界面
反应控制是对各水效参数仪器的运行状态进行控制。通过观察各检测模块对应的I/O口的LED亮—灭，来确定水效参数仪器的运行状况。反应控制界面如图12所示。
图12反应控制界面
数据操作主要包括数据数值呈现以及系统自动绘制数据曲线分析图两大功能。在系统中，绘制曲线主要是采用开源图标绘制控件ZedGraph,可以将采集到的数据绘制成动态折线图，从而直观地体现水效的变化趋势。
数据存储主要包括用户信息的存储、水效参数信息的存储和导出。信息被存储至数据库里的权限信息表。系统中通过水效检测模块将采集到的数据传输到上位机PC端，并将其存储至检测参数表。
2)App软件的实时显示界面
以工业用水检测为例，移动端App界面如图13所示。移动端App软件主要实现系统测试以及工作过程中数据的监测、回放、结果统计。
图13 App效果示意
2、实验模拟
在实验室内，进行了小型的水效参数检测试验。利用系统中的水效检测模块对定时定量的不同水样进行参数测试，并且将得到的数据进行导出绘图处理，验证本系统的可实施性以及可行性。测试水样同一天的参数求均值与标准值对比如表1所示。
表1测试水样参数结果
由模拟实验数据可以直观地看出：多参数水效检测系统可以实时对同一种水样进行不同参数的检测并且能够实现数据的采集、整理等功能，具有广阔的发展前景。
3、结 论
本文设计的多参数水效在线检测系统能够实现水效参数的实时在线检测，同时进行数据分析，进而对水效环境进行智能控制，同时通过PC端软件的实时显示界面和移动端App移动端实时显示界面设计实现了数据实时显示、用户管理、参数设置、数据下载等多种功能，满足了对水效检测的需求。系统以多传感器技术为依托，并结合现代化的电子科技和全自动化技术，同时利用嵌入式微控制技术，可以有效提高检测系统的集成度和智能能力，实现全自动化的用水产品水效的高精度和高可靠性检测。
多参数水效在线检测系统实现了对于用水产品的水效检测，满足了实验室对水效参数的自动快检、核查和数据上传、实时监测与报警的需求，在用水产品的水效检测方面具有积极的现实意义和参考价值。
参考文献:
[1]杨艳,谢艳群.基于STC89C52的鱼塘水质检测系统[J].广东石油化工学院学报,2020,30(4):37-39.
[2]徐华龙,衷卫声.基于FPGA的水质监测平台通信协议设计[J].传感器与微系统,2019,18(5):84-86,89.
[3]刘晓东,吴佳琪,黄旭,等.基于FPGA的多功能数据采集系统设计[J].传感器与微系统,2017,36(7):96-99.
[4]刘付勇.常规参数水质检测系统的设计与实验[D].重庆:重庆大学,2011.
[5]陈梦婷.基于STM32的水质COD检测系统设计与实现[D].武汉:湖北工业大学,2020.
[6]唐明佳,田孝文,周子鹏.基于嵌入式物联网技术的水质检测系统设计[J].吉首大学学报(自然科学版),2020,41(3):23.
[7]秦平.在线多参数水质检测系统的设计[D].西安:西安电子科技大学,2017.
基金资助:国家市场监管管理总局重点实验室(能效水效及绿色化)开放基金资助项目(2023SYSKF01003);
文章来源:王统帅,李玉欣,李晓敏,等.多参数水效在线检测系统的设计[J].传感器与微系统,2024,43(10):124-127.
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期刊名称：传感器与微系统
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主管单位：中国电子科技集团公司
主办单位：中国电子科技集团公司第四十九研究所
出版地方：黑龙江
专业分类：科技
国际刊号：2096-2436
国内刊号：23-1537/TN
邮发代号：14-203
创刊时间：1982年
发行周期：月刊
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