1、基于4G的水质参数远程监测系统研究 摘 要 近年来随着我国经济飞速的发展，对水资源的破坏也日益严重。无论是生活需求用水还是工业废水的处理都存在这严重问题，由于水质净化技术的不成熟，对水质监测的实时性存在着很大的缺陷，水污染也给人们一个很大的挑战。所以对水资源保护和治理刻不容缓。如何节约用水，环保用水，循环用水是我们新一代的首要任务。为此，对水的监测尤为重要。传统的水质监测大多都是利用人工采样，检测范围较小，自动化与信息化程度较低，而且实时周期长，效率低。这与我们的时代主题不符。所以新型的水质参数监测系统研究迅猛发展。 基于我国水质监测的需求，本文基于4G通讯技术，是以AT89C52 作为主控单
2、片机，实现的对水质进行监测，用我们熟悉的温度、溶解氧、氨氮、PH等传感器来收集水的各个参数，然后液晶屏上就会实时显示被测水质的温度、溶解氧、氨氮和pH值，最后利用4G通信远程发送数据。替代了以往的人工监测，具有非常明显的应用价值。关键词 4G 水质监测 单片机 数据采集 A/D转换 无线传感器Research on remote monitoring system of water qualityparameters based on 4 GAbstract With the rapid development of Chinas economy in recent years, the de
3、struction of water resources is also growing. Whether it is life needs or the treatment of industrial waste water there are serious problems, due to the immature water purification technology, water quality monitoring real-time there is a big flaw, water pollution also gives people a big challenge.
4、So the water resources protection and governance without delay. How to save water, environmental water, recycling water is our new generation of the primary task. To this end, monitoring of water is particularly important. Most of the traditional water quality monitoring is the use of manual samplin
5、g, detection range is small, low degree of automation and information, and real-time long cycle, low efficiency. This does not match our theme of the times. So the rapid development of new water quality parameter monitoring system. Based on the requirements of water quality monitoring in China, this
6、 paper is based on 4G communication technology, AT89C52 as the main control micro controller, to achieve the water quality monitoring, with our familiar temperature, dissolved oxygen, ammonia, pH and other sensors to collect water parameters, and then LCD screen will be displayed in real time measur
7、ed water temperature, dissolved oxygen, ammonia and pH, and finally use 4G communication to send data remotely. Instead of the previous manual monitoring, has a very significant application value.Key words：4G water quality monitoring Single chip data collection A / D conversion Wireless sensor目录 第一章
8、 绪论11.1我国水质监测背景11.2国内水质监测技术的研究与发展的现状11.3国外水质监测技术的研究与发展现状2第二章 监测方案的选择和论述32.1 pH值的测量方法和pH传感器32.2 氨氮的测量方法及其传感器52.3 混浊度及浊度传感器6第三章 硬件电路原理及功能概述83.1 ADC0832芯片的介绍83.2 单片机芯片的选择83.2.1方案一：AT89C52单片机83.2.2方案二：STC89C52单片机93.3 液晶芯片的选择93.3.1方案一：采用12864液晶显示屏93.3.2方案二：采用LCD1602液晶显示屏103.4 4G模块与通讯协议10第四章硬件电路设计及软件电路设计1
9、24.1单片机的控制电路124.2复位电路设计124.3 电源电路设计134.4 时钟电路设计134.5 软件主程序流程图144.6 A/D转换电路流程图154.7 STC89C52的简介164.8 LCD1602液晶显示模块的简介174.8.1 LCD1602各引脚的功能174.8.2 LCD1602显示模块电路原理图184.9 水质转换检测电路19总结20展望21致谢21参考文献23第一章 绪论1.1我国水质监测背景随着我国经济的日益发展，人口数量庞大，对水资源的需求日益增多，同时对水环境的破坏也不断增大。这要求我们必须合理用水，环保节水。在当今社会，全世界都在面临纯净水水危机，我国也在其
10、中。毋容置疑，我国的是世界人口最多的国家，原本水资源丰富的大国人均拥水量显得不足，加上水分布不均，水资源的浪费与污染严重，城市缺水等严重导致了我国水资源短缺。这个背景下，对水的监测系统也日益发展起来了。水质监测主要以水温、PH、溶氧、浑浊度等为基础参数进行监测研究。传统的水质监测大多都是人工采集，不仅速度慢效率低，而且十分繁琐。这样，就要求我们去寻求更先进的技术来实现对水质的实时监测。随着网络的覆盖，在无线通信技术中，4GLTE网络以其特有的低功耗 、低速率延时短的优点在农业，工业，生态保护等各大领域占有突出地位。水质监测为水环境保护提供数据和资料,是水资源环境管理与保护的重要手段,而对水质的
11、监测和管理影响到人民生活的各个方面。我国正处于经济迅速发展的阶段,如何在保护环境尤其是水资源的同时发展经济,也已经成为社会的焦点问题。因此有必要建立水质实时监测系统,使水污染能被及时发现,减少经济损失。1.2国内水质监测技术的研究与发展的现状水质的优劣能直接影响人们的生活。就生活用水方面来讲，水污染容易让人们感染上一些疾病。就工业用水来讲，工业废水和城市污水对江河湖泊生态有着巨大的破坏力，而且一旦被污染就难以修复。传统的水质监测大多是人工亲自采集样品将样本带到实验室进行分析，这样不仅增加了水质监测的周期，而且成效很低，水质污染带来的损失已无法挽回。基于4G网络的水质监测系统能够针对水质的具体情
12、况，对采集到的信息实时发送给远程服务器，进行分析与处理。这就避免了因为发现问题晚造成不必要的损失。因此我们需要一种能够普及的实时监测系统。这也是我这次设计的目的所在。我国水质监测技术是从近些年才发展起来的。由于国内设备比较传统，只能完成水质部分参数的监测，技术也才开始起步。2000年以前的水质监测仪器基本是国外进口。这种现象很难满足我国如此复杂且多变的水环境。2000年后随着技术的交流，国家对水质监测的重视，水质监测系统得到了飞速的发展。不仅引进了大量的 先进技术和资源，我国自我研发出的监测仪器也陆续出现，例如西安交大研制的第一台顺序注射自动监测仪，数据采集器和虚拟仪器等等。直到2009年，中
13、国在对废水污染源的监测设备成本已经超过10亿元，预计在接下来的几年内对设备的投入将持续增长。我国还特例规定单位GDP能耗每年减少4%，污水排放至少减少10%的目标。在水污染的防治过程中，水质监测主要作用是污染预警、持续性污染物的含量监测和水质治理效果评判的重要方式。我国也有近百家大型企业生产监测系统，主要产品有COD在线监测仪、氨氮监测仪、水质五参数监测仪、水质采样器等等，为中国的水质检测系统的发展奠定了很大的基础。1.3国外水质监测技术的研究与发展现状由于人们对水质的需求，国外的一些发达国家很早就能生产水质监测仪器了，而且该技术仍在不断地发展。起初，测试人员亲自去采样地收集待测水，然后带回实
14、验室，对这些水进行各个方面的检测。该方案的缺陷是不能获取水的实时动态数据，而且操作冗长繁琐。随着人们对技术的精益求精，对未知的不断探索，像日本、美国、德国等发达国家在不断完善仪器的功能和精度。就在上个世纪六七十年他们开始应用自己研发的监测系统来实时监测各种水状。在1960年的时候美国就建立了较完善的水质监测系统，1975年美国已经有各式各样的水质监测站超过10000个。先进的技术使得美国成为当今水质监测实力最强的国家之一。英国、法国也在上世纪各重点领域建立了完善的水质监测系统。例如DAEWS是多瑙河旁的许多国家共同通过的一个方案。它可以监测多瑙河各个水段的及时信息，只要发生河水污染问题，4G通
15、信系统就会启动预警，为服务站发送消息，再由人们拟定排除方案。第二章 监测方案的选择和论述2.1 pH值的测量方法和pH传感器生活中常用的测定溶液pH值的方法有pH指示剂法、pH试纸测量法和pH选择电极测定方法。在现代工业过程中测量pH值的主要方法是电极测定法，使用最多的是玻璃电极。pH选择电极测定法，是根据放在溶液中的测量电极和参比电极之间电动势变化来确定溶液的pH值的。pH选择电极测定法多数使用的是玻璃电极。玻璃电极有个玻璃容器，能够装一种液体，然后将被测液体放入此玻璃容器中。玻璃电极的玻璃容器有一个非常薄的膜，把两种溶液分离开，溶液两侧因为离子浓度差就会产生很小的电动势E，而这个电动势和两个溶液的pH值有关。在两个溶液中分别放入电极，就可以测量它们之间的电动势。通过测量这个电动势来推测出两个溶液的pH值的差，如果知道玻璃电极容器内溶液的pH 值，就能够计算出所测溶液的pH 值。在玻璃电极和另一个电极之间产生的电动势会满足能斯特方程，具体方程表示为： （2-1）上式中：E为平衡电极电位；为标准电极电位；N为得失电子数；F为法拉第常数96485CMOL；R为气体常数8314J(molK)；T为热力学温度；A为氧化态物质的活跃度；B为还