电路。
[0035]参照图4是电导率采集电路，电导率电极由两片相距一定距离的金属导体片组成，测量时浸入液体中，通过在电导率电极一端施加一恒定幅度、频率的正弦信号，电极的另一端根据液体的电导率输出不同幅值的电流信号，将电流转换为电压，再将转换后的电压信号处理成直流信号，将其通过单片机内部的A/D转换器输入到单片机进行电导率的计算，得出相应电导率值。
[0036]电导率电路分别由AD9850信号产生电路、采集电导率电路、电流转电压电路、AD637真有效值转换电路、放大电路组成。AD9850信号产生是通过单片机编程实现对AD9850芯片的控制产生幅值为500mV，频率为1KHz的正弦波信号。采集电导率电路中的电导电极由两片相距一定距离的金属导体片组成，测量时浸入液体中，通过在电导率电极一端施加一恒定幅度、频率的正弦信号，电极的另一端根据液体的电导率输出不同幅值的电流信号。电流转电压电路是将AD9850产生的正弦波接入电导率电极的一端，电导率电极的另一端输出的电流信号经电流转电压电路转换成电压信号输出。直流转换电路是用AD637芯片对转换后的电压信号进行处理，产生该信号的有效值，为直流信号。放大电路是用INA128对前级信号放大2倍，使电导率测量更精确。同时起到隔离作用，即使前、后级电路之间互不影响。输出信号为0.8V-2.5V直流信号。将其通过STM32单片机内部的A/D转换器输入到单片机进行电导率的计算。
[0037]电导率采集电路工作方式如下:
[0038]其中的AD9850信号产生电路是由AD9850波形发生器组成，AD9850采用32位的相位累加器将信号截断成14位输入到正弦查询表，查询表的输出再被截断成10位后输入到DAC，DAC再输出两个互补的电流;DAC满量程输出电流通过一个外接电阻RSET调节，典型值3.9千欧；将DAC的输出经低通滤波后接到AD985O内部的高速比较器上即可直接输出方波，在125MHz的时钟下，32位频率控制字可使AD9850输出频率分辨率达0.0291Hz。其中的电流转电压电路由R1、R2、0PA2227P运算放大器组成，可以将电导率电极输出的电流信号转换成电压信号。
[0039]参照图5是pH值采集电路示意图，pH电极是通过电位法测量水体pH值，产生的电压与pH呈线性关系。pH值采集电路由前置跟随、低通滤波、信号抬高三部分电路组成。pH电极输出电压约为_300mV至300mV，随pH值增大电压减小，呈线性关系。前置跟随电路中跟随部分用高输入阻抗运放CA3140E对pH电极产生的信号进行电压跟随。对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，因而对前后级电路起到“隔离”作用。低通滤波是将跟随后的信号用0PA227对信号进行滤波，得到有效信号。滤波电路同时将信号放大，范围为-1.5V至+
1.5V。信号抬高部分是将低通滤波后的信号用一片0PA2227运算放大器将电压的抬高1.5V，使信号大小调整为O?3V，以满足单片机内部A/D转换器可正常采集的直流信号输入范围。
[0040]pH值采集电路工作方式如下:
[0041]前置跟随部分由CA3140E双运算放大器、R4组成，对pH电极产生的信号进行电压跟随;其中低通滤波部分由R6、R5、C4、C5、0PA227低通滤波器组成，可对信号进行50Hz的2阶有源低通滤波;其中信号抬高部分由R7、R8、R10、11、R9、0PA2227运算放大器组成，可将信号抬高1.5V，使信号大小调整为O?3V。
[0042]参照图6是氟离子采集电路示意图，将氟离子电极放入待测液中，经过两级精密低功耗仪表放大器INAl 28放大，输入到单片机内进行模数转换计算，得到氟离子浓度值。
[0043]氟离子采集电路工作方式如下:
[0044]一级放大电路由R12、C6、C7、精密低功耗仪表放大器INA128P组成；其中二级放大由R13、C9、C8、精密低功耗仪表放大器INA128P组成，对信号进行两级放大。
[0045]参照图7是温度采集电路示意图，由R14和温度传感器构成。
[0046]温度采集电路的工作方式如下:
[0047]温度传感器采用DS18B20温度传感器，用于测量水温。DS18B20数字温度计提供9位(二进制)温度读数，指示水温。信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出至单片机，因此从单片机CPU到DS18B20仅需一条线。DS18B20的测量范围从-55°c到+125°C增量值为
0.5°C，可在Is(典型值)内把温度变换成数字。将得到的温度按水电导率温度补偿公式25 =Kt/(l+S(t-25))对之前计算出的电导率值进行温度补偿，得到最终电导率值。
[0048]利用STM32的ADCl通道0、1、2(对应单片机PA0、PA1、PA2 口)分别来采样pH电极、电导率电极、氟离子电极的外部电压值，采样频率12MHz，模数转换工作在扫描模式，扫描三个电极的输出信号。
[0049]RS232接口采用单工模式，通过串口通信的方式，将微处理器模块处理后的数据发送给CC2530无线通讯模块，所述的CC2530无线通讯模块是由CC2530F256单片机及其外设构成，用于广播经微处理模块处理后的水质数据，所述的水样采集控制模块，是由取样器、水栗、步进电机构成，当水体被污染，测量数据超过临界值时，微处理器控制水栗将水样抽取至取样器中保存。
[0050]所述数据采集节点还包括用于供电的电源模块，所述电源模块由依次连接的太阳能板、可充电电池和电源转换模块组成。所述太阳能板由两块背对的倾角为45°太阳能板组成，在阳光充足的情况下，充电电压可达12.4V，所述的可充电电池，在有光照的情况下，电压基本维持在12V稳定，与太阳能板结合，在野外可长期维持仪器能源，不断电，所述电源转换模块是由7809稳压芯片和7805稳压芯片组成，12V电压经7809稳压后变为9V，9V电压经7805稳压后变为5V，为单片机供电。
[0051]M2M平台服务器为一个机器间通信的平台，实现将数据封包后进行远距离传输的过程。
[0052]上位机通过对M2M平台服务器上数据的调用，实现对水质数据的实时调用分析，可以运用基于窗口的C#等编程语言进行界面程序的编写，其界面包括有初始窗口、数据采集节点选择窗口以及数据实时显示窗口。初始窗口用于显示产品、公司名称。数据采集节点选择的窗口可自动将检测到的节点进行编号，置于列表中供用户选择。数据实时显示窗口将接收到的参量显示在窗口相应位置，以供用户观测。上位机通过Socket通信接收由M2M平台服务器传来的包括PH、电导率、氟离子浓度、温度等参量在内的数据包，将数据包拆包后分别显示在对应位置。
【主权项】
1.一种远程水质自动监测系统，包括数据采集节点和上位机，其特征在于:所述数据采集节点为一组组网的数据采集节点，所述数据采集节点依次通过M2M网关、汇聚节点和M2M平台服务器与上位机连接，数据采集节点通过M2M网关与汇聚节点进行数据传递，汇聚节点通过GPRS网络与M2M平台服务器连接，M2M平台服务器通过I n t erne t网络与上位机连接;所述汇聚节点由CC2530无线通讯模块和GPRS模块组成;所述数据采集节点包括依次连接的数据采集模块、微处理器和CC2530无线通信模块，其中数据采集模块包括相互连接的数据采集电路和信号调理电路连接，数据采集模块通过信号调理电路与微处理器连接，单片机通过RS232接口与CC2530无线通信模块连接;所述微处理器采用STM32单片机;数据采集电路包括分别与信号调理电路连接的PH值采集电路、电导率采集电路、氟离子采集电路和温度米集电路。2.根据权利要求1所述的远程水质自动监测系统，其特征在于:所述数据采集节点还包括用于供电的电源模块，所述电源模块由依次连接的太阳能板、可充电电池和电源转换模块组成。
【专利摘要】本发明提供了一种远程水质自动监测系统，包括数据采集节点和上位机，所述数据采集节点为一组组网的数据采集节点，所述数据采集节点依次通过M2M网关、汇聚节点和M2M平台服务器与上位机连接，数据采集节点通过M2M网关与汇聚节点进行数据传递，汇聚节点通过GPRS网络与M2M平台服务器连接，M2M平台服务器通过Internet网络与上位机连接。本发明将WSN与M2M技术相结合，为自动监测水质、自动分析数据、可自动采集水样提供了硬件支持，具有智能化程度高，响应速度快、功耗低、操作方便的优点。
【IPC分类】G01N27/06, G01K7/00, G01N27/416, H04L29/08
【公开号】CN105510397
【申请号】CN201510853251
【发明人】吕琳, 杜坤
【申请人】中国地质大学（武汉）
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2015年11月27日