论文总字数：16379字

目 录

一．绪论 1

1.1 水质监测方法 1

1.2水质监测国内外发展状况 1

1.3本课题的研究意义 2

1.4 本课题设计的任务及要求 3

二．移动水质监测系统总体设计方案 4

2.1 主控部件选择 4

2.2总体系统设计方案 4

三．系统硬件设计 6

3.1 主控ARM的选择 6

3.1.1 ARM微处理器介绍与选择 6

3.1.2 STM32F103微处理器 6

3.2 STM32F103最小系统与下载模式的设计 7

3.2.1 STM32F103最小系统的设计 7

3.2.2 STM32F103下载模式的设计 8

3.2.3 STM32F103时钟电路 9

3.3 BMP180温度气压模块设计 10

3.4 PH值采集监测模块设计 11

3.5 浊度检测传感器模块 12

3.6 GPS 北斗双定位模块 13

3.7 无线通信模块的设计 15

四．水质监测系统的软件设计 17

4.1 系统开发环境简介 17

4.2 系统软件总体设计 18

4.3 BMP180温度气压模块设计 18

4.4 PH值采集检测模块的设计 19

4.5 浊度传感器模块设计 20

4.6 北斗 GPS定位模块设计 20

4.7 无线数传模块设计 21

五．系统调试与仿真 23

5.1 硬件调试 23

5.2 水质参数测量结果 23

5.3 实验数据分析 24

参考文献 25

致谢 26

一种简易基于无人船的移动水质监测系统设计

开诚治

，China

Abstract：Aiming at the problems existing in China's water quality monitoring system, that is, limited monitoring range, fixed position of automatic monitoring station, and insufficient quantity, a small-scale mobile water quality monitoring system based on STM32 microprocessor with low cost, small volume, and flexible operation was designed and implemented. . Improve the current mobile monitoring equipment such as monitoring boats, monitoring vehicles and other manufacturing costs, mobile inconvenience, large and difficult to spread widely in a wide range of situations, to a certain extent, can be more convenient for data collection and analysis, reducing human resources Investment will help to monitor water quality and promote water quality management. At the same time, the detected data can be transmitted to the upper computer in time to realize the monitoring of parameters such as temperature, pressure, pH, and turbidity in the measured water area, so as to achieve real-time monitoring of the water quality condition.

Keywords: STM32; Turbidity Sensor; Beidou GPS Dual Positioning Module; PH Sensor; Digital Radio

一．绪论

1.1 水质监测方法

由于科技的发展和工业化的进程，目前我们国家的水资源污染问题愈发地突出，因此，水质监测（即对水域的水质状况评估，在一定程度上可以保证水资源的清洁)就显得极其重要。同时，它能够提供安全的供水，改善居民的生活条件。水质监测系统可以帮我们了解当地的水质污染情况，如：水域所包含的污染物的种类及其浓度等，并且分析并预测该水域的变化趋势，指定水质管理方案。当前，在大部分地区采用的是人工采样法来监测水质^[1]，这种方法是工作人员驾驶监测船或监测车^[2]，到指定水域手动采集水质样本，样本不仅要有未被污染的水体，同时更要重点采集已受污染的天然水，还有不同种类的工业排水等，送至实验室后，对水质的污染物种类与含量进行检测与分析，与我国制定的各项水质综合指标相对比，其参考指标可分为两大类，一类是水质的基本情况，如水体的浑浊程度、酸碱度、溶解氧等；另一类是污染物质，如工业残渣、有机农药、重金属离子等。它的缺点是人力资源的过度投入，采样不及时，数据更新慢等，并且，一旦遭遇恶劣天气，或者是在极端地理情况下，监测设备的无法到达将直接影响水质监测的进程与精准度，缺乏实时结果来推动水污染情况的积极反馈。另一种方法是建造自动监测站^[3]以弥补实验室固定样本检测的缺点，能够在线连续监测，相比于人工采集还可以测定水流的速度和流量。虽然可以减少人力资源的投入，但是建造成本比较高，而且选址限制比较大，监测的范围比较有限，相比人工操作的监测船与监测车，监测站位置固定、灵活性较差、数量少，难以满足我国对水质监测的全覆盖需求。

1.2水质监测国内外发展状况

在我国，随着技术水平的提高，水质监测已经从原来的单一监测天然水中的化学成分种类与含量，仅仅以江河等天然水作为检查对象，发展出专业的水利部门^[4-5]。当下，现有的科学手段，已经可以有条理地进行精准的水污染监控，为了大面积采集数据，及时进行水质分析，水质监测中心在全国范围的推广与普及就显得尤为重要。由于监测水域的环境复杂多变，监控系统的工作模式不同，科研人员在设计时就必须设计出可以满足不同工作模式需求的新型水质监控平台，该平台要能够及时在现场采集数据、并带有一定的存储功能，可以测量该水域的温度、气压、PH值、浊度等主要参数，与1984年颁布的《水质监测规范》相对比，同时，能够通过数传电台进行通讯，把监测的数据实时发送到PC端，对水质监测工作进行规范化管理。只有扩大监测项目的涵盖范围，注重监测的数据的可靠度，才能实现对水质的有效监测与管理。

我国水质自动监测站已经从使用进口设备逐步到配备技术成熟的国产仪器，实现了无人监管，定期维护的管理方法，数据通过有线或者无线方式传输到相关部门，实时监测水质的变化情况，已建成了“以水质监测中心为中心，监测站为分支”的网络体系，覆盖全国主要江河流域。但目前还存在着很多问题，如进口仪器无法适应国内的水质监测要求，无法保证数据是否可靠。自动监测站的集成系统特别复杂，为了保障监测数据可以真实可靠、准确传递、连续接收，我们必须保证每一部分的设计都要符合运算逻辑，安装有效合理，并进行实时管理^[6]。

国外的水质监测方法也多种多样。Shao，Liu和Zhang设计和开发了一个基于ARM-7 LPC2138驱动的传感器节点的工业污水监测系统。作者实现了高达1.5公里的通信范围，功率输出为 25.99 dBm。尽管如此，使用ARM-7微处理器的成本很高，因为除了执行应用程序代码之外，它还运行操作系统。这带来了高功耗的额外计算复杂度。此外，该系统采用动态路由备份机制，该机制还引入了处理和存储/存储开销，需要额外的电力供应。Khetre和Hate设计了一个WSN系统，用于监测由ARM 7从属节点组成的用于测量水质参数的湖水质量。他们开发了双从机原型，并采用ZigBee将数据传输到主终端。Vijayakumar和Ramya设计和开发了一个以物联网（IOT）为中心的低成本的实时水质监测系统。该节点采用了Raspberry Pi B 型微处理器，并连接了多个水质传感器。由于微处理器除了执行应用程序代码外，还必须运行LINUX操作系统，因此能源资源将快速耗尽。此外，云计算需要安全机制，因为它将传感器数据暴露在潜在的网络攻击之下，因此导致了额外的计算，带宽，内存和能源成本。Chung和Yoo设计了一个WSN系统来检测河流，溪流和沿海地区的水污染。该系统采用TesloB系列ATmega128微控制器供电的传感器节点。数据平均算法旨在减少通信流量的大小，并且使用基于TinyOS查询的泛洪路由协议来通过网络传输数据。根据实验结果，作者指出，平均水质数据每间隔5分钟传输一次，数据传输丢失率将低于1％。即便如此，泛洪方案提供的通信可靠性带来了额外的处理，信息开销，导致能源，内存和带宽方面的巨大成本^[7]。

1.3本课题的研究意义

现阶段已有的水质监测方案，面对目前水污染范围广、程度严重的现状，已经不能满足在广阔水域或者复杂地貌环境下，及时进行水体数据采样的需求。不论是人工驾驶监测船或监测车到达现场手动提取样本送至实验室进行检测，还是花费大量人力物力建造自动监测站，这些方法都不能大范围的普及，所以如何设计一个小型移动水质监测系统来达到当前我国对水质监测系统的成本低廉、功耗低、体积小、便于携带、操作灵活的需求，是本文的重点研究内容。

本系统正是针对已经存在的不足，满足水质参数监测的需求而设计的，处理器是选择ST公司开发的ARM系列的STM32F103微处理器，连接多个传感器如BMP180气压传感器、PH值传感器、浊度传感器等，可以通过数传电台将检测到的数据发送给上位机，实现水质参数的实时监控。

1.4 本课题设计的任务及要求

在本论文中，设计了一款基于STM32单片机的水质监测系统，微处理器连接了多个传感器，包括浊度检测传感器、PH值采集检测传感器、BMP180气压温度传感器等等。该系统可以通过AS32-TTL-100无线数传模块将在水域中得到的数据传输到上位机，以下是本设计的主要内容：

（1）选择要测定的水质参数；

1. 选择要使用的传感器模块；
   （3）将模块与微处理器连接；

（4）完成系统硬件的调试；

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