便携式水质检测仪及其水质检测方法
【专利摘要】本发明属于无线传感网络以及环境污染检测【技术领域】，公开了一种便携式水质检测仪，包括数据采集节点和手持终端，所述采集节点包括水质传感器、数据采集接口、MCU微处理器以及Zigbee模块，所述手持终端包括Zigbee协调器和数据处理模块，所述MCU微处理器通过所述数据采集接口读取所述传感器采集的水质数据，由所述Zigbee模块将采集水质数据传输至所述Zigbee协调器，所述数据处理模块对所述Zigbee协调器接收到的水质数据进行分析、保存和显示。本发明还公开了水质检测方法。本发明克服了传统检测仪检测方式的缺陷，不仅在检测项目方面更全面，还可实现数据采集部分与手持终端的分离，检测更为灵活。
【专利说明】便携式水质检测仪及其水质检测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线传感网络以及环境污染检测【技术领域】，特别是一种便携式水质检测仪及其水质检测方法。
【背景技术】
[0002]水是人类赖以生存的自然资源，随着社会经济的发展以及工业化、城市化进程的加快，因人类活动所造成的水体污染正在不断加剧，而水质检测是水资源管理与保护的重要基础，水质的检测和治理关系到各行各业的生产和人民的生活，因此人们对水质检测仪也提出了更好的要求。
[0003]对于采样频率较低的水质检测区域，一般采用便携式水质检测仪人工采样、实验室分析的方式。这种水质检测仪通常由多参数水质传感器(大概5-6种参数)和手持仪组成，检测时，在手持仪上接入传感器便可对水质进行采样，通过手持仪显示所采集的水质数据并进行存储。采用这种方式只能检测少量的水质参数，无法全面反映所检测水域的水体质量，所检测参数固定，不能根据需求进行扩展，并且检测时传感器与手持仪不能分离，给检测带来了不便。
【发明内容】
[0004]为了解决上述技术问题，本发明提供一种便携式水质检测仪及其水质检测方法，通过短距离无线网络技术，克服了传统检测仪检测方式的缺陷，不仅在检测项目方面更全面，还可实现数据采集部分与手持终端的分离，检测更为灵活。
[0005]本发明采取的技术方案是:
一种便携式水质检测仪，其特征是，包括数据采集节点和手持终端，所述采集节点包括水质传感器、数据采集接口、MCU微处理器以及Zigbee模块，所述手持终端包括Zigbee协调器和数据处理模块，所述MCU微处理器通过所述数据采集接口读取所述传感器采集的水质数据，由所述Zigbee模块将采集水质数据传输至所述Zigbee协调器，所述数据处理模块对所述Zigbee协调器接收到的水质数据进行分析、保存和显示。
[0006]进一步，所述数据采集节点为多个，每个数据采集节点均通过各自的Zigbee模块形成Zigbee网络与所述手持终端的Zigbee协调器进行数据传送。
[0007]进一步，所述数据采集节点的MCU微处理器为STM32F107芯片。
[0008]进一步，所述手持终端还包括GPRS模块，所述手持终端的数据处理模块通过所述GPRS模块将水质数据传送至远程服务端。
[0009]进一步，所述手持终端还包括GIS模块，所述GIS模块采集当前地理信息并将当前地理信息加入所述水质数据中。
[0010]进一步，所述手持终端采用Windows Mobile操作系统，配有3.5寸触控屏，所述手持终端的Zigbee协调器采用串口通信与所述数据采集节点的Zigbee模块通信。
[0011]进一步，所述便携式水质检测仪还包括电源模块，所述电源模块为所述便携式水质检测仪提供电能，所述电源模块包括太阳能电板、电源控制单元和蓄电池。
[0012]一种基于上述便携式水质检测仪的水质检测方法，其特征是，包括如下步骤:
(1)所述数据采集节点的所述MCU微处理器通过所述数据采集接口读取所述传感器采集的水质数据；
(2)所述数据采集节点的Zigbee模块将所述水质数据发送至所述手持终端的Zigbee协调器；
(3)所述手持终端的数据处理模块对所述Zigbee协调器接收到的水质数据进行分析，并保存于所述手持终端的水质数据库中。
[0013]进一步，所述水质数据包括溶解氧、浊度、KMn04指数、电导率中的一种或多种。
[0014]进一步，所述手持终端包括GPS模块，所述GPS采集当前地理数据后添加到所述水质数据中。
[0015]进一步，还包括如下步骤:
(4)所述手持终端对所述水质数据进行分析并实时显示在所述手持终端的显示装置
上；
进一步，所述手持终端包括GPRS模块，所述水质检测方法还包括如下步骤:
(5)所述GPRS模块通过TCP/IP协议将所述水质数据传送至远程服务器中。
[0016]本发明的有益效果是:
(I)本发明采用Zigbee近距离无线网络技术，检测时，数据采集节点和手持终端相互分离，从而降低了仪器的开发难度和成本。节点与手持终端通过Zigbee网络即可实现数据的无线传输，整个检测过程更快捷、方便和直观，用户无需长时间处于待测点便可完成水质数据的取样工作，从而人身安全亦得到一定的保障。
[0017](2)本发明提出的检测方法中，节点的传感器接口囊括了市场上通用的传感器接口，用户可根据检测要求选择合适的传感器进行检测，对准确性要求较高的可选用总线协议或输出直接为数字信号的数字传感器，其次是一些模拟量信号传感器。由此，用户不仅在传感器类型的选择上更丰富，而这种检测方法在实用性和通用性方面也得到了提高。
[0018](3)本发明提出的检测方法中，节点具有良好的可扩展性，当检测参数较多时，可通过增加节点来实现所有项目的检测，新加入的节点与手持终端通过Zigbee可实现自动组网，其并不影响整个检测过程，从而得到全面的水体取样信息，而检测结果也更为精确。
[0019](4)检测时，手持终端采用Windows Mobile系统，其具备良好的人机界面，用户可对其进行触摸操作，查看采集的水质参数值并进行存储。此外，手持终端自带的GPRS模块还可实现远程通信，而GIS电子地图系统的开发，使整个检测更为直观，该手持终端给用户的使用带来了极大的方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]附图1是本发明的整体框架结构示意图；
附图2是数据采集节点的模块化结构图；
附图3是太阳能供电系统总体架构图；
附图4是电源控制模块工作流程示意图；
附图5是手持终端的软件功能模块图； 附图6是本水质检测流程图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明便携式水质检测仪及其水质检测方法的【具体实施方式】作详细说明。
[0022]近些年来随着无线传感网络技术、无线通信技术、嵌入式技术和计算机技术的飞速发展，无线传感网络技术也逐步应用与水质检测领域。
[0023]本发明为基于近距离无线传感网络技术、无线通信技术(GPRS)、配合移动式手持终端和数据库开发所提出的一种常规水质检测方法，检测时，通过数据采集节点和手持终端两部分共同实现对待测水质的检测工作。数据采集节点包含水质传感器、数据采集接口、MCU微处理器以及Zigbee模块，MCU通过数据采集接口读取传感器采集的水质参数值，由Zigbee模块将采集数据传输至手持终端。数据采集节点设计有多种传感器接口，如常见的总线接口、模拟量传感器接口、数字信号接口等，用户可根据自身需要选择相应的传感器，以完成水体取样。移动式手持终端软件通过WinCE开发，用于接收、处理和存储节点采集的水质数据，并实时显示所测得水质参数值，其带有GPRS模块，可通过无线通信方式将采集的水质数据传输至远程服务端。此外，工作人员可通过手持终端的用户界面对其上的水质数据库进行操作，如查看历史数据、简单的数据分析等。
[0024]本发明的便携式水质检测仪包括数据采集节点和手持终端，采集节点包括水质传感器、数据采集接口、MCU微处理器以及Zigbee模块，MCU微处理器选用STM32F107芯片。手持终端包括Zigbee协调器和数据处理模块，MCU微处理器通过数据采集接口读取传感器采集的水质数据，由Zigbee模块将采集水质数据传输至Zigbee协调器，数据处理模块对Zigbee协调器接收到的水质数据进行分析、保存和显示。当数据采集节点为多个时，每个数据采集节点均通过各自的Zigbee模块形成Zigbee网络与手持终端的Zigbee协调器进行数据传送。持终端还可包括GIS模块和GPRS模块，GPS模块采集当时地理信息作为水质数据的一部分，手持终端的数据处理模块通过GPRS模块将水质数据传送至远程服务端。
[0025]基于便携式水质检测仪的水质检测方法的步骤如下:
(1)数据采集节点的MCU微处理器通过数据采集接口读取传感器采集的水质数据；
(2)数据采集节点的Zigbee模块将水质数据发送至手持终端的Zigbee协调器；
(3)手持终端的数据处理模块对Zigbee协调器接收到的水质数据进行分析，并保存于手持终端的水质数据库中。
[0026](4)手持终端对水质数据进行分析并实时显示在手持终端
(5)GPRS模块通过TCP/IP协议将水质数据传送至远程服务器中。
[0027]下面对各部分内容作详细介绍。
[0028]参见附图1，该图为本发明所提出的水质检测方法整体架构图，其主要由相互分离的数据采集节点和手持终端组成，其中数据采集节点可根据用户需求柔性增加，以完成多钟参数的检测，通过Zigbee完成自动组网功能。数据采集节点包含多种传感器接口，传感器采集的数据经MCU简单处理后，通过Zigbee网络形式向接有Zigbee协调器的手持终端发送水质数据(如溶解氧、浊度、KMn04指数、COD信息等)。手持终端数据处理中间件对接收数据进行预处理后(数据过滤、乱码处理等)，存入所设计的水质数据库中，手持终端的用户软件可实现与数据库的交互，用户通过界面便可访问数据库中的水质数据，如对采集数据的实时显示、历史数据的查询等。检测时,手持终端的GPS模块可完成检测点地理信息的采集，并通过手持终端的电子地图完成标识，以显示其在整个水域的实际地理位置，使整个检测更直观，从而提高了检测过程的可视化程度。此外，因手持终端自带GPRS模块，用户还可根据具体情况选择是否将所采集的水质数据传输至远程监测端，以便及时完成数据的分析工作。由于数据采集节点和手持终端之间通过Zigbee无线网络完成数据传输，其可完成自动组网工作，当所需检测的水质参数较多时，用户可根据需求进行扩展，采用多个节点完成水质项目的取样工作。其主要特征在于:数据采集节点和手持终端的相互分离、手持终端的GIS电子地图标示、通用性的传感器接口以及WinCE嵌入式用户软件开发。
[0029]参见附图2，数据采集节点包括MCU微处理器、各种总线协议传感器接口、数字信号传感器接口、模拟量传感器接口及相应的信号处理单元、电池供电单元、时钟和复位模块以及Zigbee无线射频模块。在水质数据采集部分，对于SD1-12传感器，通过SD1-12总线协议读取传感器采集的水质数据；对于总线协议传感器信号，相应的通信协议获取其采集的水质数据；对于工业标准模拟量输出信号，通过多路开关实现在所接入传感器之间的相互转换，经由I/V转换电路和通用的信号调理电路后输出MCU能采样的电压信号，进而由单片机内部的AD模块转换成单片机能处理的数字信号。上述水质数据经单片机处理后，按照自定义的数据格式进行封装，然后通过Zigbee传送至手持终端。数据采集节点向手持终端发送的数据主要包括节点地址、检测项目标识符和水质数据等部分组成。本检测方法中,将采用统一的数据协议，因此不仅提高了数据传输速度，其准确度和稳定性也有所加强。本发明的数据采集节点结构简单、体积较小、便于携带，同时检测时易于放置，方便取样。
[0030]参见附图3，数据采集节点既可采用电池供电，亦可使用自行设计的太阳能供电电源，前者主要用于便携式检测，而后者则使得数据采集节点的应用更为广泛和灵活，进一步应用于大范围的在线水质监测中。电源模块部分的太阳能供电部分主要分为太阳能电板、稳压电容、电源控制模块、DC/DC变换电路以及蓄电池与其充电电路组成的电源储能单元等。其中，电源控制模块是整个太阳能供电系统的核心部分，它能够将太阳能电池板转化而来的波动较大的直流电转化为稳定的直流或者交流电，并实现供电系统的开关控制、保护检测等，实现太阳能电池板能量的控制与转移，保证供电系统的可靠持续性工作。电源控制模块主要包括电源检测电路模块和电源切换电路模块两部分，其中电压检测主要检测太阳能电池板的输出电压和蓄电池的电压状态，电流检测电路主要是检测蓄电池充电电流，温度检测用于检测电源系统的内部温度，将采集的温度数据给单片机，由单片机实现温度数据的处理与温度补偿的控制，而电源切换电路主要指各路开关电路(光伏电池板供电电路、蓄电池充电开关电路、蓄电池供电开关电路)及单片机外围电路(温度检测电路、电压检测电路、电流检测电路、蓄电池电压检测电路)。
[0031]参见附图4，
参见附图5，手持终端硬件采用工业级的手持终端，配有3.5寸触控屏、GPS、GPRS、大容量电池，以及模块接入接口。手持终端与Zigbee协调器采用串口通信，通过接入Zigbee模块，手持终端通过电平控制给模块上电，使模块供电，正常工作，并向手持终端发送数据，手持仪接收到数据，通过解析处理，在手持终端上实时显示，并将其存储在本地数据库上，进而手持终端对数据进行处理和封装，通过TCP/IP协议采用GPRS将数据传入远程监测端的服务器，将数据存储归档。手持终端系统采用WinCE开发平台，监测终端程序采用C#编写，主要包括以下几个功能模块:系统设置模块、数据处理模块、数据分析模块、GIS地理信息模块。系统设置模块主要包括用户的添加删改、权限的管理，以及一些系统参数的设置，如数据存储间隔时间，水质参数的报警阈值等。数据处理模块主要负责处理通过数据采集节点发送过来的数据，按照规定的协议将检测数据进行解析，并通过图表显示出来。数据分析模块则是通过数据库调取所需的历史数据，对历史数据做统计处理，得出平均值、最大值、最小值等参考数据，并导出周、月、年水质信息统计表，用图表指示出水质的变化趋势，并通过一定的处理的出水质的参考质量等级，做出水质质量分析。GIS地理信息模块是采用电子地图，手持终端自带的GPS模块对地理信息进行采集，将其位置直接于地图上标示出来，而检测点的水质信息也可直接显示在电子地图上，从而直观的显示该区域的水质分布情况，并且可以通过各种专题地图形式来展示水质情况，如水温专题地图、溶解氧专题地图等。手持终端采用Windows Mobile操作系统,其如同一台小型的计算机,具备文件系统、应用程序等模块，在水质检测应用程序中，设计了良好的人机界面，采用触摸式操作，不仅可查看采集的水质参数值，还能将其存储于手持终端的本地数据库中或通过GPRS模块传输至水质监测中心。此外，手持终端应用程序中的GIS电子地图系统可标记出各数据采集节点的具体位置，使检测更直观，给用户带来了极大的方便。
[0032]参见附图6，首先按照需求将数据采集节点放置在检测点，通过用户接入的传感器采集水质数据，然后节点的微处理器对采集的数据进行处理，并封装成自定义的数据格式，通过Zigbee模块发送至手持终端。手持终端的Zigbee协调器接收来自节点的水质数据，一方面通过手持终端的数据处理中间件对各类数据进行处理，然后存入手持终端的数据库中，另一方面用户可从界面中观察到各参数的实时值、对数据库进行操作、查看电子地图等。例如，用户点击界面上的远程传输按钮便可将数据通过GPRS传送到远程监测端，以供有关部门使用；打开GIS地理信息系统，检测点的位置可直接标记在电子地图上，通过点击标记便可查看该节点的水质参数值，用户还可设定参数，导出特定的水质参数专题地图；而进入数据分析板块后，点击数据查询，可通过条件查询查询某段时间某个参数的详细数据信息，并通过图表显示出来，当输入所需参数，点击统计分析，系统可以自动计算出所需的统计信息，也可以通过表格或者图表直观的显示出来。
[0033]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种便携式水质检测仪，其特征在于:包括数据采集节点和手持终端，所述采集节点包括水质传感器、数据采集接口、MCU微处理器以及Zigbee模块，所述手持终端包括Zigbee协调器和数据处理模块，所述MCU微处理器通过所述数据采集接口读取所述传感器采集的水质数据，由所述Zigbee模块将采集水质数据传输至所述Zigbee协调器，所述数据处理模块对所述Zigbee协调器接收到的水质数据进行分析、保存和显示。
2.根据权利要求1所述的便携式水质检测仪，其特征在于:所述数据采集节点为多个，每个数据采集节点均通过各自的Zigbee模块形成Zigbee网络与所述手持终端的Zigbee协调器进行数据传送。
3.根据权利要求1或2所述的便携式水质检测仪，其特征在于:所述数据采集节点的MCU微处理器为STM32F107芯片。
4.根据权利要求1或2所述的便携式水质检测仪，其特征在于:所述手持终端还包括GPRS模块，所述手持终端的数据处理模块通过所述GPRS模块将水质数据传送至远程服务端。
5.根据权利要求1或2所述的便携式水质检测仪，其特征在于:所述手持终端还包括GIS模块，所述GIS模块采集当前地理信息并将当前地理信息加入所述水质数据中。
6.根据权利要求5所述的便携式水质检测仪，其特征在于:所述手持终端采用WindowsMobile操作系统，配有3.5寸触控屏，所述手持终端的Zigbee协调器采用串口通信与所述数据采集节点的Zigbee模块通信。
7.根据权利要求1或2所述的便携式水质检测仪，其特征在于:所述便携式水质检测仪还包括电源模块，所述电源模块为所述便携式水质检测仪提供电能，所述电源模块包括太阳能电板、电源控制单元和蓄电池。
8.一种基于如权利要求1所述便携式水质检测仪的水质检测方法，其特征在于:包括如下步骤:` (1)所述数据采集节点的所述MCU微处理器通过所述数据采集接口读取所述传感器采集的水质数据； (2)所述数据采集节点的Zigbee模块将所述水质数据发送至所述手持终端的Zigbee协调器； (3)所述手持终端的数据处理模块对所述Zigbee协调器接收到的水质数据进行分析，并保存于所述手持终端的水质数据库中。
9.根据权利要求8所述的水质检测方法，其特征在于:所述水质数据包括溶解氧、浊度、KMn04指数、电导率中的一种或多种。
10.根据权利要求8所述的水质检测方法，其特征在于:所述手持终端包括GPS模块，所述GPS采集当前地理数据后添加到所述水质数据中。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的水质检测方法，其特征在于:还包括如下步骤: (4)所述手持终端对所述水质数据进行分析并实时显示在所述手持终端的显示装置上。
12.根据权利要求11所述的水质检测方法，其特征在于:所述手持终端包括GPRS模块，所述水质检测方法还包括如下步骤:(5)所述GPRS模块通过TCP/IP协议将所述水质数据传送至远程服务器中。
【文档编号】G08C17/02GK103675225SQ201310630457
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月2日 优先权日:2013年12月2日
【发明者】易建军, 梁承美, 顾春华, 姜辉, 罗飞, 王玉军, 黄孝慈 申请人:华东理工大学, 上海电力学院