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基于Arduino的家用在线智能水质监测仪设计
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许仕海李姮陈千祥李勇华徐凤莲袁以坤
【摘要】为能实时方便了解家庭饮用水源质量,设计了一个基于Arduino的小型家用水质监测仪。该监测仪利用物联网技术可智能化采集水体的浊度、TDS、硬度、电导率、PH值等关键水质参数数据,并实现云端存储传输。通过此设计,用户能够即时在手机或PC端通过应用程序在线查看实时与历史水质情况,从而实现家庭用户对饮用水质的在线智能监测。此外,本设计对于城市水质监测、相关部门的调研都有着重要辅助作用。
【关键词】Arduino;水质监测;物联网技术
中图分类号:TP216文献标识码:A文章编号:2095-2457(2019)22-0014-002
DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.005
0引言
家用净水器中净化水质的滤芯具备一定使用周期,长期使用的滤芯会产生杂质或污垢而造成二次污染,在一定程度上会危害人体健康,故必须及时对滤芯进行维护或更换。对此,净水器厂商大都会依据固定的经验给用户提供更换滤芯的参考时间,而非直接使用除垢与消毒。实际上,滤芯的使用寿命与水质情况、使用时间、用水量及产品维护等均密切相关,更换的时间不能一概而论。因此,当前国内急需一种能够提供可靠水质数据采集、检测的水质检测产品,能为用户提供更好的用水安全保障,同时便于辅助政府布局相关措施。
1总体设计方案
本项目设计的一种家用在线智能水质监测仪以Arduino开源硬件开发板为基础,可选择手动或定时的方式通过物联网技术实时获取水的浊度、TDS、硬度、电导率、PH值[1]等重要参数,同时采用水流冲刷供电以确保设备的续航,以此实现关键水质参数的实时智能检测;通过无线传输将实时采集的水质数据上传至云端服务器保存,再将其整理分类上传至相应的基础数据库,以便用户能在手机或PC端访问应用程序在线查看实时和历史水质情况。以此工作原理设计的监测仪系统结构如图1所示。
1.1水流发电电源
本项目设计的家用在线智能监测仪系统整体以锂电池供电为主,同时选用水流发电方式为锂电池充电。监测系统备有充电和放电两组锂电池,一组放电,另一组充电,另外设计了满电提示与自动断电的充电电路。以大多数家庭水用管道的口径和水流速度为参考,对于水流发电电路,通常采用微型管道式直流水力发电机,而发电机输出的电压值主要取决于水压大小,范围较宽泛,不带稳压电路直流输出峰值电压可高达80V;对于锂电池充电电路,以不损坏电池内部结构和确保良好的电池平衡充电为设计原则,则需设计具备恒定电压值和涓流的充电电路,或者给锂电池附加电源管理芯片,确保充电过程不损伤锂电池,达到充电电路能够对锂电池起保护作用以延长使用寿命[2]的目的。通常,为能有效地保护锂电池,需要在水流发电机输出端设计一个稳压电路,将其电压稳定到12V再传递到后级电路。该稳压电路的输入直流电压高于所需充电电池电压3V即可,其包含有满电提示、调压和调流电路。Q3、R4、LED构成充电指示电路,随着被充电锂电池电压逐渐上升,充电电流越来越小,当电池充满后大功率电阻R1上的电压逐渐下降,从而使三极管Q3截止,LED将熄灭以提示用户更换电池。该电路可以空载,两端开路即可。以TL431为中心组成精密调压的电路,选用BD138、滑动变阻器R5和R7构成调流恒流电路。为进一步完善电源电路功能,可在电路后增加设计一个电池充电控制模块,达到满电自动断电或者欠压保护等目的。
1.2在线水质采样
选用蠕动泵作为水样传输装置完成在线水体采样。蠕动泵的工作原理是在步进电机的带动下,压辊子相继碾过弹性软管,形成交替的挤压和释放动作,挤压作用在软管中产生真空,由压差将液体吸入软管,完成水样泵送样过程。
1.3主控检测电路
考虑系统的通用性和功能的易拓展性,该监测仪的硬件部分由优化改进设计的ArduinoUNO主板、检测模板电路及显示电路3个部分构成。系统使用ATMEGA328P微控制器采集浊度检测电路、TDS各模塊检测电路测量用户所需的水质指标,再通过OLED数字液晶屏显示,最后将数据打包上传至云端服务器。
主控检测电路分为浊度检测模块、TDS检测模块、PH值检测模块电路。其中,浊度检测模块包含中心波长为680nm的LED光源、Nexperia半导体公司的PSSI2021SAY单芯片恒流源、TAOS公司的集成式光电芯片TSL2581。以现行国家标准《水质-浊度的测定》(GB13200-91)规定的浊度测定方法为参考[3],采用标准曲线法完成浊度测定;TDS检测模块通过检测水的TDS值并输出模拟信号给Arduino处理器处理,经过A/D转换后得出对应值;再通过TDS值与硬度的换算关系式可估算出水的硬度,两者间转换
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