一种微型处理器的可视辽河水文监测系统

李缙绅 李雯 曹建斌 陈鑫宇

摘要：辽河的水文监测系统主要用来监测辽河水利的运行情况，反应辽河的水文特征，方便相应部门做出防护安排，防范洪涝灾害等事故发生。辽河水文监测系统使用EDA自己开发的板子为系统MCU，通过DHT11模块、超声波模块、PH模块分别探测辽河的温湿度、水平面高度、水质酸碱度，同时通过LCD屏幕在线监测，能够直观的显示，数字化信息通过esp8266模块将采集到的数据以及图像上传到ONENET云平台，部门管理人员登录内部ONENET平台账号即可实时了解辽河数据。

关键词：水文监测；stm32单片机；实时检测；无线通信；远程操作

0 引言

我国自然灾害较多，而且湖泊以及河流相对较多，近年来，我国经济的发展极为快速，水利工程在经济中发挥的作用越来越大，在水利工程中受到影响最大而且最广泛的是防止洪水泛滥成灾及时采取措施的问题。而水文水利的监测报警系统可以通过在线的实时监测，及时的反应出各水域波动特征，方便相关部门了解状况并做出相应防护安排，防范河流灾害事故的发生。本系统通过使用STM32芯片实现对辽河水文的监控防范。辽河水文监测通过分析辽河当前的水文状况，判断是否在河流正常阈值内。除此之外，本项目在人机交互方面可以进行远程监控，实时掌握辽河水文水利。

1 项目构架

1.1系统构架

该系统能够通过温湿度传感系统对辽河的温度以及湿度进行分析，超声波模块的使用来对辽河水面高度进行检测，PH模块即检测水质的酸碱程度。在采取到相应的信息之后，系统和将信息数字化，传输到网站，登录相应网站后台即可接收到辽河数据，同时LCD屏幕将辽河状况实时投屏，管理人员可以实时了解辽河现状。

1.2结构构架

为了保证检测到的数据的准确性，将PH模块放入水内检测水质的PH值，DHT11模块放在水面与上来检测河流空气上方的温湿度，HC-SR04超声波模块放在水面固定的上方用来检测水面的高度。系统使用的板子是stm32迷你板，使各个模块连接在一起，并且将接收的信息进行数字化，由esp8266模块将数字传送到ONENET云平台，接收的数据及摄像头采集的画面在LCD屏上显示，实现信息的可视化。

2. 系统的电路硬件设计

2.1主控芯片

小组使用stm32mini板作为系统的主控芯片，使用芯片STM32F103ZET6作为系统的主控，该芯片内部具有的Flash存储器可高达128K字节、SRAM为20K字节,嵌有8MHz的RC振荡器，最高工作频率可达72MHz，定时器多达8个，通用I/O端口丰富，能快速处理复杂事件，计算能力强悍，与各种模块相互配合，快速准确的判断河流状况。

2.2传感器模块

1. 使用DHT11温度湿度传感器进行空气中温湿度的判断，该传感器响应超快、有较强的抗干扰能力、性价比极高，连接方便，能直接连接到stm32规定好的IO口上。传感器的内部采用单线制串行接口，集成系统简易快捷。体积相对较小、功耗相对较低，该信号的传输距离可达到20米以上。

2. 由PH模块传感器对河流的ph值进行检测，PH传感器玻璃膜外侧与待测PH溶液的相界面上要发生离子交换，产生相对稳定的电势差该模块具有较好的防水功能，适于放于水中，抗化学腐蚀性强，使用寿命强，避免经常更换，测量pH范围较广，温度范围适中，响应速度快，满足本设计的使用要求。

3. 辽河面高度的监测工作由HC-SR04超声波模块完成，此模块性能稳定，测度距离精确，模块高精度，盲区较小。传感器内部含超声波发射器，控制电路与接收器，可以提供长距离的感测功能，距离检测范围为2cm-400cm，测量精度高，可以达到3mm。

2.3 显示模块

选用lcd显示器模块进行传感器模块检测的参数，实时显示被监测河流的温湿度以及PH值的变换。lcd屏幕尺寸齐全，接口种类多，开发简单，产品的产能越来越高，显示技术已逐渐趋于成熟化，外加lcd屏幕的价格实惠，这就是选择lcd屏幕显示画面的重要原因。

2.4 人机交互

（1）由esp8266模块完成该设计联网的工作，可将项目的PH模块传感器、DHT11温度湿度传感器、HC-SR04超声波模块连接到Wi-Fi 无线网络上，并且将检测到的各项数据由互联网通信，实现联网功能。该模块是一款UART-WiFi 透传模块，具有超低功耗、高度片内集成的特点，需要的外部电路极少，可以将所占PCB的空间降到最低。

（2）小组在ONENET云平台开通网页，来接收并实时显示河流温湿度、河流高度、以及PH值的数据，由摄像头采集到的图像传输到网页上，即可实现不出户了解河流状态。当系统检测到数据超出正常范围外，会发出警报提醒专业人员。网页无需安装,升级维护方便,并且用户体验优良。网页内具有用户中心，对河流异常的记录进行保存，便于用户进行数据检查时直接查看。

3 作品设计

3.1 监测系统硬件设计

该系统主要有温湿度检测器、PH传感器、超声波模块及无线通信模块等构成，各个检测模块对河流进行检测，并传送数据到主机，通信模块将数据显示到网页上，同时将摄像头采集到的画面传输到屏幕上，实现对河流的实时监控。系统硬件设计结构如图1所示。

图1.总体结构框图

3.2 监测系统功能结构

辽河水文检测系统的编程软件使用Keil,系统的编程语言选用C语言,以STM32作为主要控制中心,将各类传感器连接，共同检测数据,通过通信模块在ONENET云平台网页上实时显示接收到的数据，摄像头采集到的图像通过esp8266通信系统传输到云平台网页以实现河流的实时监测功能，监测到数据异常时会产生系统报警并保存异常的数据，来提醒工作人员。该系统在工作时详细流程见图2所示。

图2.水文系统工作流程

4 水文监测系统的调试

本款水文监测系统以STM32单片机为主控板,结合DHT11温度湿度传感器、PH模块传感器以及HC-SR04超声波模块及时获取检测数据,使用摄像头来实时监测辽河水文环境的相应情况，通过esp8266模块将数据与图像录像等信息传回主控板处理,主控板将处理的数据与图像传输到ONENET云平台实现对河流的实时显示与监测。当主控板检测到数据异常时会发出警报，提醒管理人员采取相应的措施，同时系统会将异常的数据保存，管理人员可随时查看异常数据，为再次管理提供相应的数据。水文监测系统基本效果如图3所示。

图3.水文监测系统总效果图

5结语

该系统将STM32单片机的控制技术和多种传感器的应用有机地衔接在一起,辽河的水文监测系统实现了对河流远程监控，具有可视化的特点，使河流监控更形象直观。该系统确保了辽河水文的稳定性，辽河监控系统更容易让用户接受，使用方便，降低了对辽河检测人员专业性的要求，减少了人力资源，将现有各项资源的利用实现了最大化，构建了一个辽河的监测平台。

参考文献

1. 张洋洋，赵建平，徐娟娟.基于物联网技术的水文监测系统研究[J].通信技术，2012，45.

2. 王俊，熊明等著,水文监测体系创新及关键技术研究,中国水利水电出版社,2015.05.

3. 范兴隆.ESP8266在智能家居监控系统中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用,2016,16.

4. 聂武钢著,河流健康的法制化管理,中国科学技术出版社,2015.06.