摘 要：陕北地区是黄土高坡，地形多是千沟万壑，雨情分布不均匀，时有干旱和暴雨发生，这样的水情影响生活。因此，结合综合气象信息的水情监测系统十分重要。该设计以STC89C52单片机为主控制中心，pH传感器、水位压力传感器、温度传感器及蓝牙模块等主要硬件设计，对蓄水池的主要参数进行实时监测，结合气象数据信息，预测未来降雨情况，对水位超限进行及时预警处理，运用蓝牙技术，实现水情参数的手机APP便携式远程监测。通过系统测试，该设计可以实现预期功能，对水情灾害的预防具有参考意义。
关键词：气象信息;水位传感器;水情监测;蓝牙模块;手机APP
中图分类号：TP274 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）21-0033-04
Abstract： Northern Shaanxi region is the loess plateau， the terrain is thousands of gullies， the rain is unevenly distributed， and drought and rainstorm occur from time to time. Such water regime affects the local peoples life. Therefore， the water regime monitoring system combined with comprehensive meteorological information is very important. This design takes STC89C52 single-chip microcomputer as the main control center， and the main hardware includes pH sensor， water level pressure sensor， temperature sensor and Bluetooth module. It carries out real-time monitoring of the main parameters of the reservoir， predicts the future rainfall in combination with meteorological data information， carries out timely early warning treatment for water level out of limit， and uses Bluetooth technology to realize the portable remote monitoring of water regime parameters with mobile APP. The test results show， the design can achieve the expected function， which has reference significance for the prevention of water disaster.
Keywords： meteorological information; water level sensor; water regime monitoring; Bluetooth module; mobile APP
0 引 言
我国地处北温带，亚热带季风区，地形复杂，气候多变，降水年际变化很大[1，2]，严重的水情将会直接影响人们的生命安全、财产安全以及身心健康问题，因此需要对当地水库的液位、水质以及降雨量对水库的水情影响等因素进行在线监测。而陕北地区农业、自动化技术相对落后，水情测量工作仍旧存在些困难[3]。水情自动监测系统的研究自九十年代以后，世界上大量家公司推出了功能强、应用范围广的产品。在国外，如美国，荷兰等国较早将水情监测列为重点工程，以先进的技术手段进行快速发展[4，5]。在我国，水情监测系统的研究起始于20世纪70年代中期。80年代的中期阶段，我国用自己的硬实力和软实力建成了一些属于自主研发的水情自动监测系统[6，7]。目前主流的水质监测方法及设备主要分为三类：人工采样实验室化验，移动监测和监测站，水情监测的方法和设备基本算是半成熟[8]。目前市场上的水情监测系统功能齐全、精度较高，但是其成本整体较高、体积较大，为了满足水情监测系统的小体积、便携式及非现场监测等需求，本设计基于当前流行的蓝牙技术实现手机APP便携式监测水情的功能。
1 系统方案设计
本次设计主要包含按键模块、LCD1602显示模块、pH水质/水位/温度等检测模块、蓝牙传输模块等硬件设计。软件设计中系统根据监测水情的情况，通过LCD1602和手机APP进行线下和线上的实时监测，并超限预警功能。系统整体方案设计如图1所示。
1.1 主控制器
考虑到成本和体积因素，本设计选用价格便宜、操作简便的STC89C52单片机作为主控制器，该控制器具有功耗低、运行速度快以及抗干扰强等突出优点，指令代码完全兼容8051单片机，操作简单易实现[9，10]。
1.2 水位检测模块
选用松下D3B水位压力传感器，其结构简易，便于携带，性价比高。D3B水位压力传感器里面装有应变片，测量范围为0 mm～1 000 mm的水柱高度，传感器上面凸起的部分有个小孔，水会由于重力因素进入小孔，水位高度不同，感应到的重力也不同，通过感应到的重力参数转换成输出的电压信号，输出电压信号范围是0.23 V～4.9 V，由于D3B水位压力传感器输出是模拟信号，故其输出信号经A/D转换模块处理后，转换成数字信号流入控制器，由主控制器的进行分析与处理。
1.3 PH检测模块
由于工业上的pH传感器非常昂贵，市面上的pH测试笔是成熟产品，无法进行二次设计开发，且pH 复合电极输出mV级的电压信号，单片机无法直接进行识别处理，所以选择简易pH传感器模块。该模块价格便宜、使用方便、测量精度高且性价比高、可直接输出0 V～5 V或0 V～3 V模拟电压信号。该模块通过BNC接头与pH复合电极进行连接，其拓展板上附带有DS18B20温度传感器的接口，使系统结构更加简单便携。
1.4 温度检测模块
考虑到系统的体积影响，选用3引脚封装的DS18B20数字温度传感器DS18B20[11]。其传感器可以直接跟单片机通信发送和接收温度数据，不需要A/D转换，传感器的温度采集界限是-55 ℃到+125 ℃，当所测水情的温度为-10 ℃到+85 ℃时，水温的测量误差为±0.5 ℃。
1.5 蓝牙传输模块
考虑的系统的经济性，本设计采用型号为 BT-HC05的蓝牙模块。BT-HC05蓝牙模块尺寸比较小，TTL电平，兼容3.3 V/5 V单片机，通信距离 10 米，且该模块灵敏度高，便携，性价比高，功能强大，可以满足设计需求[12]。
1.6 显示报警模块
考虑到系统体积的大小以及功耗，本设计选用低电压低功耗的LCD1602线下显示，以及手机APP线上远程监测。当检测到的液位、水质pH、水温等参数超出预设值时，且与天气降雨情况综合分析，及时发出声光预警信号，通知到水情监控人员进行警醒提示。
2 硬件电路设计
系统主要硬件电路包括最小系统单元、检测电路模块、线下显示模块、声光预警模块及蓝牙模块，其硬件电路如图2所示。
2.1 最小系统
为了水情监测系统的正常运行，以STC89C52单片机为核心，电源模块、晶振电路和复位电路为辅助构成本设计的最小系统。电源部分采用5 V电源圆形接口，由SW1按键作为系统的总开关;复位电路采用手动复位，与主控制器RST口相接;由12 M晶振、大小为30 P的两电容相结合，构成本设计的晶振电路，与控制器XTAL1口和XTAL2口相接。
2.2 检测模块
为了水情信息的多样性，本设计的检测信息主要包含压力液位检测、水质pH检测和水温检测，其检测电路如图2所示。
（2）压力液位检测模块，选用松下D3B水位压力传感器，其结构简单易操作，只有三个引脚，接地端GND、输出端O接口和输入端I接口，其中，I口接+5 V电压信号使传感器稳定工作，输出O口接ADC0832的CH1口，I接口与O接口之间加载2.2 K电阻，压力液位信息转换成电压信号，最后通过O口输出，与ADC0832的CH1口相接，进行A/D转换。
（2）水质pH检测模块，简易pH传感器，有6个引脚。其中5 V电压VCC 供电，2.5 V基准电压输出口，0 V～5 V的模拟信号输出端PO，测量温度较小，0℃～60℃，模拟信号可进入ADC0832的CH0端口进行A/D转换处理。
（3）温度传感器，考虑到水质pH检测模块的水温范围较小，本设计增设了数字温度传感器DS18B20，其测温范围可达-55℃～+125℃。其结构接单，只有三根线，VCC供电端，GND接地端，TO为数据输入/输出引脚与主控制器的P35口直接相连，无须AD转换。
2.3 按键显示报警电路
（1）按键电路，考虑的水情监测情况复杂，需对预警信号的阈值进行设置，故设计了按键电路，进行调节监测参数的上下限阈值，方便用户使用。同时为了满足水情监测需要实现的功能，设计备用键，进行后期功能的附加。其中：S2为系统设置键，接单片机的P32口，用以设置监测参数的上限值，S3为加（+）键，接单片机的P33口，目的是调大监测参数的限数，S4为减（-）键，接单片机的P34口，为了调小监测参数的上下限数。
（2）显示电路，通过传感器将所测的水情状况数据（PH、水位、温度）采集，然后经过数模转换后传送给单片机计算，最后将所测的数据在LCD1602上实时显示出来，硬件电路部分通过RS与单片机P2.5口相接，可以通过电位的高低进行显示数据或显示指令的切换。R/W接单片机的P2.6口，其中 RS与R/W可相互配合完成具体的指令功能，D0～D7作为数据端接单片机的P0.0～P0.7口。EN接入单片机P2.7口，高电平写入数据，让LCD1602显示水情监测参数信息。
（3）报警电路，当水情危机时，进行及时预警，声光报警电路不可少。当监测参数超过或者低于手动所调节的参数阈值，就会引发声光报警。本设计采用了5个LED灯（红、绿、橙、蓝、黄色），分别为pH上限、pH下限、水位上限、水位下限、温度上限指示灯。指示灯模块分别接主控制器的P13、P14、P15、P16、P17口，蜂鸣器接主控制器P36口，当超出参数阈值，指示灯相应的端口以及蜂鸣器控制端口输出低电平，发出声光信号，从而达到预警的目的。
2.4 蓝牙模块
BT-HC05蓝牙传输模块，只有6个引脚，其中2引脚VCC与电源相连进行模块供电，3引脚GND与地相连，TXD、RXD分别连接在主控制器的P30口和P31口，当蓝牙模块工作时，先打开手机系统内置的蓝牙，再打开APP串口助手与蓝牙模块进行配对，最后通过APP串口助手直接发送指令实现进行远距离监控操作。
3 软件设计
首先，系统通电初始化;其二确定是否按下总开关按键，当按下时，系统进入工作模式;其三确定是否有设置按键按下，当按下时，系统进入设置pH、温度、水位参数阈值模式，具体操作为：当按下设置键时，LCD显示设置界面，当按下1次设置键时，系统进行pH上下限设置，按下2次设置键时，系统进行水位上下限设置，按下3次设置键时，系统进行温度上限设置，通过“+”“-”键来调节所测参数的阈值上下限;其四，设置完后，系统自动进入pH、温度、水位的信号采集，然后经过数模转换在经过主控制器计算后，最终显示在LCD显示器和手机APP上，当没有按下设置键时，系统进入起初的工作模式。最后，系统正常运行时，当监测到pH、水位、温度参数超过手动所调节的阈值时，同时模拟分析到气象信息近三天有连续降雨或者当水位低于阈值时，分析到气象信息近期三天都无雨水时，触发声光报警电路，进行声光预警提示。从而对当地水情进行实时监测，提前人工干预，进行防洪防旱，从而提高人们的生命安全系数以及财产安全保障。系统主流程如图3所示。
4 系统调试
系统硬件调试非常重要，是整个系统的根本。按照上述硬件和软件设计，搭建硬件平台，下载程序进行调试。首先，系统上电，观察LCD和手机APP是否显示正常，确保整个系统的正常运行。其中Temp代表温度，pH为酸碱度指示，WL代表水位。为了模拟水库情况，结合实际情况，以普通水瓶为研究对象，对各参数进行逐一调试。调试中，将pH传感器、温度传感器、水位传感器布置安装布置到实物上，然后打开硬件总开关，设置完成pH、温度、水位参数阈值后，系统进入工作模式，然后经过数模转换在经过单片机计算后，最终显示在LCD显示器和手机APP上，监测结果分别如图4所示。显示温度为17.2 ℃，实测自来水温度17.1 ℃，pH酸碱度为7.5，符合自来水的pH酸碱度（6.5 ～ 8.5），水位为17 cm，而实际水位为17.6 cm，这是因为LCD1602显示字符长度有限，所以水位测量结果显示只保留整数部分。为了避免系统的偶然性，实验的严谨性和准确性，进行了二次水情监测，和前者不同的是：首先，二次监测用pH缓冲粉和250 mL自来水配置了pH为4的水溶液;其次，将水放置室温环境中隔夜监测，目的是使溶液水温达到室温，最后，变化水位高度。步骤与前者监测相同。测试结果如表1所示，显示温度为26.3 ℃，符合常温下自来水温度，pH酸碱度为3.9，与配置溶液的pH酸碱度4.0误差2.5%，符合pH传感器的误差范围，水位为10 cm，实际水位为10.2 cm，由于LCD1602显示字符长度有限，只显示为10 cm整数部分，且线上与线下显示一致。当水位高于预设值，且分析近三日会有降雨天气，系统报警提示;当水位低于预设值，分析到近三日又无降雨情况，则触发声光报警，从而达到了考虑气象信息下的水情的远程监测功能。测试结果表明，两次测试结果与参考值相比较，其均方根误差分别为0.46和0.22，满足系统测试误差范围，且该系统运行可靠、体积小，操作便携。
5 结 论
本设计以STC89C52主控器为核心，水压检测、水质 pH检测和水温检测、液晶显示、按键电路以及声光报警等主要硬件设计，运用蓝牙通信技术、手机APP等主流通信设备，综合考虑气象信息的软件设计，针对陕北雨情四季分布不均，夏秋多雨或暴雨天气，直接影响人们的生命安全及财产安全等情况，实现水情的远程自动监测功能，及时预警防护，避免损失。综合测试结果表明，该系统操作简单、监测便携、运行误差较小，对人们的生活质量有一定的帮助，具有较好的应用前景。
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作者简介：高平安（1984.12—），男，汉族，陕西榆林人，工程师，硕士，研究方向：气象学、防雷检测等。