基于GPRS技術(shù)化工企業(yè)排放廢水質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計開題報告

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開 題 報 告1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫2000 字左右的文獻綜述文 獻 綜 述一、立題依據(jù)中國水資源的分布極其不均勻 ，水土流失礦山污水導(dǎo)致人類周圍的水環(huán)境污染日趨嚴重，嚴重制約了經(jīng)濟的發(fā)展和危害著人類的健康。嚴峻的水形勢提高了人們對水污染控制的重視，對廢水的處理和檢測成為了維護良好人民生活環(huán)境所必不可少的要求，廢水中是否有對環(huán)境產(chǎn)生重大影響的元素和他們的含量是否在標(biāo)準以內(nèi)直接關(guān)系到本設(shè)計的生存環(huán)境。水是人類生產(chǎn)和生活中必不可少的資源，可是現(xiàn)在，生態(tài)環(huán)境遭到了人類嚴重的破壞，水資源持續(xù)污染，保護水資源和水污染治理成為當(dāng)代社會最為關(guān)注的問題。污染負荷急劇增加，加重了水體的污染，所以水資源也更加短缺了。工業(yè)廢水近年來雖然經(jīng)過治理有所減少，但城市生活污水有增無減，占水質(zhì)污染的 55%以上。水是生命之本，是人類賴以生存必不可少的物質(zhì)資源之一，水也是為人體獲得各種營養(yǎng)物質(zhì)的重要途徑之一。隨著科技的發(fā)展，水污染越來越嚴重。對水資源的保護成為一項重要的工程。水質(zhì)檢測是對水資源保護的重要指標(biāo)。水質(zhì)檢測越來越受到人們的關(guān)注。因此本次設(shè)計本設(shè)計選擇水質(zhì)檢測系統(tǒng)。其中飲水安全則是影響人體健康和國計民生的重大問題。飲用水主要考慮對人體健康的影響，其水質(zhì)標(biāo)準除有物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)外，還有微生物指標(biāo)；對工業(yè)用水則考慮是否影響產(chǎn)品質(zhì)量或易于損害容器及管道。近年來,由于國際上一些地區(qū)和國家頻繁發(fā)生惡性事件,飲水安全和衛(wèi)生問題引起了全球的關(guān)注,飲水安全已成為全球性的重大戰(zhàn)略性問題。所以水資源的保護成了我國重中之重的一個問題，水土流失礦山污水導(dǎo)致人類周圍的水環(huán)境污染日趨嚴重，嚴重制約了經(jīng)濟的發(fā)展和危害著人類的健康。嚴峻的水形勢提高了人們對水污染控制的重視，對廢水的處理和檢測成為了維護良好人民生活環(huán)境所必不可少的要求，廢水中是否有對環(huán)境產(chǎn)生重大影響的元素和他們的含量是否在標(biāo)準以內(nèi)直接關(guān)系到本設(shè)計的生存環(huán)境，做好水質(zhì)監(jiān)測是本設(shè)計這次課程設(shè)計的目標(biāo)。開 題 報 告二、課題研究的意義第一，了解污水水質(zhì)，為污水處理技術(shù)方案提供依據(jù)。因為描述定義一種污水，主要就是從其常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)角度來說的，常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)包含了污水的基本特征和信息。能被選為常規(guī)指標(biāo)，都有其重要性和意義（或者環(huán)境方面有要求，或者在處理工藝方面很重要，或者國家有相關(guān)排放規(guī)定等）。污水的水質(zhì)特征決定了它適合采用什么處理方法，常規(guī)指標(biāo)提供了最基本和重要的依據(jù)。第二，為水處理工藝運行提供參考。以生物法處理廢水為例，各個工藝單元都對進水水質(zhì)有相關(guān)要求，出水水質(zhì)也要達到設(shè)計效果，所以就要在各個工藝節(jié)點對污水水質(zhì)進行檢測，并以此判斷運行是否正常，如果異常，也可以從水質(zhì)指標(biāo)做出預(yù)判。總的來說，常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測是用來反映水質(zhì)基本特征的。為行政的、經(jīng)濟的、技術(shù)的表征污水提供量化指標(biāo)。第三，通過對水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的研究，可以對監(jiān)測和測控有一個更深入的了解，尤其是在電子測控方便，應(yīng)用到電子測試的一些基本知識，配合對單片機的研究，可以對自己在監(jiān)測和測控方面進行很大的提升，而且在當(dāng)今時代，監(jiān)測和測控的技術(shù)逐漸的儀表化，通過這次的研究可以做出比較精確的儀表。另外，研究如何將傳感器與外圍電路配合，將感應(yīng)的模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號也是非常重要的，這樣對傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用也會得到認識上的提升，另外就是單片機的學(xué)習(xí)，尤為的重要，可以豐富自己的設(shè)計能力和單片機程序語言的設(shè)計能力。開 題 報 告三、水質(zhì)監(jiān)測的監(jiān)測指標(biāo)水質(zhì)檢測是指對水樣的各項指標(biāo)進行測試，可以根據(jù)這些指標(biāo)對水質(zhì)進行分類，對水體質(zhì)量進行判斷和綜合評價。使用電子設(shè)備進行水質(zhì)檢測，主要是利用各類傳感器，對水中的參數(shù)進行檢測。其檢測內(nèi)容可以為溫度、pH 值、含氧量、渾濁度。依據(jù)我國地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、人體健康基準值及地下水質(zhì)量保護目標(biāo)，并參照了生活飲用水、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水水質(zhì)最高要求，將地下水質(zhì)量劃分為五類：Ⅰ類 主要反映地下水化學(xué)組分的天然低背景含量。適用于各種用途。Ⅱ類 主要反映地下水化學(xué)組分的天然背景含量。適用于各種用途。Ⅲ類 以人體健康基準值為依據(jù)。主要適用于集中式生活飲用水水源及工、農(nóng)業(yè)用水。Ⅳ類 以農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水要求為依據(jù)。除適用于農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)用水外，適當(dāng)處理后可作生活飲用水。Ⅴ類 不宜飲用，其他用水可根據(jù)使用目的選用。表 1.1 我國水質(zhì)標(biāo)準分類表類別 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ氯化物（mg/L ）≤50 ≤150 ≤250 ≤350 ≥350硫酸鹽（mg/L ）≤50 ≤150 ≤250 ≤350 ≥350硝酸鹽（mg/L ）≤2.0 ≤5.0 ≤20 ≤30 ≥30渾濁度（mg/L ）≤5.0 ≤10 ≤20 ≤100 ≥100溶解性總固體（mg/L ）≤300 ≤500 ≤1000 ≤2000 ≥2000開 題 報 告四、測量參數(shù)I 溫度溫度是水質(zhì)最重要的參數(shù)之一。溫度對水生生物至關(guān)重要，是生活和生產(chǎn)中必須掌握的基本物理量。水質(zhì)監(jiān)測中第一位工作就是測溫。采用傳感器和一起對水質(zhì)的溫度進行測量已經(jīng)有很長的歷史，使用的傳感器也有多種形式，應(yīng)該說溫度傳感器是水質(zhì)傳感器中技術(shù)最為成熟、故障率最低一一種。Ⅱ PH 值在給排水工程中要測定 PH，大多數(shù)水處理體系都要測量 PH，在海洋環(huán)境監(jiān)測和水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中，水質(zhì)的 PH 值是必須經(jīng)常測量的項目。水質(zhì)的 PH 值通常為6.0~9.0。對 PH 值的測量雖然有多種方法，但最常用的是采用玻璃電極法，這種方法是用一個 PH 玻璃膜電極，一個參比電極和一個高輸入阻抗的電位差計。當(dāng)講特殊玻璃薄膜兩側(cè)置入 PH 值不同的兩種溶液中，玻璃電極薄膜兩面產(chǎn)生與兩側(cè) PH 差成正比的電現(xiàn)象，利用這種現(xiàn)象測出 PH 值。Ⅲ 濁度濁度是用來測量液體中的不溶固體和透明度的。濁度不僅和水體中泥土、粉沙、浮游生物、微生物等懸浮物有關(guān)，也和懸浮物質(zhì)的顆粒種類、粒徑大小、形狀、顏色和可溶性有色化合物有關(guān)。它是水體中懸濁物對光線的散射和吸收作用的結(jié)果。濁度的測量是由一束射入液體的光線的散射情況來確定的。由于這種測量對溫度的敏感性，大部分濁度傳感器都有溫度補償或加熱源與恒溫裝置來維持恒溫。常用的測量是比濁計濁度單位（NTU），用光散射測定濁度的比濁度計運用更為廣泛。完全清潔水為0NTU，泥水一般都超過 100NTU。IV 溶解氧（DO） 溶解氧對于水生物特別是魚類生存十分重要、要保證魚類等的生存、水中溶氧的含量應(yīng)保持在 4~6mg/l。溶解氧是水質(zhì)標(biāo)準的一個重要參數(shù)，它的測定是水污染和廢物處理控制應(yīng)用的一個重要組成部分，在鍋爐、冷卻水及水處理裝置中它是控制腐蝕的一個重要參數(shù)。因此，溶解氧的測定對海洋、江河、湖泊等水質(zhì)的測定極為重要。開 題 報 告 五、主要參考文獻[1] 高峰等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用進展[J].浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報，2010，（5）[2] 孫玉文等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀與展望[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2011，（3）[3] 黃玉立，童玲等.基于 CC2531+CC2591的 WSN 節(jié)點通信模塊設(shè)計[J]. 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模塊，將監(jiān)測數(shù)據(jù)定時傳至云服務(wù)平臺，并將數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫進行信號傳感、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、無線數(shù)據(jù)收發(fā)等硬件,最后在上位機中實時顯示與監(jiān)測。2．進行信號傳感、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、無線數(shù)據(jù)收發(fā)等硬件設(shè)計、選型和 PCB板的制作；3. 進行太陽能電池供電設(shè)計；4. 進行硬件調(diào)試和系統(tǒng)調(diào)試。開 題 報 告 二、設(shè)計方案1、設(shè)計思路本課題使用 GPRS 加傳感器模塊對各水質(zhì)監(jiān)測點進行組網(wǎng)，把傳感器模塊監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過 GPRS 模塊傳輸?shù)皆品?wù)器。然后使用監(jiān)控中心上位機，從而能夠?qū)崟r監(jiān)測到廢水排放情況，如果數(shù)據(jù)超過規(guī)定標(biāo)準值時云服務(wù)器就會觸發(fā)報警機制，并向相關(guān)部門人員發(fā)送報警。上位機則會實時顯示廢水具體的排放情況，化工企業(yè)人員可以根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)廢水處理的方法。環(huán)境監(jiān)管等相關(guān)部門也可以實時得到化工廠區(qū)的廢水排放情況，從而加強對化工企業(yè)的監(jiān)管。環(huán)境保護組織和個人也可以通過互聯(lián)網(wǎng)了解化工企業(yè)的廢水排放情況，協(xié)同監(jiān)管部門共同實現(xiàn)對化工企業(yè)的監(jiān)管。2、系統(tǒng)總體設(shè)計開 題 報 告圖 1 遠程監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖云服務(wù)平臺GPRSGPRS...無線傳感節(jié)點 1 無線傳感節(jié)點 2 無線傳感節(jié)點 NGPRS上位機監(jiān)測中心該無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可用于企業(yè)排放污水的監(jiān)控，將各個無線傳感節(jié)點放置在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，各節(jié)點能夠自主形成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，每個傳感器終端節(jié)點搜集周圍環(huán)境的溫度、溶氧量、PH 值、濁度等信息，這些終端節(jié)點將采集到的環(huán)境信息通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)或者直接由收發(fā)裝置將環(huán)境信息發(fā)送到監(jiān)控管理中心，監(jiān)控人員根據(jù)檢測信息及時進行決策和處理。3、系統(tǒng)節(jié)點框圖圖 2 系統(tǒng)節(jié)點框圖開 題 報 告4、模塊介紹（1）傳感器模塊圖 3 DS18B20 水溫探頭 圖 4 羅素 501ORP 針型氧化還原電極圖 5 E-201-9PH 復(fù)合電極 圖 6 C5B5 濁度傳感器開 題 報 告A.水溫溫度傳感器工作原理：水溫溫度傳感器采用 DS18B20 數(shù)字溫度計，DS18B20 數(shù)字溫度計提供 9至 12 位（可設(shè)置）溫度讀數(shù),指示器件的溫度。信息經(jīng)過單線接口送入 DS18B20 或從DS18B20 送出，因此從中央處理器到 DS18B20 僅需連接一條線（另加上地線）。讀、寫和完成溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供，而不需要外部電源。因為每一個DS18B20 有唯一的系列，因此多個 DS18B20 可以連接在于同一條單線總線上。DS18B20 水溫探頭技術(shù)參數(shù)：a.供電電壓范圍：3.0～5.5Vb.數(shù)字信號輸出c.測溫范圍：－55℃～+125℃d.分辨率：9～12 位B.溶解氧傳感器工作原理：該電極是由指示電極鉑金絲和銀—氯化銀參比電極復(fù)合而成，氧透過隔膜被工作電極還原，產(chǎn)生與氧濃度成正比的擴散電流，通過測量此電流，得到水中溶解氧的濃度；501 針型 ORP 復(fù)合電極技術(shù)參數(shù)：a.電極的電位：245-270mv（15-30℃）b.電極的參比電極內(nèi)阻：<=10kΩc.電極的穩(wěn)定性：±8mv/24h）開 題 報 告C.PH 傳感器工作原理：PH 傳感器是采用與 PH 相應(yīng)的玻璃 PH 電極及作為為基準的比較電極和對玻璃 PH 電極溫度計特性進行補償?shù)臏囟妊a償電極構(gòu)成的。水中 PH 值發(fā)生變化時，電極輸出電位就會有變化，通過測量相應(yīng)電位就可以測出 PH 值；E-201-9 型 PH 復(fù)合電極技術(shù)參數(shù)： a.檢測濃度范圍：PH0-14 b.響應(yīng)時間：≤5S c.元件功耗：≤0.5W d.工作溫度：-10~50℃（標(biāo)稱溫度 20℃）e.輸出方式：模擬電壓信號輸出f.輸出電壓: ±414.4mvD.濁度傳感器工作原理:濁度傳感器是利用光學(xué)原理，通過液體溶液中的透光率和散射率來綜合判斷濁度情況，由于濁度值是漸變量，通常在動態(tài)環(huán)境下檢測，傳感器采集的濁度值，需要外接控制進行 AD 轉(zhuǎn)換，換算得到對應(yīng)環(huán)境下的濁度情況，所以該傳感器還需要制作外圍電路才能在系統(tǒng)中檢測，帶防水探頭，主要適用于水質(zhì)濁度檢測，也可以用于電子設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、電子競賽實驗等應(yīng)用場合；C5B5 濁度傳感器技術(shù)參數(shù)：a.工作電壓：DC5V b.工作電流：30mA(MAX） c.響應(yīng)時間：<500ms d.輸出方式一：模擬輸出 0-4.5V e.輸出方式二：高/低電平信號 高電平：5V 低電平：0V開 題 報 告(2) 數(shù)據(jù)處理模塊（ARDUNIO）圖 7 ardunio 處理器Ardunio 是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。包含硬件（各種型號的Arduino 板）和軟件（Arduino IDE)。Arduino 能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。板子上的微控制器可以通過Arduino 的編程語言來編寫程序，編譯成二進制文件，燒錄進微控制器。對 Arduino 的編程是利用 Arduino 編程語言(基于 Wiring)和 Arduino 開發(fā)環(huán)境(基于 Processing)來實現(xiàn)的。基于 Arduino 的項目，可以只包含 Arduino，也可以包含 Arduino 和其他一些在 PC 上運行的軟件，他們之間進行通信(比如 Flash,Processing,MaxMSP)來實現(xiàn)。(3)GPRS 通信模塊（SIM808）本設(shè)計的無線遠程傳輸擬采用 GPRS 技術(shù)。GPRS 是通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service）的簡稱，它是 GSM 移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS 可說是 GSM 的延續(xù)。GPRS 和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌且苑獍≒acket）式來傳輸，因此使用者所負擔(dān)的費用是以其傳輸資料單位計算，并非使用其整個頻道，理論上較為便宜。GPRS 的傳輸速率可提升至 56 甚至 114Kbps。開 題 報 告相對于 GSM 的 9.6kbps 的訪問速度而言，GPRS 擁有 171.2kbps 的訪問速度；在連接建立時間方面，GSM 需要 10-30 秒，而 GPRS 只需要極短的時間就可以訪問到相關(guān)請求；而對于費用而言，GSM 是按連接時間計費的，而 GPRS 只需要按數(shù)據(jù)流量計費；GPRS 對于網(wǎng)絡(luò)資源的利用率而相對遠遠高于 GSM。本設(shè)計中的 GPRS 模塊擬采用 SIM808 模塊。此模塊采用 SIMCOM 公司的四頻（全球通用）GSM/GPRS/GPS 模塊：SIM808，GSM/GPRA 的工作頻段四頻為：GSM850、EGSM900、DCS1800、PCS1900MHz，適用于全球各地區(qū)，可以低功耗實現(xiàn)語音、短信、彩信、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。同時 SIM808 還具有全球衛(wèi)星定位 GPS 功能，適用于各類 GPS 定位導(dǎo)航應(yīng)用。其支持 2G,3G,4G 手機卡。圖 8 SIM808 模塊開發(fā)板從上圖可以看出，SIM808 模塊開發(fā)板功能齊全、接口豐富，模塊（開發(fā)板）尺寸為100mm*58mm，并且完全兼容 ARDUINO 開源硬件，方便開發(fā)相關(guān)的應(yīng)用，同時具有獨立的TTL 串口接口，也方便嵌入到其他各類 MCU 系統(tǒng)中使用。開 題 報 告本設(shè)計擬采用云服務(wù)平臺。云服務(wù)是基于互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)服務(wù)的增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯(lián)網(wǎng)來提供動態(tài)易擴展且經(jīng)常是虛擬化的資源。云是網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)的一種比喻說法。過去在圖中往往用云來表示電信網(wǎng)，后來也用來表示互聯(lián)網(wǎng)和底層基礎(chǔ)設(shè)施的抽象。云服務(wù)指通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴展的方式獲得所需服務(wù)。這種服務(wù)可以是 IT 和軟件、互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)，也可是其他服務(wù)。它意味著計算能力也可作為一種商品通過互聯(lián)網(wǎng)進行流通。云服務(wù)開發(fā)的優(yōu)勢之一就是規(guī)模經(jīng)濟。利用云計算供應(yīng)商提供的基礎(chǔ)設(shè)施，同在單一的企業(yè)內(nèi)開發(fā)相比，開發(fā)者能夠提供更好，更便宜和更可靠的應(yīng)用。如果需要，應(yīng)用能夠利用云的全部資源而無須要求公司投資類似的物理資源。對開發(fā)者而言，升級一個云應(yīng)用比傳統(tǒng)的桌面軟件更容易。只需要升級集中的應(yīng)用程序，應(yīng)用特征就能快速順利地得到更新，而不必手工升級組織內(nèi)每臺臺式機上的單獨應(yīng)用。有了云服務(wù)，一個改變就能影響運行應(yīng)用的每一個用戶，這大大降低了開發(fā)者的工作量。(4)電源模塊電源管理是無線通訊應(yīng)用中的一個關(guān)鍵問題，電源處理得好壞直接影響到整個系統(tǒng)的工作和使用。要解決這個問題，硬件上就應(yīng)該從工作芯片的低功耗的選型和電池體積和容量兩方面綜合來考慮。此模塊需要 IN5815 起穩(wěn)定電流作用，XB5351 起到太陽能過充保護作用，7805 為 5V 穩(wěn)壓器，配上一些外圍電路為傳感器數(shù)據(jù)采集模塊供電。圖 9 電源模塊框圖開 題 報 告三、時間進度2016 年1 月 03 日～2 月 23 日 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書要求,查詢相關(guān)技術(shù)資料，撰寫文獻綜述、準備開題報告2 月 24 日～3 月 05 日 外文資料翻譯，完成開題報告，準備開題答辯 3 月 06 日～3 月 30 日 按任務(wù)書進行硬件設(shè)計與仿真調(diào)試4 月 01 日～4 月 20 日 硬件制作與測試4 月 21 日～5 月 26 日 系統(tǒng)調(diào)試，準備畢業(yè)設(shè)計論文5 月 27 日～5 月 30 日 論文整理、打印、裝訂、交論文、并上傳系統(tǒng)5 月 31 日～6 月 04 日 評閱畢業(yè)設(shè)計論文6 月 05 日～6 月 07 日 論文答辯）開 題 報 告指導(dǎo)教師意見：1．對“文獻綜述”的評語：該同學(xué)圍繞化工企業(yè)廢水遠程監(jiān)測技術(shù)，查閱了大量的技術(shù)資料，了解國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，掌握了課題研究的目的和意義。對畢業(yè)設(shè)計課題的研究具有重要的促進作用。2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測：課題基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，進行化工企業(yè)廢水遠程監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計，包括傳感器及其電路設(shè)計、無線通信電路設(shè)計、電源電路設(shè)計和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)試。本課題有一定深度，涉及的知識面較廣，工作量較大，需要一定的自學(xué)能力和研究能力。通過努力，可以實現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。指導(dǎo)教師： 2016 年 3 月 3 日所在專業(yè)審查意見：同意開題負責(zé)人： 2016 年 3 月 4 日