基于STM32的智能水质监测与净化系统

最新推荐文章于 2025-03-20 13:08:35 发布

STM32发烧友

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文章标签： stm32 嵌入式硬件单片机

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/stm32d1219/article/details/145834145

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1. 引言

水资源污染问题日益严峻，传统水质监测与净化系统存在实时性差、净化效率低等问题。本文设计了一款基于STM32的智能水质监测与净化系统，通过多参数水质检测、智能净化策略与远程监控，实现水质的实时优化与安全保障，提升水资源利用效率。

2. 系统设计

2.1 硬件设计

主控芯片：STM32F746NG，配备LCD控制器与硬件JPEG解码
感知模块：
- pH传感器（PH-4502C）：0-14pH（精度±0.1）
- 溶解氧传感器（SEN0237）：0-20mg/L（精度±0.2mg/L）
- 浊度传感器（TSW-30）：0-1000NTU（分辨率1NTU）
- 电导率传感器（EC-5）：0-20mS/cm（精度±0.1mS/cm）
净化模块：
- 臭氧发生器（0-10g/h）：杀菌消毒
- 超滤膜组件（0.01μm）：去除悬浮物
- UV杀菌灯（254nm）：灭活微生物
- 活性炭滤芯：吸附有机物
通信模块：
- LoRa模块（SX1278）：远程数据传输
- 4G模组（EC200S）：连接云端平台
供电系统：
- 太阳能电池板（200W）
- 锂电池组（48V/100Ah）

2.2 软件架构

水质评估引擎：多参数融合的水质指数（WQI）计算
净化控制算法：基于模糊PID的臭氧投加优化
故障诊断系统：传感器异常检测与自校准
数据管理平台：支持历史数据查询与趋势分析

3. 功能模块

3.1 实时水质监测

pH值：0-14（精度±0.1）
溶解氧：0-20mg/L（精度±0.2mg/L）
浊度：0-1000NTU（分辨率1NTU）
电导率：0-20mS/cm（精度±0.1mS/cm）

3.2 智能净化控制

臭氧投加量：0-10g/h（精度±0.1g/h）
超滤膜反冲洗：根据压差自动触发
UV灯寿命管理：累计工作时间统计

3.3 异常预警系统

水质超标分级报警（短信/APP/平台）
设备故障自动诊断（传感器/执行器）
备用电源切换（断电保护>24小时）

3.4 远程监控运维

实时查看水质参数
支持净化策略远程调整
生成水质报告（PDF/Excel）

4. 核心算法

4.1 水质指数计算

float calculate_wqi(float ph, float do, float turbidity) {  
    float sub1 = (ph - 7) / 7 * 50;          // pH子指数  
    float sub2 = (do - 5) / 15 * 50;         // 溶解氧子指数  
    float sub3 = (1000 - turbidity) / 1000 * 50; // 浊度子指数  
    return (sub1 + sub2 + sub3) / 3;         // 综合水质指数  
}

4.2 臭氧投加控制

void ozone_control(float wqi) {  
    float Kp = 0.8, Ki = 0.05, Kd = 0.1;  
    static float integral = 0, last_err = 0;  
    float err = wqi - 50;  // 目标WQI=50  
    integral += err * 0.1;  // 采样周期0.1秒  
    float output = Kp*err + Ki*integral + Kd*(err - last_err);  
    set_ozone(output * 10);  // 转换为g/h  
    last_err = err;  
}

4.3 故障诊断逻辑

void fault_diagnosis() {  
    if (ph_sensor_error())  
        report_fault("pH传感器异常");  
    else if (ozone_generator_fault())  
        report_fault("臭氧发生器故障");  
}

5. 关键代码实现

5.1 多传感器数据采集

void sensor_read_task() {  
    float ph = PH4502_Read();  
    float do = SEN0237_Read();  
    float turbidity = TSW30_Read();  
    transmit_lora(ph, do, turbidity);  // LoRa无线传输  
}

5.2 超滤膜反冲洗控制

void backwash_control() {  
    float delta_p = get_pressure_drop();  
    if (delta_p > 0.5) {  // 压差>0.5bar触发反冲洗  
        start_backwash(120);  // 反冲洗120秒  
    }  
}