基于 Arduino 与 GPRS/GPS 的实时水质监测系统

组件与物料清单

所需工具

• 电烙铁（通用）

应用与在线服务

• Microsoft Azure（免费学生套餐托管网站和数据库）
• Arduino IDE

项目简介

引言

2016 年 9 月，一座水处理厂因污染水流入被迫关闭，供水公司无法定位污染源，造成严重供水中断。我的大学课程要求学生构建系统解决社区问题。自动化水质监测系统将大大简化污染源排查！

系统概览

4 个传感器接入 Arduino Genuino 101。均为电流输出型，需配套调理电路。Arduino 定期采集测量数据，获取 GPS 坐标，通过 GPRS 数据链路将数据包上传至数据库。用户可在网页查看结果：

传感器探头

三个电流输出传感器来自 Global Water，由指导老师提供。本项目使用温度、pH 和溶解氧传感器。遗憾的是溶解氧传感器故障。

另一个是浊度传感器，输出电压与水中悬浮固体颗粒量成正比。

传感器与 Arduino 接口

用电阻将电流输出转换为可测量的电压电平。

A7 GPRS 与 GPS 模块

选择 A7 模块因其比 SIM900 便宜，且集成 GPRS 和 GPS 于一体！

但便宜有代价：

1. 模块自带的 GPS 天线其实不是真正的 GPS 天线，需自行购买。
2. 默认仅支持 115200 bps UART 通信，即使软件修改波特率，掉电后仍恢复默认。Software Serial 在 115200 bps 下极其不可靠。为此我纠结了两天，最终在 Arduino 代码中实现了波特率自动切换功能。
3. 这是新模块，我需自行编写库。源码拼凑自 SIM900 和 Adafruit GPS 库，虽乱但能用，请勿鄙视。

需设计电路控制模块开关。模块有 RESET 和 PWR_KEY 两个控制引脚。PWR_KEY 施加电压至少 2 秒启动模块。复位时将 RESET 拉低至 GND，否则 RESET 应上拉至 5V。我先复位再上电，确保正常启动。

电源系统

电源系统值得专门说明（我觉得），因为电流输出传感器需要最低 10V 工作，高于我们喜爱的 5V。为演示远程工作能力，选用锂离子电池。

两节锂电串联得 7.4-8.4V，一个降压模块输出 5V 供 Arduino 和 A7，一个升压模块输出 11V 供水质传感器。此续航不长，但原型验证非主要关注点。

电路板

系统构建在万能板上，板子和 Arduino Genuino 101 完美装入外壳。

外壳

指导老师给了一个旧外壳，之前学生为水质传感器项目钻好的孔，正好复用！

注意传感器连接器。传感器自带连接器，我找配对插头，型号 GX16，非常通用，未来项目肯定派得上用场！

网页端

最后，花了我几周从零搭建的部分。我零基础搞服务器和网站，项目中自学了 PHP、SQL、JavaScript、CSS 和 HTML。

网站托管在 Microsoft Azure 学生免费套餐，有限制但够用。数据库用 ClearDB（Azure 合作伙伴），同样有内存限制但足够。

代码在仓库，记得在 username_password.php 填入你的凭证。

log.php 将 Arduino 发来的所有数据存入数据库。网页展示 Google Map，在有测量数据的位置显示标记。其他 PHP 文件都是访问数据库取数据的“工具”。

网页响应较慢，全是我硬拼凑的，希望改进。欢迎建议！

代码

水质监测系统

网站代码在 /Website，Arduino 草图和 A7 模块库在 /Arduino
https://github.com/JohnHJ01/Water-Quality-Monitoring-System

原理图

整个系统的原理图