摘要: 為解決傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測耗時(shí)費(fèi)力、采樣精度低、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)困難等問題，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32微處理器為控制核心，通過控制內(nèi)部ADC采集通道對水體溫度、渾濁度、pH值和TDS值進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以esp8266模塊與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器通信，通過串口與LabVIEW上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，用戶可以通過OLED屏、手機(jī)App和LabVIEW上位機(jī)等3種方式對水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測與預(yù)警。試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，人機(jī)交互界面簡單方便，且測量精度較高。

隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，人們對飲用水、生活用水和養(yǎng)殖用水的水體質(zhì)量都越來越關(guān)注。然而近幾年來水體污染問題經(jīng)常發(fā)生，這對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民的身體健康都產(chǎn)生了較大威脅[1]，因此及時(shí)掌握水體的具體情況變得十分必要[2]。

在以往，對水體參數(shù)的采集通常使用人工方式測量與記錄，該方式耗時(shí)費(fèi)力，且采集到的數(shù)據(jù)具有偶然性，也不利于對水體水質(zhì)進(jìn)行綜合分析。故在此設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測水體的溫度、渾濁度、溶解性固體總量TDS(total dissolved solids）以及酸堿度（pH），并上傳到Lab VIEW上位機(jī)生成變化曲線[3-5]。

同時(shí)還通過WiFi模塊將水質(zhì)信息傳輸?shù)?u>機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器[6]，用戶可以通過OLED顯示屏、手機(jī)App、Lab VIEW上位機(jī)等3種方式查看查看水質(zhì)參數(shù)具體數(shù)值。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決了時(shí)間與空間的限制，便于在任何時(shí)間地點(diǎn)查看水質(zhì)情況，具有較高的研究價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)下位機(jī)圍繞STM32單片機(jī)展開工作；溫度、濁度、TDS、p H這4個(gè)傳感器模塊用于采集水體參數(shù)信息；OLED顯示模塊用于現(xiàn)場顯示水體參數(shù)具體數(shù)值；USB轉(zhuǎn)串口模塊負(fù)責(zé)串口與上位機(jī)間數(shù)據(jù)傳輸；云服務(wù)器負(fù)責(zé)接收和發(fā)送WiFi模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)；手機(jī)App負(fù)責(zé)遠(yuǎn)距離監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)；Lab VIEW上位機(jī)負(fù)責(zé)電腦端水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測并提供報(bào)警服務(wù)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

首先，STM32F103C8T6單片機(jī)內(nèi)部ADC將pH、濁度和TDS傳感器采集的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由于溫度傳感器的輸出為數(shù)字信號，因此無需A/D轉(zhuǎn)換。MCU將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號發(fā)送至內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，利用串行數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆LED顯示屏實(shí)時(shí)顯示，并通過USB轉(zhuǎn)串口模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ab VIEW上位機(jī)。同時(shí)，MCU通過USART3把數(shù)據(jù)發(fā)送給WiFi模塊，WiFi模塊再通過TCP/IP協(xié)議把數(shù)據(jù)發(fā)送至機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器保存，這時(shí)手機(jī)App通過注冊登錄后綁定設(shè)備，就可以從服務(wù)器接收數(shù)據(jù)信息，從而查看水質(zhì)參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32單片機(jī)

主控模塊選用STM32F103C8T6微處理器，該單片機(jī)功耗小、成本低，功能豐富[7]。其內(nèi)核為基于ARM架構(gòu)32位的Cortex鄄M3 CPU，最高主頻可達(dá)72MHz，其具有64 k B Flash,20 k B的SRAM,2個(gè)12位ADC,16個(gè)ADC采集通道，9個(gè)片上通信接口，37個(gè)快速I/O端口，因而被廣泛應(yīng)用于各種低成本的嵌入式產(chǎn)品中。

2.2 濁度傳感器模塊

濁度傳感器采用TSW鄄30濁度模塊。該模塊供電電壓為5V，最大工作電流為40 m A，工作溫度為-20～90℃。因該模塊采集到的為模擬信號，需要STM32單片機(jī)內(nèi)置ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號才能被MCU讀取使用，在此選取STM32F103C8T6的ADC1的通道1采集濁度參數(shù)，其對應(yīng)單片機(jī)引腳為PA1。濁度傳感器與主控模塊STM32單片機(jī)接線如圖2所示。

圖2 濁度傳感器接線示意圖

2.3 pH值傳感器及溫度傳感器模塊

水體pH值測量的p H電極型號為E鄄201鄄C。該模塊供電電壓為5 V，測量p H值范圍為0～14，工作溫度范圍為0～60℃，測量精度為±0.1(20℃），響應(yīng)時(shí)間小于1 min。由于pH值受溫度的影響較大，通常需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，因此該模塊自帶溫度傳感器連接引腳T0。p H值傳感器與主控模塊STM32單片機(jī)接線如圖3所示，其中引腳PA0為STM32單片機(jī)ADC1的采集通道0。

圖3 PH傳感器接線示意圖

在正常情況下，水體溫度不會(huì)發(fā)生很大變化。若水溫發(fā)生急劇變化通常是由于水體受到污染，因此水體溫度也作為評估水質(zhì)好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。溫度傳感器采用DS18B20模塊，該模塊接3.3V供電，可檢測溫度最高達(dá)125℃，最低可達(dá)-55℃，測量精度可達(dá)±0.5℃。溫度傳感器與p H傳感器接線如圖4所示。

圖4 溫度傳感器接線示意圖

2.4 TDS傳感器模塊

水體TDS值測量采用SEN0244型模擬TDS傳感器模塊。該模塊供電電壓為5 V，工作電流范圍為3～6 m A，模擬信號輸出電壓范圍為0～2.3 V,TDS測量范圍為（0～1000）×10-6，測量精度為±5%。TDS傳感器與主控模塊STM32單片機(jī)接線如圖5所示，PA2引腳對應(yīng)為STM32單片機(jī)ADC1的采集通道2。

圖5 TDS傳感器接線示意圖

2.5 OLED顯示模塊

由于系統(tǒng)需要顯示數(shù)字、英文以及漢字，因此選用2.4384cm的OLED顯示屏。該顯示屏采用IIC通信，僅需連接4個(gè)引腳即可使用，非常方便。其與STN32單片機(jī)接線如圖6所示。

圖6 OLED顯示模塊連接示意圖

2.6 Wi Fi及串口通信模塊

Wi Fi模塊采用安信可公司的ESP8266鄄12F模塊。該模塊兼容3.3 V與5 V電壓輸入，在此VCC接3.3 V供電，GND接地，GPIO0接1 kΩ上拉電阻默認(rèn)設(shè)置為工作模式，TXD串口發(fā)送引腳接單片機(jī)USART3的接收引腳PB10,RXD串口發(fā)送引腳接單片機(jī)USART3的發(fā)送引腳PB11,RST復(fù)位引腳默認(rèn)接1 kΩ上拉電阻，低電平時(shí)有效。Wi Fi模塊電路如圖7所示。

圖7 WiFi模塊電路

由于上位機(jī)與STM32單片機(jī)的通信方式不同，因此需要USB轉(zhuǎn)串口模塊實(shí)現(xiàn)兩者間的通信功能。該模塊TXD與RXD引腳與STM32單片機(jī)US鄄ART1的RXD和TXD引腳連接，從而實(shí)現(xiàn)把MCU內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。USB轉(zhuǎn)串口模塊電路如圖8所示。

圖8USB轉(zhuǎn)串口模塊電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控模塊軟件部分的開發(fā)工具為KeilμVision5，編程語言為C語言。主控模塊軟件主要有系統(tǒng)初始化程序、定時(shí)器中斷程序、傳感器信號采集程序、OLED顯示程序、Wi Fi傳輸程序。當(dāng)系統(tǒng)通電后首先會(huì)對系統(tǒng)各個(gè)模塊執(zhí)行初始化操作，即進(jìn)行硬件驅(qū)動(dòng)初始化，待初始化完畢后再調(diào)用傳感器模塊采集水體數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)MCU處理后顯示在OLED顯示屏和LabVIEW上位機(jī)上。同時(shí)，若當(dāng)前Wi Fi連接正常，Wi Fi模塊會(huì)將經(jīng)MCU處理并封裝的數(shù)據(jù)點(diǎn)協(xié)議報(bào)文發(fā)送到機(jī)智云平臺(tái)服務(wù)器，此時(shí)可通過登錄機(jī)智云手機(jī)App實(shí)時(shí)查看各項(xiàng)水質(zhì)信息。系統(tǒng)軟件整體流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件整體流程

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)軟件基于Lab VIEW開發(fā)完成。該上位機(jī)顯示界面采用圖形化的方式展現(xiàn)出所測得的水體數(shù)據(jù)，操作界面也非常友好、簡單，采用串口通信的方式實(shí)現(xiàn)與STM32單片機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)上位機(jī)可分為參數(shù)數(shù)值顯示與參數(shù)預(yù)警設(shè)置2個(gè)部分，前者用于顯示當(dāng)前p H、TDS、渾濁度、溫度的具體數(shù)值和曲線圖，便于用戶整體掌握水質(zhì)的具體情況；后者用于設(shè)置水質(zhì)參數(shù)上限值和水質(zhì)數(shù)據(jù)的保存位置，并提供水體污染報(bào)警服務(wù)，提醒用戶采取措施抑制水體污染。上位機(jī)部分程序框圖如圖10所示。

3.3云平臺(tái)及App的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由于自主搭建服務(wù)器的成本及難度比較大，因此選用機(jī)智云Aiot開發(fā)平臺(tái)作為系統(tǒng)的服務(wù)器，機(jī)智云為一款致力于物聯(lián)網(wǎng)、軟硬件云服務(wù)的開發(fā)平臺(tái)。此次水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)App的開發(fā)工具為Android Stu鄄dio。為了使用戶更方便地開發(fā)手機(jī)App并與云服務(wù)器對接，機(jī)智云公司提供了一套App的開源框架，其框架內(nèi)部已完成App與云服務(wù)器的通信功能，用戶只需根據(jù)自身功能需求在此框架上進(jìn)行二次開發(fā)。

圖10部分程序框圖

用戶在打開手機(jī)App后，會(huì)提示用戶進(jìn)行注冊，在完成注冊操作后讓ESP8266 Wi Fi模塊進(jìn)入Air鄄Link模式，然后手機(jī)App會(huì)搜索并與當(dāng)前設(shè)備綁定，此時(shí)系統(tǒng)就會(huì)接入無線局域網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器通信。App顯示界面如圖11所示。

圖11 APP顯示界面

4 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

為保證水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測試，下位機(jī)運(yùn)行如圖12所示。

測試試驗(yàn)選取PH鄄100高精度p H測試筆作為p H值的標(biāo)準(zhǔn)檢測儀器；選取SGZ鄄1000BS便攜式濁度儀作為渾濁度的標(biāo)準(zhǔn)檢測儀器；選取格力TDS檢測筆作為TDS與溫度的標(biāo)準(zhǔn)檢測儀器；選擇實(shí)驗(yàn)室為試驗(yàn)地點(diǎn)，接取3杯自來水，然后向這3杯自來水中由少到多加入p H值為4.0的緩沖液、含磷化肥、干燥的泥土及90℃開水作為待測溶液，將待測溶液充分?jǐn)嚢韬箪o置10 s，再分別使用標(biāo)準(zhǔn)檢測儀器、本文系統(tǒng)進(jìn)行檢測，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

圖12 下位機(jī)運(yùn)行

表1 水質(zhì)參數(shù)測試數(shù)據(jù)

注：NTU(nephelometric turbidityunit）為散射濁度單位。

表中，由標(biāo)準(zhǔn)檢測儀器檢測的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)值，由本系統(tǒng)測量得到的數(shù)據(jù)為測量值；每種參數(shù)的3個(gè)數(shù)據(jù)自上而下對應(yīng)于污染程度逐漸增加的待測溶液。

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，采用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)測量出來的水質(zhì)參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值間的誤差均在3%以內(nèi)，且上位機(jī)運(yùn)行顯示結(jié)果與下位機(jī)相同，由此表明該系統(tǒng)可以穩(wěn)定地檢測水質(zhì)各項(xiàng)參數(shù)。上位機(jī)運(yùn)行界面如圖13所示。

圖13 上位機(jī)運(yùn)行界面

5 結(jié)語

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)多種方式對水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，且系統(tǒng)造價(jià)低，測量精度較高。另外，Lab VIEW上位機(jī)人機(jī)交互界面操作簡單，功能較為豐富，手機(jī)App顯示界面較為直觀，該系統(tǒng)能夠滿足用戶的絕大部分需求。該系統(tǒng)還可以應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖等需要監(jiān)測水質(zhì)的領(lǐng)域，具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景[8]。