基于物聯(lián)網(wǎng)的多參數(shù)水質監(jiān)測系統(tǒng)設計

摘要: 為解決傳統(tǒng)水質監(jiān)測耗時費力、采樣精度低、數(shù)據(jù)統(tǒng)計困難等問題，設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的多參數(shù)水質監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32微處理器為控制核心，通過控制內部ADC采集通道對水體溫度、渾濁度、pH值和TDS值進行數(shù)據(jù)采集，以esp8266模塊與物聯(lián)網(wǎng)平臺服務器通信，通過串口與LabVIEW上位機進行數(shù)據(jù)傳輸。同時，用戶可以通過OLED屏、手機App和LabVIEW上位機等3種方式對水質參數(shù)進行監(jiān)測與預警。試驗證明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，人機交互界面簡單方便，且測量精度較高。

隨著社會的進步與發(fā)展，人們對飲用水、生活用水和養(yǎng)殖用水的水體質量都越來越關注。然而近幾年來水體污染問題經常發(fā)生，這對工農業(yè)生產和人民的身體健康都產生了較大威脅[1]，因此及時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，該方式耗時費力，且采集到的數(shù)據(jù)具有偶然性，也不利于對水體水質進行綜合分析。故在此設計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的水質監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠實時監(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上位機生成變化曲線[3-5]。

同時還通過WiFi模塊將水質信息傳輸?shù)?u>機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺服務器[6]，用戶可以通過OLED顯示屏、手機App、Lab VIEW上位機等3種方式查看查看水質參數(shù)具體數(shù)值。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術解決了時間與空間的限制，便于在任何時間地點查看水質情況，具有較高的研究價值。

1 系統(tǒng)總體結構設計

基于物聯(lián)網(wǎng)的水質監(jiān)測系統(tǒng)下位機圍繞STM32單片機展開工作；溫度、濁度、TDS、p H這4個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轉串口模塊負責串口與上位機間數(shù)據(jù)傳輸；云服務器負責接收和發(fā)送WiFi模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)；手機App負責遠距離監(jiān)測水質參數(shù)；Lab VIEW上位機負責電腦端水質數(shù)據(jù)監(jiān)測并提供報警服務。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構示意圖

首先，STM32F103C8T6單片機內部ADC將pH、濁度和TDS傳感器采集的模擬信號轉換為數(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轉換。MCU將轉化后的數(shù)字信號發(fā)送至內部數(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顯示屏實時顯示，并通過USB轉串口模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ab VIEW上位機。同時，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)送至機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺服務器保存，這時手機App通過注冊登錄后綁定設備，就可以從服務器接收數(shù)據(jù)信息，從而查看水質參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 STM32單片機

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

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單片機內置ADC轉化為數(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)，其對應單片機引腳為PA1。濁度傳感器與主控模塊STM32單片機接線如圖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℃），響應時間小于1 min。由于pH值受溫度的影響較大，通常需要進行溫度補償，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單片機接線如圖3所示，其中引腳PA0為STM32單片機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好壞的一個重要指標。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125℃，最低可達-55℃，測量精度可達±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單片機接線如圖5所示，PA2引腳對應為STM32單片機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個引腳即可使用，非常方便。其與STN32單片機接線如圖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上拉電阻默認設置為工作模式，TXD串口發(fā)送引腳接單片機USART3的接收引腳PB10,RXD串口發(fā)送引腳接單片機USART3的發(fā)送引腳PB11,RST復位引腳默認接1 kΩ上拉電阻，低電平時有效。Wi Fi模塊電路如圖7所示。

圖7 WiFi模塊電路

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

圖8USB轉串口模塊電路

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 主控模塊軟件設計

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。當系統(tǒng)通電后首先會對系統(tǒng)各個模塊執(zhí)行初始化操作，即進行硬件驅動初始化，待初始化完畢后再調用傳感器模塊采集水體數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)經MCU處理后顯示在OLED顯示屏和LabVIEW上位機上。同時，若當前Wi Fi連接正常，Wi Fi模塊會將經MCU處理并封裝的數(shù)據(jù)點協(xié)議報文發(fā)送到機智云平臺服務器，此時可通過登錄機智云手機App實時查看各項水質信息。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 上位機軟件設計

系統(tǒng)上位機軟件基于Lab VIEW開發(fā)完成。該上位機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現(xiàn)與STM32單片機間的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)上位機可分為參數(shù)數(shù)值顯示與參數(shù)預警設置2個部分，前者用于顯示當前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的具體情況；后者用于設置水質參數(shù)上限值和水質數(shù)據(jù)的保存位置，并提供水體污染報警服務，提醒用戶采取措施抑制水體污染。上位機部分程序框圖如圖10所示。

3.3云平臺及App的設計與實現(xiàn)

由于自主搭建服務器的成本及難度比較大，因此選用機智云Aiot開發(fā)平臺作為系統(tǒng)的服務器，機智云為一款致力于物聯(lián)網(wǎng)、軟硬件云服務的開發(fā)平臺。此次水質監(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App并與云服務器對接，機智云公司提供了一套App的開源框架，其框架內部已完成App與云服務器的通信功能，用戶只需根據(jù)自身功能需求在此框架上進行二次開發(fā)。

圖10部分程序框圖

用戶在打開手機App后，會提示用戶進行注冊，在完成注冊操作后讓ESP8266 Wi Fi模塊進入Air鄄Link模式，然后手機App會搜索并與當前設備綁定，此時系統(tǒng)就會接入無線局域網(wǎng)絡與服務器通信。App顯示界面如圖11所示。

圖11 APP顯示界面

4 系統(tǒng)測試結果與分析

為保證水質監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準確性，需要對系統(tǒng)進行實際測試，下位機運行如圖12所示。

測試試驗選取PH鄄100高精度p H測試筆作為p H值的標準檢測儀器；選取SGZ鄄1000BS便攜式濁度儀作為渾濁度的標準檢測儀器；選取格力TDS檢測筆作為TDS與溫度的標準檢測儀器；選擇實驗室為試驗地點，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，將待測溶液充分攪拌后靜置10 s，再分別使用標準檢測儀器、本文系統(tǒng)進行檢測，得到的試驗數(shù)據(jù)見表1。

圖12 下位機運行

表1 水質參數(shù)測試數(shù)據(jù)

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

表中，由標準檢測儀器檢測的數(shù)據(jù)為標準值，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個數(shù)據(jù)自上而下對應于污染程度逐漸增加的待測溶液。

經過試驗驗證，采用所設計系統(tǒng)測量出來的水質參數(shù)與標準值間的誤差均在3%以內，且上位機運行顯示結果與下位機相同，由此表明該系統(tǒng)可以穩(wěn)定地檢測水質各項參數(shù)。上位機運行界面如圖13所示。

圖13 上位機運行界面

5 結語

通過試驗驗證，所設計的基于物聯(lián)網(wǎng)多參數(shù)水質監(jiān)控系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，可以實現(xiàn)多種方式對水質參數(shù)的實時監(jiān)測，且系統(tǒng)造價低，測量精度較高。另外，Lab VIEW上位機人機交互界面操作簡單，功能較為豐富，手機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)還可以應用于水產養(yǎng)殖等需要監(jiān)測水質的領域，具有較強的應用前景[8]。