基于IoT技術(shù)的智能pH測量儀設(shè)計方案

　　本項目是一個基于IoT技術(shù)的智能pH測量儀，使用了一個pH傳感器和ESP32 WiFi模塊，pH讀數(shù)通過ThingSpeak可視化服務(wù)器顯示。

　　項目物料清單如下：

　　ESP32開發(fā)板 (ESP-WROOM-32)

　　PH傳感器

　　9V電池或DC適配器

　　跳線

　　面包板

　　項目清單中的pH傳感器是一款比較先進(jìn)的工業(yè)級電極，這是專門為Arduino、ESP8266、ESP32和其他MCU而設(shè)計的線性模擬工具，測量范圍0-14pH。ESP32是內(nèi)置12-bit　ADC的32位芯片, 可進(jìn)行高精度的測量。

PH傳感器檢測包

　　項目連接器板上的LED可用作電源指示器。該板子帶有BNC-type連接器和PH傳感器接口。使用時，將pH sensor與BNC連接器連接，再將PH接口插入MCU板的任一模擬輸入端口即可。如果已經(jīng)編程就緒，就很容易獲得pH值，也可以通過萬用表來測量輸出電壓。

　　高分辨率pH探針可按照用戶定義的間隔對液體取樣，并將結(jié)果發(fā)送到遠(yuǎn)端服務(wù)器，響應(yīng)時間少于1分鐘，應(yīng)用場景有養(yǎng)魚缸、水廠、實驗室等。

　　PH傳感器帶有BNC連接器的工業(yè)級pH電極，電源指示器LED，和一個校準(zhǔn)PH探針。技術(shù)規(guī)格如下：

　　模塊電壓：DC 9.00V 1A

　　測量范圍：0-14PH

　　測量精度：±0.1pH

　　響應(yīng)時間: 1min

　　輸出：模擬電壓0.5V to 3V

　　Alkali誤差: 0.2PH

　　內(nèi)阻: 250MO

　　本儀器事先進(jìn)行了校準(zhǔn)，測量結(jié)果與溫度成正比。如果PH傳感器探針連接狀態(tài)改變了，就需要重新校準(zhǔn)：PH4 = 1.5V, PH7 = 2.0V & PH9 = 2.5V。校準(zhǔn)時，讓PH傳感器探針直立并保持較長一段時間。如果該傳感器在2-3天內(nèi)多次使用過，測量結(jié)果就會更加精準(zhǔn)。

　　在測試中將PH探針浸入溶液之前，要先用去離子水沖洗傳感器的試管，然后用薄縐紙擦拭干凈。要獲得穩(wěn)定測量結(jié)果，大約需要30-40秒時間。

　　一旦測量讀數(shù)完成，在收儲PH探針之前，要再用去離子水沖洗探針，用薄縐紙將表面溶液擦拭干凈，然后蓋上保護(hù)蓋進(jìn)行保管。

　　注意，PH傳感器探針的試管尖非常敏感，禁止用手觸碰，也不能放在地上。該燈泡型的外殼非常脆弱，不用時應(yīng)按規(guī)定妥善保管。

用ESP32接口測試PH傳感器

制作IoT pH檢測儀之前，要先將其與ESP32 WiFi模塊按照如下電路圖連接并測試。

該pH傳感器使用外接9V電池，或者9V DC電源供電。將pH傳感器信號板的輸出連接到ESP32的VP引腳，這個引腳可作為A0引腳使用。傳感器的輸出范圍為0.5-3V，可與ESP32的模擬引腳一起使用。

基本測試代碼

pH傳感器是模擬傳感器，需要將模擬輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字pH值。下面是一組簡單ESP32 & pH傳感器代碼，拷貝并將這些代碼黏貼到Arduino IDE。

從開發(fā)板管理器選擇ESP32和COM端口后，就可以上傳代碼了。

const int potPin=A0;
float ph;
float Value=0;

void setup() {
?// put your setup code here, to run once:
?Serial.begin(115200);
?pinMode(potPin,INPUT);
?delay(1000);
}
void loop(){

? ?Value= analogRead(potPin);
? ?Serial.print(Value);
? ?Serial.print(" | ");
? ?float voltage=Value*(3.3/4095.0);
? ?ph=(3.3*voltage);
? ?Serial.println(ph);
? ?delay(500);
}

上傳代碼后，打開Serial Monitor，傳感器數(shù)值就出現(xiàn)了。

剛才我們測量的是檸檬汁，Ph值范圍為2.8~3.0。我們也測量了一個常用洗衣液，其Ph值大于8。我們也測量了一杯牛奶，其Ph值會為5左右。

如果傳感器探針與測量套裝保持完整的話，我們就沒有必要對其進(jìn)行校準(zhǔn)了。否則，如果連接狀態(tài)改變了，就要微調(diào)Ph模塊中的5K電位器，按照前述方法進(jìn)行校準(zhǔn)。

制作智能pH檢測儀

接下來，我們重寫代碼構(gòu)建一個基于IoT的pH檢測儀，通過這個pH檢測儀我們可在世界上任何地方監(jiān)視目標(biāo)的pH值。

項目使用Thingspeak服務(wù)器在線監(jiān)視pH數(shù)據(jù)。ThingSpeak是一個面向IoT項目的工具，首先應(yīng)登錄https://thingspeak.com并注冊一個賬號，然后開設(shè)一個新通道，為pH讀數(shù)數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個新裝置。

接著，創(chuàng)建API Key。后面更改程序和設(shè)定數(shù)據(jù)時需要這個Key。

下面是基于pH Sensor & ESP32的智能pH測量儀代碼：

String apiKey = "*************";
const char *ssid = "*************";?
const char *password = "*************";

這需要黏貼并拷貝前面的API Key來升級API密碼，同時更新Wi-Fi信用、Wi-Fi名稱，以及一個后期可變更的密碼。

拷貝以下代碼并上傳到ESP32開發(fā)板：

#include
const int potPin=A0;
float ph;
float Value=0;

String apiKey = "*************"; // Enter your Write API key from ThingSpeak
const char *ssid = "*************"; // replace with your wifi ssid and wpa2 key
const char *password = "*************";
const char* server = "api.thingspeak.com";// don't change this

WiFiClient client;


void setup() {
?// put your setup code here, to run once:
?Serial.begin(115200);
?pinMode(potPin,INPUT);
?delay(1000);

?Serial.print("Connecting to ");
?Serial.println(ssid);
?WiFi.begin(ssid, password);
?while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
? ?delay(2000);
? ?Serial.print(".");
?}
?// Print local IP address and start web server
?Serial.println("");
?Serial.println("WiFi connected.");
?Serial.println("IP address: ");
?Serial.println(WiFi.localIP());
?
}

void loop() {
?// put your main code here, to run repeatedly:
Value= analogRead(potPin);
Serial.print(Value);
Serial.print(" | ");
float voltage=Value*(3.3/4095.0);
ph=(3.3*voltage);
Serial.println(ph);
delay(500);

if (client.connect(server, 80)) // "184.106.153.149" or api.thingspeak.com
? {
? ? ?String postStr = apiKey;
? ? ?postStr += "&field1=";
? ? ?postStr += String(ph);
? ? ?postStr += "\r\n";
? ?
? ? ?client.print("POST /update HTTP/1.1\n");
? ? ?client.print("Host: api.thingspeak.com\n");
? ? ?client.print("Connection: close\n");
? ? ?client.print("X-THINGSPEAKAPIKEY: " + apiKey + "\n");
? ? ?client.print("Content-Type: application/x-www-form-urlencoded\n");
? ? ?client.print("Content-Length: ");
? ? ?client.print(postStr.length());
? ? ?client.print("\n\n");
? ? ?client.print(postStr);?
? ?} ? ?
}

上傳完成后，ESP32將嘗試連接WiFi網(wǎng)絡(luò)。每隔15秒，傳感器就向Thinkspeak server上傳數(shù)據(jù)。我們可在Thinkspeak控制面板看到上傳的數(shù)據(jù)結(jié)果。

如果你對模擬Ph傳感器的測量結(jié)果不滿意，也可以采用科學(xué)儀器級別的Ph傳感器，通過它們的I2C & UART接口獲得更精準(zhǔn)的測量結(jié)果。
審核編輯：湯梓紅