一種物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)云系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 巖，王超梁，楊格格

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 智能工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

0 引 言

海洋是地球上最早出現(xiàn)的水體，其次是河流、湖泊等，在人類生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中都離不開生命之源—水。生活飲用水的質(zhì)量與人類的身體健康息息相關(guān)，工業(yè)用水的水質(zhì)影響著產(chǎn)品質(zhì)量和配套設(shè)施的維護(hù)難易程度，廢水、污水更關(guān)乎生態(tài)圈的可持續(xù)發(fā)展。因此，做好水資源質(zhì)量監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。

傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)方案雖然針對(duì)性強(qiáng)，但是檢測(cè)周期長(zhǎng)、水樣采集復(fù)雜、人工成本高。近年來，隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能環(huán)保系統(tǒng)大大提高了水質(zhì)監(jiān)測(cè)的效率和精度。本文設(shè)計(jì)的云系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)水質(zhì)，可拓展性強(qiáng)，不僅適用于生活用水的監(jiān)測(cè)，還可應(yīng)用于野外水域、水產(chǎn)養(yǎng)殖、工業(yè)用水等場(chǎng)合。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本水質(zhì)監(jiān)測(cè)云系統(tǒng)以STM32F103單片機(jī)為核心控制器，利用水質(zhì)傳感器對(duì)所在水域一定范圍內(nèi)的溫度、濁度、pH值和TDS數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，得到的電壓信號(hào)經(jīng)單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)值轉(zhuǎn)換后獲取對(duì)應(yīng)的濁度、pH值和TDS值，結(jié)果通過FSMC控制器發(fā)送至液晶屏，同時(shí)ESP8266通過MQTT協(xié)議將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)阿里云平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)水質(zhì)參數(shù)的數(shù)值超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，可及時(shí)通過聲光報(bào)警發(fā)出預(yù)警信息，從而幫助用戶快速掌握所測(cè)水域環(huán)境的變化情況。

圖1所示為系統(tǒng)總體框架。

圖1 總體設(shè)計(jì)框架

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度測(cè)量

本系統(tǒng)溫度測(cè)量選用DS18B20溫度傳感器，遵循1-Wire單總線協(xié)議，將采集到的溫度信號(hào)通過PG11管腳送入單片機(jī)芯片進(jìn)行后續(xù)處理，然后通過顯示模塊進(jìn)行顯示。DS18B20與單片機(jī)硬件連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 DS18B20與STM32連接電路

2.2 濁度測(cè)量

TSW-30傳感器內(nèi)部的紅外線對(duì)管發(fā)出光線，穿過待測(cè)溶液，水體渾濁程度影響光的透射、散射，其渾濁程度與透光量成反比，和散射光與透射光比值成反比，與光接收端轉(zhuǎn)換的電流大小成反比。TSW-30傳感器光接收端輸出的電流信號(hào)通過模塊電阻，采樣處理得到為0～4.5 V電壓信號(hào)，單片機(jī)再通過ADC采集信息并經(jīng)過公式轉(zhuǎn)換就可以獲知當(dāng)前水樣的濁度值。濁度測(cè)量模塊原理如圖3所示。

圖3 濁度測(cè)量模塊原理

濁度傳感器模塊必須外接5 V電源，TSW-30通過XH2.54接口連接到濁度模塊上，濁度模塊的AO引腳連接單片機(jī)ADC1引腳PA6。

2.3 pH測(cè)量

本系統(tǒng)選用通用E-201 pH復(fù)合電極采集pH參數(shù)。該電極由pH玻璃電極和銀-氯化銀參比電極復(fù)合而成，當(dāng)電極浸入待測(cè)溶液時(shí)，玻璃薄膜附近形成2個(gè)水化凝膠層，在進(jìn)行pH測(cè)定時(shí)，玻璃膜兩側(cè)溶液的離子交換形成相對(duì)穩(wěn)定的電勢(shì)差，隨之離子交換趨于穩(wěn)定，電勢(shì)差的大小趨于定值，即輸出電壓，pH電極輸出電壓為毫伏級(jí)。

復(fù)合電極配套模塊搭載TLC4502自動(dòng)校準(zhǔn)運(yùn)算放大器，用來放大pH電極的毫伏級(jí)電壓信號(hào)，同時(shí)搭載放大倍數(shù)調(diào)節(jié)電位器，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)即可增大放大倍數(shù)，反之減小放大倍數(shù)，pH模塊輸出電壓范圍為0～5 V。pH傳感器模塊接入系統(tǒng)使用之前，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液調(diào)節(jié)電位器進(jìn)行校準(zhǔn)。

pH傳感器模塊外接3.3 V電源，復(fù)合電極通過BNC接口連接監(jiān)測(cè)模塊，模塊的PO引腳連接單片機(jī)ADC1的通道5即引腳PA5。

2.4 TDS測(cè)量

本系統(tǒng)利用TDS探針進(jìn)行溶液溶解性固體總量參數(shù)采集，在兩探針電極之間載入電壓后，帶正電的離子（如Na，Ca，Mg，K等）向負(fù)電荷的方向移動(dòng)，帶負(fù)電荷的離子（如Cl，SO，HCO等）向正電荷的方向移動(dòng)。通過檢測(cè)離子移動(dòng)所產(chǎn)生的電流，從而確定待測(cè)液的TDS值。

TDS模塊供電電壓正極兼容3.3 V和5 V電壓，輸出0～2.3 V模擬電壓信號(hào)，所以需要單片機(jī)進(jìn)行ADC采集，文中選用ADC1通道7，即2Pin XH-2.54接頭與TDS探針連接，TDS模塊的TDS引腳連接到單片機(jī)的引腳PA7。

2.5 LCD顯示

本系統(tǒng)選用ALIENTEK TFTLCD模塊作為測(cè)量參數(shù)顯示屏。TFTLCD巧妙結(jié)合了微電子技術(shù)、薄膜晶體管（TFT）技術(shù)、LCD技術(shù)，可有效克服非選通時(shí)的串?dāng)_，大大提高監(jiān)測(cè)質(zhì)量。

TFTLCD模塊有21條8080并行接口信號(hào)線，其中CS信號(hào)線用來傳輸TFTLCD片選信號(hào)；WR和RD分別對(duì)TFTLCD寫入和讀取數(shù)據(jù)；DB1～DB8、DB10～DB17為雙向數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)線；RS用來傳送讀寫命令/讀寫數(shù)據(jù)標(biāo)志位，RST為硬件復(fù)位信號(hào)線，直接連接單片機(jī)的復(fù)位引腳。

TFTLCD通過FSMC控制器驅(qū)動(dòng)，所以，LCD_CS、LCD_RS、LCD_WR、LCD_RD分別連接至FSMC控制器的NE4、A10、NWE、NOE，即單片機(jī)的PG12、PG0、PD5、PD4引腳；LCD_BL引腳與單片機(jī)PB0相連，實(shí)現(xiàn)背光控制；LCD_D0～LCD_D15連接到FSMC_D15～FSMC_D0。

2.6 WiFi通信

本系統(tǒng)通信模塊設(shè)計(jì)選用安信可公司出品的ESP-01S通信模塊，共有8個(gè)接口，其中供電電源正極使用3.3 V電壓供電；RXD為異步串口接收端；TXD為異步串口發(fā)送端；EN引腳為芯片使能端，輸出高電平有效；IO0引腳懸空時(shí)為FLASH下載模式和工作模式，下拉時(shí)為串口下載模式；IO2引腳默認(rèn)為高電平，開機(jī)上電時(shí)禁止下拉；RST為外部復(fù)位引腳，默認(rèn)為高電平，輸出低電平時(shí)有效。

本系統(tǒng)中，ESP-01S模組的VCC管腳連接3.3 V電壓，ESP-01S的TXD、RXD、RST引腳分別連接單片機(jī)的PA3、PA2、PA4引腳，實(shí)現(xiàn)UART通信，剩余管腳懸空。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C語言編程，在Keil5開發(fā)環(huán)境中運(yùn)行，利用ST-Link下載工具在線調(diào)試，由XCOM軟件進(jìn)行串口調(diào)試。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括傳感器單元程序設(shè)計(jì)、控制單元程序設(shè)計(jì)和WiFi模塊程序設(shè)計(jì)。傳感器單元包括溫度、濁度、pH值和TDS值的采集，需獲取待測(cè)水域的環(huán)境因子。其中，溫度數(shù)據(jù)采取單總線方式讀取，濁度、pH值和TDS值需要利用A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并經(jīng)過中央處理器處理后轉(zhuǎn)變成對(duì)應(yīng)的參數(shù)值；控制單元包括顯示和預(yù)警兩部分，水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)可在TFTLCD上實(shí)時(shí)顯示，并設(shè)置閾值，當(dāng)參數(shù)超過此范圍時(shí)可利用蜂鳴器報(bào)警；WiFi模塊通過MQTT協(xié)議將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)并實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)框架如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

4 結(jié)果分析

本系統(tǒng)上電測(cè)試之前，檢查各模塊是否連接正確。系統(tǒng)上電前如圖5所示。連接電源后，查看是否存在短路、斷路或芯片過熱等異?，F(xiàn)象。開通阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，創(chuàng)建產(chǎn)品、設(shè)備，設(shè)置產(chǎn)品自定義屬性、服務(wù)和事件，然后發(fā)布模型。利用IoT Stutio開發(fā)Web應(yīng)用，選取儀表盤，設(shè)置樣式、數(shù)據(jù)范圍、配置對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)源等，組建該水質(zhì)監(jiān)測(cè)云系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)維大屏。

圖5 系統(tǒng)未上電圖

程序編譯無誤后燒錄入單片機(jī)，燒錄成功后系統(tǒng)還未連接至阿里云服務(wù)器，所以暫時(shí)未傳輸數(shù)據(jù)至LCD，等待幾秒后，可在XCOM串口調(diào)試軟件觀測(cè)到單片機(jī)已成功連接阿里云服務(wù)器，并開始進(jìn)行數(shù)據(jù)透?jìng)?，此時(shí)LCD開始顯示測(cè)量參數(shù)，如圖6所示。

圖6 連接服務(wù)器成功后LCD顯示界面

登錄阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，可在公共實(shí)例中查看設(shè)備，點(diǎn)擊模型數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)查看水質(zhì)測(cè)量數(shù)據(jù)；點(diǎn)擊IoT Stutio的應(yīng)用開發(fā)，查看創(chuàng)建的全局資源項(xiàng)目；應(yīng)用綁定設(shè)備，查看水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)維大屏。水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)維大屏如圖7所示。

圖7 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)維大屏

將傳感器分別放入不同待測(cè)溶液中，TFTLCD、模型數(shù)據(jù)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)云系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)維大屏水質(zhì)參數(shù)均可實(shí)時(shí)顯示。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和STM32F103ZET6單片機(jī)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)云系統(tǒng)，利用水質(zhì)傳感器對(duì)所在水域一定范圍內(nèi)的溫度、濁度、pH、TDS數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過FSMC控制器發(fā)送到液晶屏上顯示，同時(shí)通過WiFi模塊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)分析方便、應(yīng)用場(chǎng)合廣泛、可拓展性強(qiáng)，適合在野外場(chǎng)合多點(diǎn)放置、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，多區(qū)域在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)云系統(tǒng)具有一定的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。