基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村飲用水水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王巍淞，馬巧梅＊，申連雄

（1.寶雞文理學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 寶雞 721016；2.榆林廣播電視臺(tái)，陜西 榆林 719000）

引言

當(dāng)前農(nóng)村飲用水隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，工業(yè)化程度的提高，其水質(zhì)受到很大的影響，個(gè)別村莊甚至出現(xiàn)了無(wú)法直飲的現(xiàn)象，即便有些飲用水表面看起來(lái)較為清澈，實(shí)則并未達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)[1]。

當(dāng)前隨著物聯(lián)網(wǎng)及傳感器技術(shù)的發(fā)展，大量的微傳感器應(yīng)用到水質(zhì)檢測(cè)中，給農(nóng)村水質(zhì)管理人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)飲用水水質(zhì)提供幫助，但沒(méi)有做到集中管理，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飲用水的水質(zhì)變化情況，那么利用單片機(jī)+ZigBee 的農(nóng)村飲用水水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]便急需開(kāi)發(fā)出來(lái)，以更好地服務(wù)于村民，為村民提供一個(gè)安全的飲用水環(huán)境[3]。

基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村飲用水水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于保障村民安全用水具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4]，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

（1） 通過(guò)監(jiān)測(cè)pH 值、水濁度等指標(biāo)為村民的飲用水安全提供數(shù)據(jù)支持[5]。

（2） 可通過(guò)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)并上傳至APP 客戶端，可節(jié)省大量的人力，提高了對(duì)飲用水安全的監(jiān)測(cè)效率[6]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村飲用水水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是將STM32 單片機(jī)作為主控制器，通過(guò)溫度傳感器、pH 值感器模塊及水濁度進(jìn)行監(jiān)測(cè)農(nóng)村飲用水水質(zhì)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過(guò)ESP8266 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將所采集的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)APP 客戶端，當(dāng)超過(guò)設(shè)置的闕值時(shí)予以報(bào)警提示[7]。

基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村飲用水水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1.1 主控單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村飲用水水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控模塊采用STM32F103C8T6，該單片機(jī)可提供內(nèi)外兩個(gè)晶振頻率，當(dāng)發(fā)生程序跑飛的情況時(shí)可通過(guò)復(fù)位重啟，完成單片機(jī)以恢復(fù)。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)單片機(jī)模塊需要具有如電源模塊、復(fù)位電路、晶振電路等組成一個(gè)最小的單片機(jī)系統(tǒng)，可基本滿足一些常規(guī)的使用，成為一個(gè)可正常運(yùn)行的系統(tǒng)[8]。

單片機(jī)主控模塊電路原理圖見(jiàn)圖2。

圖2 單片機(jī)電路原理圖

1.1.2 ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電路設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村飲用水水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括發(fā)送端（傳感器端）和接收段（單片機(jī)側(cè)），采用ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為傳輸網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)以CC2530 芯片為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)。該CC2530 是一種功耗低，傳輸穩(wěn)定可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)芯片，通過(guò)3.3-5 v 電源供電，是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的ZigBee 解決方案[9]。CC2530 硬件電路原理圖見(jiàn)圖3。

圖3 CC2530 硬件電路原理圖

1.1.3 pH 值傳感器電路設(shè)計(jì)

pH 值傳感器負(fù)責(zé)采集飲用水的pH 值，一旦發(fā)現(xiàn)pH 值超標(biāo)則通知處理人員來(lái)處理，pH 值采集電路原理圖見(jiàn)圖4。

圖4 pH 值采集電路原理圖

1.1.4 水濁度傳感器電路設(shè)計(jì)

水濁度傳感器主要監(jiān)測(cè)水中是否有泥沙、漂浮物等，應(yīng)該在滿足飲用水的范圍內(nèi)，否則需要進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

水濁度傳感器電路原理圖見(jiàn)圖5。

圖5 水濁度傳感器電路原理圖

1.2 軟件電路設(shè)計(jì)

1.2.1 系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村飲用水水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用各類傳感器已完成對(duì)溫度、pH 值及水濁度的采集，并上傳至APP 客戶端完成顯示，一旦采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的闕值，上位機(jī)以報(bào)警提示。系統(tǒng)功能架構(gòu)圖見(jiàn)圖6。

圖6 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

1.2.2 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村飲用水水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的流程如下：首先啟動(dòng)單片機(jī)及傳感器，利用溫度、pH 值及水濁度傳感器采集飲用水水質(zhì)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過(guò)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將所采集的數(shù)據(jù)上傳至單片機(jī)，然后通過(guò)無(wú)線模塊上傳至APP 客戶端，與闕值進(jìn)行對(duì)比，然后決定是否進(jìn)行報(bào)警提示。

系統(tǒng)流程見(jiàn)圖7。

圖7 系統(tǒng)流程

1.2.3 App 界面的設(shè)計(jì)

通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)ESP8266 上傳至APP 客戶端顯示溫度、pH 值以及水濁度數(shù)據(jù)，若各項(xiàng)數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的闕值時(shí)便報(bào)警提示。APP 客戶端界面見(jiàn)圖8。

圖8 APP 客戶端界面圖

2 系統(tǒng)測(cè)試

2.1 測(cè)試概述

一般情況下，硬件的測(cè)試主要以測(cè)試功能為主的黑盒測(cè)試，而以邏輯為主的白盒測(cè)試交由第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)。結(jié)合該系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試需求，選擇黑盒測(cè)試方法。

2.2 系統(tǒng)功能測(cè)試

基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村飲用水水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)有硬件和上位機(jī)軟件的系統(tǒng)，測(cè)試時(shí)間占總體開(kāi)發(fā)時(shí)間的比重在40%左右。一般情況下，測(cè)試將在遵守測(cè)試規(guī)程的前提下，對(duì)硬件功能模塊進(jìn)行測(cè)試。具體測(cè)試過(guò)程如下：

首先，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行組裝測(cè)試，將STM32 單片機(jī)、溫度傳感器、pH 值傳感器和水濁度傳感器連接在一起，然后把ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和電源模塊與STM32 單片機(jī)組裝起來(lái)，組裝起來(lái)查看指示燈是否發(fā)亮，其組裝測(cè)試圖見(jiàn)圖9。

圖9 組裝測(cè)試圖

上位機(jī)顯示經(jīng)由傳感器所采集的農(nóng)村飲用水水質(zhì)數(shù)據(jù)（溫度、pH 值、水濁度）測(cè)試，其測(cè)試界面見(jiàn)圖10，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的闕值，說(shuō)明這一組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常。

圖10 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集展示（溫度、水濁度、pH 值）界面

實(shí)時(shí)采集水質(zhì)數(shù)據(jù)（溫度）異常測(cè)試，用溫度傳感器對(duì)熱水進(jìn)行測(cè)試，圖中顯示溫度為43℃，數(shù)值超過(guò)正常值上限30℃，此時(shí)APP 端顯示溫度異常報(bào)警，其測(cè)試界面見(jiàn)圖11。

圖11 溫度異常測(cè)試界面

實(shí)時(shí)采集水質(zhì)數(shù)據(jù)（濁度）異常測(cè)試，用濁度傳感器對(duì)渾濁的水進(jìn)行測(cè)試，已知水越渾濁，濁度傳感器測(cè)得數(shù)值越低。圖中顯示濁度為9，小于正常值28，此時(shí)APP 端顯示濁度異常報(bào)警，其測(cè)試界面見(jiàn)圖12。

圖12 濁度異常測(cè)試界面

實(shí)時(shí)采集水質(zhì)數(shù)據(jù)（pH 值）異常測(cè)試，用pH 傳感器對(duì)堿性肥皂水進(jìn)行測(cè)試，圖中顯示pH 為9，大于正常值8，此時(shí)App 端顯示pH 值異常報(bào)警，其測(cè)試界面見(jiàn)圖13。

圖13 pH 值異常測(cè)試界面

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的溫度值、水濁度、pH 值的正常值和異常測(cè)試值，得知該系統(tǒng)各個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均正常。

3 結(jié)論

目前，農(nóng)村飲用水的安全是一個(gè)急需解決的問(wèn)題，未經(jīng)過(guò)處理或者處理不當(dāng)?shù)墓I(yè)廢水直接排入水體，從而導(dǎo)致很多地方水體被污染，一旦人們飲用了受污染的水，會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生各種傷害甚至危及生命，特別是農(nóng)村地區(qū)對(duì)飲用水的管理較弱，因此基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村飲用水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以更好地知曉飲用水的情況，為人們的飲用安全提供幫助。