一種基于STM32的智能排水系統(tǒng)設(shè)計

王 爽，肖 波，韓 濤，梅明杰

（湖北師范大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，黃石 435002）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，對水質(zhì)量的要求也越來越高。但受水土流失、水污染等因素的影響，我國水資源問題依然嚴(yán)峻[1]。

目前，在工農(nóng)業(yè)排水方面，最廣泛的是使用繼電器控制，其操作簡便，但無法根據(jù)水環(huán)境參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)水泵的自動啟停，若利用PLC 控制可實(shí)現(xiàn)排水的自動控制，運(yùn)行可靠，但價格昂貴。以上方式均可完成排水操作，卻無法保證在水質(zhì)良好的情況下啟動排水功能[2]。本設(shè)計將水質(zhì)檢測與排水功能融為一體并利用物聯(lián)網(wǎng)OneNET 云平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)智能化排水，運(yùn)行靈活且成本較低。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)主要用于采集水體的溫度、pH 值和濁度，并利用控制算法實(shí)現(xiàn)排水、報警和遠(yuǎn)程監(jiān)測功能。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、主控單元、通信單元、遠(yuǎn)程監(jiān)測以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。其中數(shù)據(jù)采集單元用來完成對水環(huán)境中部分參數(shù)的采集和傳輸；主控單元處理采集的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行系統(tǒng)的資源調(diào)配；通信單元實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與OneNET 之間的連接，將信息實(shí)時傳輸?shù)皆破脚_；遠(yuǎn)程監(jiān)測由云平臺搭建，在PC 端和移動端進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化顯示；執(zhí)行機(jī)構(gòu)為下位機(jī)顯示、排水和報警。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖Fig.1 Overall system design block diagram

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計的硬件系統(tǒng)主要由電源模塊電路、傳感器采集電路、ESP8266 通信電路以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路共同構(gòu)成。

2.1 傳感器采集電路

傳感器采集電路的功能是利用傳感器模塊對水環(huán)境中的溫度、pH 值和濁度進(jìn)行精準(zhǔn)采集并實(shí)時傳輸，是系統(tǒng)各個功能實(shí)現(xiàn)的前提。

2.1.1 pH+溫度傳感器模塊電路

溫度的采集選用DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，數(shù)據(jù)傳輸時只用一根數(shù)據(jù)線就可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與溫度傳感器的雙向傳輸，優(yōu)化抗干擾能力。pH 值的采集選用高效率、數(shù)字化的pH 傳感器，測量時，pH 電極內(nèi)緩沖溶液中的氫離子與被測溶液相互交換產(chǎn)生電勢差，從而得到pH 值[3]。由于產(chǎn)品批次不同以及電位器存在的電阻誤差，在使用前需對該傳感器利用校正緩沖溶液進(jìn)行校準(zhǔn)。

在對溫度采集時，模塊的T1 口（溫度傳感器信號輸出接口）通過單總線通信方式與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸；采集pH 值時，模塊的模擬信號輸出接口PO 與單片機(jī)相連，利用單片機(jī)內(nèi)置的12 位逐次逼近型A/D 轉(zhuǎn)換器使pH 傳感器采集的模擬量轉(zhuǎn)化成一定比例的電壓數(shù)字量，pH+溫度傳感器模塊電路如圖2所示。

圖2 pH+溫度傳感器模塊電路圖Fig.2 pH+temperature sensor module circuit diagram

2.1.2 濁度傳感器模塊電路

作為水體的重要參數(shù)，濁度可以反映水環(huán)境中雜質(zhì)的含量，對水體質(zhì)量和污水排放的控制具有重要意義[4]。本設(shè)計選用靈敏度高、耐用性強(qiáng)的熱電阻型TSW-30 濁度傳感器，它是利用其內(nèi)部的紅外線對管檢測到光線的透過量來判斷被檢測水體的渾濁程度，水的渾濁程度越大，透過的光線越少，被光接收端轉(zhuǎn)換成的電流就小，反之電流越大[5]。不同的濁度傳感器受個體差異或者環(huán)境中光強(qiáng)的影響導(dǎo)致獲取的濁度值不精確，使用前也需進(jìn)行校準(zhǔn)。

與pH 值采集類似，濁度的采集也是將傳感器采集的模擬量轉(zhuǎn)化為電壓數(shù)字量，從而獲得水的渾濁程度。濁度傳感器模塊電路圖如圖3所示。

圖3 濁度傳感器模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of turbidity sensor module

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路

本設(shè)計的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括OLED 顯示、繼電器啟停和聲光報警，從而實(shí)現(xiàn)下位機(jī)數(shù)據(jù)顯示、排水和報警功能。

OLED 顯示功能利用0.96 寸OLED 屏幕來實(shí)現(xiàn)，其為IIC 通信方式[6]；排水功能通過1 路5 V 電磁繼電器模塊控制水泵的啟停來完成，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路的核心部分；報警功能由LED 燈與蜂鳴器模塊實(shí)現(xiàn)，當(dāng)傳感器檢測到水體中溫度、pH 值和濁度超過設(shè)定的閾值時，提醒工作人員監(jiān)視水環(huán)境中基本參數(shù)的變化，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

基于STM32 的智能排水系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)是設(shè)計的關(guān)鍵部分，主要分為STM32 單片機(jī)程序設(shè)計、OneNET 上位機(jī)軟件設(shè)計以及ESP8266 通信模塊程序設(shè)計3 個部分，軟件系統(tǒng)設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)設(shè)計流程Fig.4 Software system design flow chart

3.1 STM32 單片機(jī)程序設(shè)計

3.1.1 溫度采集與處理

DS18B20 向MCU 傳輸數(shù)據(jù)時，采集到的信息經(jīng)處理轉(zhuǎn)化為12 位的數(shù)據(jù)，分別存儲在溫度傳感器的2 個8 位RAM 中：LS Byte（存儲bit0～bit7）和MS Byte（存儲bit8～bit10）。MS Byte 剩余5 位為符號位，溫度大于零時其值為0，則可得實(shí)際溫度為0.625倍測得的數(shù)值；溫度小于零時其值為1，此時測得的數(shù)值取反再乘以0.625 則為實(shí)際溫度。

3.1.2 pH 值和濁度采集與處理

pH 傳感器和濁度傳感器采集的模擬信息通過單片機(jī)的ADC1 控制器轉(zhuǎn)換為電壓值。首先，進(jìn)行ADC1初始化：單片機(jī)PA6 和PA7 口設(shè)置為模擬輸入（濁度傳感器、pH 傳感器分別為ADC1 通道6、通道7），由于ADC 最小轉(zhuǎn)換時間為1 μs，故ADC1 分頻因子設(shè)置為6 分頻，此時時鐘為72 MHz/6=12 MHz；其次，獲得ADC 值：通過配置規(guī)則序列1 的內(nèi)容，啟動軟件轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束便可讀取ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果值。最后，為了減小誤差，求取ADC1 多次轉(zhuǎn)換結(jié)果的平均值。

ADC 轉(zhuǎn)換值為數(shù)值，要將它轉(zhuǎn)化為電壓值。以pH 傳感器為例，ADC 參考電壓為3.3 V，12 位對應(yīng)數(shù)值為4096，再由校正pH 傳感器時得到的3.3 V ADC 采集系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)公式y(tǒng)=-5.7541x+16.654，然后將得到的值乘以100，這樣就保證了OLED 屏幕上顯示的pH 值精確到兩位小數(shù)。以下為main 函數(shù)中pH值計算的部分代碼，濁度傳感器與pH 傳感器的數(shù)據(jù)采集與處理基本一致。

3.2 OneNET 平臺軟件設(shè)計

通過在OneNET 平臺上創(chuàng)建設(shè)備、建立可視化View 界面實(shí)現(xiàn)PC 端上數(shù)據(jù)顯示和遠(yuǎn)程監(jiān)測功能。本設(shè)計選用儀表盤和折線圖顯示數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)源管理中，通過建立數(shù)據(jù)源的名稱、輸入產(chǎn)品ID、填寫access_key、導(dǎo)入數(shù)據(jù)流等步驟實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源的接入；在數(shù)據(jù)源與圖表的互聯(lián)中，先通過JAVA 腳本中過濾函數(shù)觀察數(shù)據(jù)處理結(jié)果，然后再根據(jù)OneNET 平臺的開發(fā)文檔中提供的常用過濾器代碼更改JAVA 腳本中的函數(shù)，以此來實(shí)現(xiàn)所選圖表對于溫度、pH 值和濁度數(shù)據(jù)的顯示。這里特別說明，OneNET 平臺還可對一段時間內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行可視化分析。

3.3 ESP8266 模塊與OneNET 平臺通信程序設(shè)計

本系統(tǒng)中ESP8266 通信模塊的程序設(shè)計主要用來實(shí)現(xiàn)STM32 單片機(jī)、PC 端OneNET 平臺、移動端設(shè)備云APP 之間的通信功能。

在ESP8266 初始化配置過程中，利用AT 指令將其設(shè)置為station 模式并設(shè)置WiFi 的名稱和密碼，進(jìn)行WiFi 熱點(diǎn)的連接（此時手機(jī)、電腦和ESP8266模塊構(gòu)成局域網(wǎng)），然后進(jìn)行TCP 連接，在代碼中設(shè)置TCP 協(xié)議和端口號為云平臺的接入做準(zhǔn)備，之后配置OneNET 云平臺上建立的設(shè)備ID 和ADIKEY，將設(shè)備ID 和APIKEY 封包并利用“AT+CIPSEND”指令和for 循環(huán)將打包好的數(shù)據(jù)依次發(fā)送給云平臺，等待平臺響應(yīng)后獲取返回的數(shù)據(jù)，這樣便完成了WiFi 模塊與OneNET 平臺之間的連接。

該系統(tǒng)通過程序設(shè)計定時周期，每當(dāng)?shù)竭_(dá)一個定時周期，系統(tǒng)各個傳感器采集的數(shù)據(jù)信息經(jīng)主控程序算法處理后就會以數(shù)據(jù)流的形式上傳至云平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。WiFi 通信模塊接入OneNET 云平臺的具體流程如圖5所示。

圖5 WiFi 模塊接入OneNET 云平臺流程Fig.5 Flow chart of WiFi module accessing OneNET cloud platform

4 系統(tǒng)調(diào)試與驗證

經(jīng)過多次的調(diào)試與驗證，本系統(tǒng)中溫度在0～30 ℃、pH 值在6～9、濁度大于40%時實(shí)現(xiàn)排水功能；反之，當(dāng)溫度、pH 值和濁度值不在上述范圍內(nèi)進(jìn)行聲光報警，從而提醒工作人員進(jìn)行相關(guān)操作[7]。同時，系統(tǒng)不僅可使溫度、濁度和pH 值在OLED 屏幕上顯示，而且數(shù)據(jù)可在PC 端以及移動端上實(shí)時顯示。

系統(tǒng)建立通信連接后，上傳至OneNET 平臺的數(shù)據(jù)流就在可視化View 界面以及移動端實(shí)時顯示。從圖6中可以看到溫度、濁度和pH 值分別在折線圖和儀表盤上顯示，折線圖可觀測到幾個定時周期內(nèi)的數(shù)據(jù)顯示和變化程度，儀表盤則可觀測當(dāng)前的數(shù)值。從圖7中可以觀察到手機(jī)端顯示的數(shù)據(jù)與PC 端儀表盤中顯示的當(dāng)前數(shù)據(jù)相同，由此便實(shí)現(xiàn)了PC 端和移動端數(shù)據(jù)顯示和遠(yuǎn)程監(jiān)測功能。

圖6 PC 端數(shù)據(jù)顯示Fig.6 PC terminal data display

圖7 手機(jī)端數(shù)據(jù)顯示Fig.7 Mobile terminal data display

5 結(jié)語

本文介紹了一種基于STM32 單片機(jī)的智能排水系統(tǒng)設(shè)計，主要分為硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件系統(tǒng)設(shè)計。硬件系統(tǒng)主要為電源模塊電路、傳感器采集電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路；軟件系統(tǒng)包括下位機(jī)程序設(shè)計、OneNET 上位機(jī)軟件設(shè)計以及ESP8266 通信程序設(shè)計。在團(tuán)隊成員和學(xué)校老師的共同努力下，經(jīng)過多次調(diào)試和驗證，實(shí)現(xiàn)了水體基本參數(shù)的采集、數(shù)據(jù)顯示、排水、報警和遠(yuǎn)程監(jiān)測等功能，不僅實(shí)現(xiàn)了智能化排水，而且為工作人員提供了更加人性化的服務(wù)。