基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

收稿日期：2023-09-18

基金項目：2017年內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學?？茖W研究自然科學重點項目（NJZZ17477）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.07.035

摘? 要：隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，水資源的污染問題日益突出。文章基于物聯(lián)網(wǎng)技術，以STM32F103C8T6作為核心控制器，構建一套高效、智能的物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，從pH酸堿度、濁度、TDS、溫度四個方面進行數(shù)據(jù)采集監(jiān)測，能夠更有效地保護水資源，因而可廣泛應用于水產(chǎn)養(yǎng)殖、家庭魚缸、儲水箱、游泳池等多種場景。該系統(tǒng)不僅可為人們的健康和生活提供更加可靠的保障，還可為智能家居、智慧城市等項目的發(fā)展提供有力支撐。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；STM32；水質(zhì)監(jiān)測；手機APP

中圖分類號：TP273? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）07-0179-06

Design and Implementation of Water Quality Monitoring System Based on

Internet of Things

MA Lijie

（Inner Mongolia Electronic Information Vocational Technical College， Hohhot? 010070， China）

Abstract： With the rapid development of the social economy， the pollution problem of water resources is becoming increasingly prominent. This paper is based on Internet of Things technology and uses STM32F103C8T6 as the core controller to construct an efficient and intelligent Internet of Things water quality monitoring system. It collects and monitors data from four aspects： pH value， turbidity， TDS， and temperature， which can more effectively protect water resources. Therefore， it can be widely used in various scenarios such as aquaculture， household fish tanks， water storage tanks， and swimming pools. This system not only provides more reliable guarantees for people's health and life， but also provides strong support for the development of projects such as smart homes and smart cities.

Keywords： Internet of Things; STM32; water quality monitoring; mobile APP

0? 引? 言

長期以來，我國水資源一直存在總量少、人均占用率低、南北分布不均等問題。同時隨著現(xiàn)代化工業(yè)進程的不斷推進，工業(yè)廢氣、廢水、廢渣對水資源的污染日益嚴重，不少地區(qū)都出現(xiàn)了水質(zhì)富營養(yǎng)化、重金屬超標。國家近年來不斷加大對水污染的治理力度，吸取發(fā)達國家的經(jīng)驗教訓，全力避免再走先污染、后治理的老路。各級政府都加大了水質(zhì)監(jiān)測力度，以便及時了解水質(zhì)狀況，防止水資源被污染。而傳統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測主要依賴于一定時間、一定地點的人工采樣，并將采樣結果送往化驗室進行檢測與分析。這種監(jiān)測方法雖然能夠獲得一定的水質(zhì)數(shù)據(jù)，但存在采樣頻率低、時效性差、數(shù)據(jù)精度不高的局限性，亟須設計一種實時、準確、高效的水質(zhì)監(jiān)測方案，這也正是本文的研究目的所在。

本文以STM32F103C8T6為核心，設計并實現(xiàn)了一套水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用先進的傳感器技術實時監(jiān)測水中的pH酸堿度、濁度、溶解氧等關鍵參數(shù)，并通過無線通信技術將數(shù)據(jù)傳輸至云端服務器進行分析和處理，為決策者提供精確的水質(zhì)信息。同時，系統(tǒng)還具備預警功能，能夠在水質(zhì)發(fā)生異常時及時發(fā)出預警，從而為水源污染防治提供重要支持。通過對監(jiān)測結果的精確反饋，水環(huán)境保護部門能夠及時發(fā)現(xiàn)水體的變化，適時采取相應措施防止污染的進一步發(fā)展[1]。

1? 系統(tǒng)功能

本文所設計的基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)具有以下主要功能：

1）實時監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)。本系統(tǒng)能夠?qū)λw中的溫度、pH酸堿度、TDS（總溶解固體）、濁度等指標進行實時監(jiān)測。監(jiān)測結果表明，各監(jiān)測數(shù)據(jù)準確可靠，系統(tǒng)具有良好的水質(zhì)監(jiān)測效果。

2）數(shù)據(jù)存儲和分析。該系統(tǒng)可以將監(jiān)測到的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)存儲到云端，方便用戶查看。同時，系統(tǒng)還可以通過對歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，提供更加精準的水質(zhì)預測和預警。

3）多終端支持。該系統(tǒng)支持多種終端設備，其中包括手機、電腦、平板等，用戶可以隨時隨地通過不同的終端設備進行水質(zhì)監(jiān)測和控制，為用戶的使用和管理提供了極大的方便。此外，系統(tǒng)還具有遠程控制功能，用戶可以通過APP或網(wǎng)頁遠程控制監(jiān)測設備實現(xiàn)對水質(zhì)監(jiān)測設備的控制和管理。

4）數(shù)據(jù)可視化展示。無論測試端還是云端，抑或是在APP上，都可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時顯示。系統(tǒng)可通過數(shù)據(jù)可視化功能將水質(zhì)數(shù)據(jù)以圖表的形式展示出來，讓用戶直觀地了解水質(zhì)數(shù)據(jù)的變化趨勢，方便用戶決策和管理。

2? 總體設計方案

本物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)以STM32F103C8T6微控制器為核心處理單元，搭配OLED顯示屏、pH傳感器、溫度傳感器、濁度傳感器和TDS傳感器等關鍵組件，實現(xiàn)對水質(zhì)中pH酸堿度、溫度、濁度和總溶解固體這四個重要參數(shù)的實時監(jiān)測。

本系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：主控制電路、傳感器模塊、Wi-Fi通信模塊、阿里云服務、手機應用程序（APP）[2]。其中，主控電路主要是控制整體的運行以及驅(qū)動各個模塊，而功率管理電路主要是為了保證整體的穩(wěn)定運行而設計的；傳感器模塊負責收集水質(zhì)數(shù)據(jù)；Wi-Fi通信模塊（以ESP8266無線通信芯片為基礎）將經(jīng)過處理的資料傳送給阿里云服務器，阿里云服務器提供數(shù)據(jù)訪問服務，移動應用程序則實現(xiàn)了對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時展示和遠程控制功能。在本監(jiān)測系統(tǒng)中，STM32F103C8T6微控制器負責對采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)進行處理與分析，同時控制OLED顯示屏實時顯示各項參數(shù)值。通過阿里云服務器實時同步更新水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)至移動應用程序，為用戶提供便捷的水質(zhì)信息查詢和預警功能[3]。

物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)總體設計方案如圖1所示。

3? 設計流程

將物聯(lián)網(wǎng)技術應用到水環(huán)境監(jiān)測中，其具體設計過程如下：

1）硬件方面。以STM32F103C8T6單片機為核心，采用C語言實現(xiàn)對單片機的程序設計，利用Keil 5軟件實現(xiàn)了程序的編寫與調(diào)試。系統(tǒng)采用ESP8266無線通信模塊完成了主機與云服務器的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)集成了OLED顯示屏實時展示各項監(jiān)測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設計成可對水中pH酸堿度、TDS、溫度、濁度等進行實時監(jiān)測。此外，還可以根據(jù)實際應用場景添加其他功能模塊，如魚缸環(huán)境中的浮漂開關、水泵控制等。這些功能既可以自動運行，也可以通過云端進行手動控制，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時查看以及根據(jù)數(shù)據(jù)變換采取相應措施[4]。

2）軟件方面。在Keil編譯環(huán)境下利用C語言開發(fā)STM32F103C8T6程序，實現(xiàn)對整個監(jiān)控系統(tǒng)的控制，并對各個模塊進行驅(qū)動；利用阿里云平臺搭建數(shù)據(jù)處理和傳輸服務，通過ESP8266模塊將硬件采集的數(shù)據(jù)上傳至云端。移動端APP（云智能APP）從阿里云服務器獲取實時數(shù)據(jù)，并將四個關鍵指標（pH酸堿度、溫度、濁度和TDS）實時顯示在用戶界面上。

總之，基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)融合了先進的微控制器、無線通信技術和云計算技術，實現(xiàn)了對水質(zhì)關鍵指標的實時監(jiān)測、遠程控制和數(shù)據(jù)展示。通過硬件與軟件的協(xié)同設計，打造出一個功能豐富、專業(yè)可靠的智能水質(zhì)監(jiān)測解決方案。

4? 硬件設計

以物聯(lián)網(wǎng)為基礎的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)是一種利用物聯(lián)網(wǎng)技術（IoT）對水質(zhì)進行實時監(jiān)控和管理的智能化解決方案。該系統(tǒng)集成了先進的傳感器、微控制器和無線通信技術，實時監(jiān)測水質(zhì)中的關鍵參數(shù)，如pH酸堿度、溫度、濁度和TDS。通過將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至云端服務器，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的遠程存儲、分析和可視化，為用戶提供便捷的水質(zhì)信息查詢和預警功能[5]。

其水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)總體硬件框圖如圖2所示。

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)包括五個主要模塊：

1）傳感器模塊。包括pH傳感器（E-201C）、溫度傳感器（DS18B20）、濁度傳感器（TSW-30）和TDS傳感器（TDS V1.0）等，負責收集水質(zhì)數(shù)據(jù)。

2）微控制器模塊。以STM32F103C8T6微控制器為核心，對采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)進行分析與處理，同時控制0.96寸OLED顯示屏實時顯示各項參數(shù)。

3）無線通信模塊。以ESP8266為核心，實現(xiàn)硬件與云端服務器之間的通信。

4）云端服務器。搭建在阿里云平臺上負責數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)姆掌鳎瑢崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、分析和可視化展示。

5）移動應用程序（APP）。通過獲取云端服務器的實時數(shù)據(jù)實現(xiàn)對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時展示和遠程控制。

基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)具有實時性、準確性、智能預警和遠程監(jiān)控等優(yōu)勢，可廣泛應用于水產(chǎn)養(yǎng)殖、家庭魚缸、儲水箱、游泳池等多種場景，實現(xiàn)對水環(huán)境的全面實時監(jiān)控，為保護水資源和提高生活質(zhì)量提供了有力的技術支持[6]。

其水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)原理圖如圖3所示，PCB板圖如圖4所示。

5? 軟件設計

基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)總體程序設計可以分為以下4個部分：

1）STM32軟件。實現(xiàn)系統(tǒng)的核心功能，包括數(shù)據(jù)采集、處理和顯示，以及與ESP8266的數(shù)據(jù)交互。負責實現(xiàn)與各傳感器、OLED顯示屏和ESP8266模塊的底層通信和控制[7]。

2）ESP8266軟件。將STM32F103C8T6采集到的數(shù)據(jù)上傳至云端；定義硬件平臺與云端服務器之間的通信協(xié)議，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和穩(wěn)定性。

3）阿里云平臺。負責接收、處理和存儲來自硬件平臺的數(shù)據(jù)，并與手機APP進行數(shù)據(jù)交互。

4）手機APP軟件。負責接收及顯示來自云端服務器的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時提供用戶界面，使用戶可以通過APP對硬件平臺的功能進行控制。負責與云平臺通信，呈現(xiàn)傳感器信息。

本文的軟件設計工作主要體現(xiàn)在STM32上，系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

通過以上設計，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時監(jiān)測水質(zhì)中的pH酸堿度、TDS、溫度和濁度，并通過云端與手機APP實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與功能控制，方便用戶隨時查看數(shù)據(jù)和控制設備[8]。

6? 阿里云平臺和阿里云智能APP環(huán)境部署

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺是全球領先的IoT云服務提供商，它為企業(yè)提供了一站式的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，幫助企業(yè)快速建立和部署物聯(lián)網(wǎng)應用。該平臺兼容多種通信協(xié)議（如MQTT、CoAP、HTTP等[9]），并可提供數(shù)據(jù)存儲、設備管理、規(guī)則引擎、消息通信等全方位的物聯(lián)網(wǎng)服務。這有助于企業(yè)快速搭建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)并實現(xiàn)設備間的互聯(lián)互通。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺還支持大數(shù)據(jù)分析和人工智能等高級功能，使企業(yè)能從物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中發(fā)掘潛在的商業(yè)價值，從而提升其市場競爭力。

阿里云是一種云本地的應用部署解決方案，它是把應用程序封裝到一個容器中，然后利用阿里云的容器服務進行部署。此外，阿里云還推出了云原生應用平臺，協(xié)助企業(yè)高效構建和部署云原生應用，進一步優(yōu)化應用的可靠性、可擴展性和可維護性[10]。

阿里云智能APP是一款專為企業(yè)內(nèi)部員工打造的移動辦公應用，涵蓋了各種業(yè)務流程和工作場景，如協(xié)同辦公、審批流程、日程管理、考勤管理、人事管理等。借助阿里云智能APP，企業(yè)可以高效地管理和協(xié)調(diào)內(nèi)部各項業(yè)務流程，從而提升企業(yè)的工作效率和團隊協(xié)作能力。

系統(tǒng)核心設備在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺中創(chuàng)建、安裝及連接的步驟如下：

1）在AlienIoT平臺上創(chuàng)建一個設備。

2）在設備管理中查看設備的三元組（ProductKey、DeviceName、DeviceSecret）。

3）在ESP8266上安裝MQTT客戶端庫，例如PubSubClient庫。

4）在ESP8266上編寫程序，連接阿里云MQTT服務器，使用三元組進行認證，并發(fā)布/訂閱需要的主題。ESP8266和阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺通信代碼如下：

#include

//WiFi信息

const char* ssid=”your_SSID”;

const char* password=”your_PASSWORD”;

//阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺信息

const char* mqtt_server=”your_MQTT_SERVER”；

const char* product_key=”your_PRODUCT_KEY”

const char* device_name=”your_DEVICE_NAME”

const char* device_secret=”your_DEVICE_SECRET”;

//WiFi客戶端

WiFiClient? wifiClient;

PubSubClient? mqttClient（wifiClient）;

void setup（）{

//初始化串口

Serial.begin（115200）;

//連接WiFi

Serial.print（“Connecting to”）;

Serial.println（ssid）;

WiFi.begin（ssid，password）;

while（WiFi.status（）！=WL_CONNECTED）{

delay（500）;

Serial.print（“.”）;

}

Serial.println（“”）;

Serial.println（“WiFi? connected”）;

//連接MQTT服務器

mqttClient.setServer（mqtt_server，1883）;

mqttClient.setCallback（callback）;

while（！mqttClient.connected（））{

Serial.println（“Connecting to MQTT server…”）;

if（mqttClient.connect（device_name，product_key， device_secret））{

Serial.println（“MQTT connected”）;

mqttClient.subscribe（“/”+product_key+”/”+

device_name+”/user/get”）;

}else{

Serial.print（“MQTT failed with state? ”）;

Serial.println（mqttClient.state（））;

delay（2000）;

}

}

}

void? loop（）{

mqttClient.loop（）;

}

void callback（char* topic，byte* payload，unsigned int length）{

Serial.print（“Message arrived on topic：”）;

Serial.print（topic）;

Serial.print（“Message”）;

for（int i=0;i

Serial.print（（char）payload[i]）;

}

Serial.println（）;

}

在以上代碼中，ESP8266連接到Wi-Fi網(wǎng)絡后，會嘗試連接到阿里云MQTT服務器。如果連接成功，它會訂閱“/${productKey}/${deviceName}/user/get”這個主題，并等待來自阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的消息。如果接收到消息，它會在串口上輸出消息內(nèi)容。

阿里云智能APP的部署步驟如下：

1）開通阿里云智能APP服務。在阿里云控制臺中選擇云智能APP，根據(jù)提示開通阿里云智能APP服務。

2）創(chuàng)建應用。在云智能APP控制臺中創(chuàng)建應用，設置應用名稱、圖標、描述等信息，并配置相關服務和權限。在創(chuàng)建應用時，需要選擇相應的服務和權限，確保應用能夠正常被訪問和使用。

3）下載SDK。在應用管理頁面中下載對應平臺的SDK，包括iOSAndroid。

4）集成SDK。根據(jù)文件中的指示，將下載的SDK整合到應用程序項目中并對其進行配置和調(diào)用。在集成SDK時，需要按照文檔中的說明進行配置和調(diào)用，保證應用能夠正確調(diào)用云智能APP提供的服務。

5）測試。在本地環(huán)境中測試應用的功能和性能，確認無誤后可以將應用發(fā)布到公有云或私有云環(huán)境中，供用戶使用。

7? 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文以STM32F103C8T6微控制器作為核心處理單元，搭配0.96寸OLED顯示屏、pH傳感器、溫度傳感器、濁度傳感器和TDS傳感器等關鍵組件，實現(xiàn)了對水質(zhì)中pH酸堿度、溫度、濁度和總溶解固體四個重要參數(shù)的實時監(jiān)測，可以OLED顯示，并通過阿里云端使手機APP顯示相應的數(shù)據(jù)。

在基于物聯(lián)網(wǎng)的水環(huán)境監(jiān)測中，傳感器是獲取水環(huán)境信息的重要組成部分。因此，系統(tǒng)的實現(xiàn)主要指傳感器的功能實現(xiàn)。通過傳感器監(jiān)測結果，可以確定傳感器的性能和可靠性，為系統(tǒng)的正常運行提供了保障。以下為一杯自來水加入一些混合物液體測出的數(shù)值，數(shù)值包括溫度、pH酸堿度、TDS、濁度四項數(shù)值，功能實現(xiàn)效果圖如圖6所示。

圖6? 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)實測水質(zhì)圖

8? 結? 論

本文設計一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，通過整合多種傳感器，系統(tǒng)能夠?qū)崟r、準確地監(jiān)測水質(zhì)中的核心參數(shù)，如pH酸堿度、溫度、濁度和TDS，為用戶提供全面、細致的水質(zhì)信息。系統(tǒng)具有實時性、準確性以及智能預警能力，可廣泛應用于多種場景（如水產(chǎn)養(yǎng)殖、家庭魚缸、儲水箱和游泳池等），實現(xiàn)對水環(huán)境的全面實時監(jiān)控。利用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行遠程存儲、分析和可視化，使用戶能夠方便快捷地查詢水質(zhì)信息并獲得實時預警。此外，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺還提供了大數(shù)據(jù)分析和人工智能等先進功能，有助于企業(yè)從物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中發(fā)掘潛在的商業(yè)價值，進而提升市場競爭力。該系統(tǒng)不僅為人們的健康和生活提供更加可靠的保障，還為智能家居、智慧城市等項目的發(fā)展提供了有力的支撐。

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作者簡介：馬麗潔（1976.05—），女，漢族，內(nèi)蒙古興安盟人，教授，碩士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)應用開發(fā)、移動應用開發(fā)。