徐思維，楊 帆，龍 坤

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院 湖北省視頻圖像與高清投影工程技術(shù)研究中心，武漢430205）

隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，人們對(duì)飲用水、生活用水和養(yǎng)殖用水的水體質(zhì)量都越來(lái)越關(guān)注。然而近幾年來(lái)水體污染問(wèn)題經(jīng)常發(fā)生，這對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民的身體健康都產(chǎn)生了較大威脅[1]，因此及時(shí)掌握水體的具體情況變得十分必要[2]。

在以往，對(duì)水體參數(shù)的采集通常使用人工方式測(cè)量與記錄，該方式耗時(shí)費(fèi)力，且采集到的數(shù)據(jù)具有偶然性，也不利于對(duì)水體水質(zhì)進(jìn)行綜合分析。故在此設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)水體的溫度、渾濁度、溶解性固體總量TDS（total dissolved solids）以及酸堿度（pH），并上傳到LabVIEW 上位機(jī)生成變化曲線[3-5]，同時(shí)還通過(guò)WiFi 模塊將水質(zhì)信息傳輸?shù)綑C(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器[6]，用戶可以通過(guò)OLED 顯示屏、手機(jī)App、LabVIEW 上位機(jī)等3 種方式查看查看水質(zhì)參數(shù)具體數(shù)值。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決了時(shí)間與空間的限制，便于在任何時(shí)間地點(diǎn)查看水質(zhì)情況，具有較高的研究?jī)r(jià)值。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)圍繞STM32單片機(jī)展開(kāi)工作；溫度、濁度、TDS、pH 這4 個(gè)傳感器模塊用于采集水體參數(shù)信息；OLED 顯示模塊用于現(xiàn)場(chǎng)顯示水體參數(shù)具體數(shù)值；USB 轉(zhuǎn)串口模塊負(fù)責(zé)串口與上位機(jī)間數(shù)據(jù)傳輸；云服務(wù)器負(fù)責(zé)接收和發(fā)送WiFi 模塊傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)；手機(jī)App 負(fù)責(zé)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)水質(zhì)參數(shù)；LabVIEW 上位機(jī)負(fù)責(zé)電腦端水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)并提供報(bào)警服務(wù)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of the overall structure of the system

首先，STM32F103C8T6 單片機(jī)內(nèi)部ADC 將pH、濁度和TDS 傳感器采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由于溫度傳感器的輸出為數(shù)字信號(hào)，因此無(wú)需A/D 轉(zhuǎn)換。MCU 將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號(hào)發(fā)送至內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，利用串行數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆LED顯示屏實(shí)時(shí)顯示，并通過(guò)USB 轉(zhuǎn)串口模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃abVIEW 上位機(jī)。同時(shí)，MCU 通過(guò)USART3 把數(shù)據(jù)發(fā)送給WiFi 模塊，WiFi 模塊再通過(guò)TCP/IP 協(xié)議把數(shù)據(jù)發(fā)送至機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器保存，這時(shí)手機(jī)App 通過(guò)注冊(cè)登錄后綁定設(shè)備，就可以從服務(wù)器接收數(shù)據(jù)信息，從而查看水質(zhì)參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32 單片機(jī)

主控模塊選用STM32F103C8T6 微處理器，該單片機(jī)功耗小、成本低，功能豐富[7]。其內(nèi)核為基于ARM 架構(gòu)32 位的Cortex-M3 CPU，最高主頻可達(dá)72 MHz，其具有64 kB Flash，20 kB 的SRAM，2 個(gè)12 位ADC，16 個(gè)ADC 采集通道，9 個(gè)片上通信接口，37 個(gè)快速I/O 端口，因而被廣泛應(yīng)用于各種低成本的嵌入式產(chǎn)品中。

2.2 濁度傳感器模塊

濁度傳感器采用TSW-30 濁度模塊。該模塊供電電壓為5 V，最大工作電流為40 mA，工作溫度為-20～90 ℃。因該模塊采集到的為模擬信號(hào)，需要STM32 單片機(jī)內(nèi)置ADC 轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)才能被MCU 讀取使用，在此選取STM32F103C8T6 的ADC1 的通道1 采集濁度參數(shù)，其對(duì)應(yīng)單片機(jī)引腳為PA1。濁度傳感器與主控模塊STM32 單片機(jī)接線如圖2所示。

圖2 濁度傳感器接線示意圖Fig.2 Turbidity sensor wiring diagrammatic sketch

2.3 pH 值傳感器及溫度傳感器模塊

水體pH 值測(cè)量的pH 電極型號(hào)為E-201-C。該模塊供電電壓為5 V，測(cè)量pH 值范圍為0～14，工作溫度范圍為0～60 ℃，測(cè)量精度為±0.1（20 ℃），響應(yīng)時(shí)間小于1 min。由于pH 值受溫度的影響較大，通常需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，因此該模塊自帶溫度傳感器連接引腳T0。pH 值傳感器與主控模塊STM32 單片機(jī)接線如圖3所示，其中引腳PA0 為STM32 單片機(jī)ADC1 的采集通道0。

圖3 pH 傳感器接線示意圖Fig.3 pH sensor wiring diagrammatic sketch

在正常情況下，水體溫度不會(huì)發(fā)生很大變化。若水溫發(fā)生急劇變化通常是由于水體受到污染，因此水體溫度也作為評(píng)估水質(zhì)好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。溫度傳感器采用DS18B20 模塊，該模塊接3.3 V 供電，可檢測(cè)溫度最高達(dá)125 ℃，最低可達(dá)-55 ℃，測(cè)量精度可達(dá)±0.5 ℃。溫度傳感器與pH 傳感器接線如圖4所示。

圖4 溫度傳感器接線示意圖Fig.4 Temperature sensor wiring diagrammatic sketch

2.4 TDS 傳感器模塊

水體TDS 值測(cè)量采用SEN0244 型模擬TDS 傳感器模塊。該模塊供電電壓為5 V，工作電流范圍為3～6 mA，模擬信號(hào)輸出電壓范圍為0～2.3 V，TDS 測(cè)量范圍為（0～1000）×10-6，測(cè)量精度為±5%。TDS 傳感器與主控模塊STM32 單片機(jī)接線如圖5所示，PA2引腳對(duì)應(yīng)為STM32 單片機(jī)ADC1 的采集通道2。

圖5 TDS 傳感器接線示意圖Fig.5 TDS sensor wiring diagrammatic sketch

2.5 OLED 顯示模塊

由于系統(tǒng)需要顯示數(shù)字、英文以及漢字，因此選用2.4384 cm 的OLED 顯示屏。該顯示屏采用IIC通信，僅需連接4 個(gè)引腳即可使用，非常方便。其與STN32 單片機(jī)接線如圖6所示。

圖6 OLED 顯示模塊接線示意圖Fig.6 OLED display module wiring diagrammatic sketch

2.6 WiFi 及串口通信模塊

WiFi 模塊采用安信可公司的ESP8266-12F 模塊。該模塊兼容3.3 V 與5 V 電壓輸入，在此VCC接3.3 V 供電，GND 接地，GPIO0 接1 kΩ 上拉電阻默認(rèn)設(shè)置為工作模式，TXD 串口發(fā)送引腳接單片機(jī)USART3 的接收引腳PB10，RXD 串口發(fā)送引腳接單片機(jī)USART3 的發(fā)送引腳PB11，RST 復(fù)位引腳默認(rèn)接1 kΩ 上拉電阻，低電平時(shí)有效。WiFi 模塊電路如圖7所示。

圖7 WiFi 模塊電路Fig.7 WiFi module circuit

由于上位機(jī)與STM32 單片機(jī)的通信方式不同，因此需要USB 轉(zhuǎn)串口模塊實(shí)現(xiàn)兩者間的通信功能。該模塊TXD 與RXD 引腳與STM32 單片機(jī)USART1 的RXD 和TXD 引腳連接，從而實(shí)現(xiàn)把MCU內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。USB 轉(zhuǎn)串口模塊電路如圖8所示。V

圖8 USB 轉(zhuǎn)串口模塊電路Fig.8 Circuit of USB to serial port module

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控模塊軟件部分的開(kāi)發(fā)工具為Keil μVision5，編程語(yǔ)言為C 語(yǔ)言。主控模塊軟件主要有系統(tǒng)初始化程序、定時(shí)器中斷程序、傳感器信號(hào)采集程序、OLED 顯示程序、WiFi 傳輸程序。當(dāng)系統(tǒng)通電后首先會(huì)對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊執(zhí)行初始化操作，即進(jìn)行硬件驅(qū)動(dòng)初始化，待初始化完畢后再調(diào)用傳感器模塊采集水體數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)MCU 處理后顯示在OLED 顯示屏和LabVIEW 上位機(jī)上。同時(shí)，若當(dāng)前WiFi 連接正常，WiFi 模塊會(huì)將經(jīng)MCU 處理并封裝的數(shù)據(jù)點(diǎn)協(xié)議報(bào)文發(fā)送到機(jī)智云平臺(tái)服務(wù)器，此時(shí)可通過(guò)登錄機(jī)智云手機(jī)App 實(shí)時(shí)查看各項(xiàng)水質(zhì)信息。系統(tǒng)軟件整體流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件整體流程Fig.9 System software overall process

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)軟件基于LabVIEW 開(kāi)發(fā)完成。該上位機(jī)顯示界面采用圖形化的方式展現(xiàn)出所測(cè)得的水體數(shù)據(jù)，操作界面也非常友好、簡(jiǎn)單，采用串口通信的方式實(shí)現(xiàn)與STM32 單片機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)上位機(jī)可分為參數(shù)數(shù)值顯示與參數(shù)預(yù)警設(shè)置2個(gè)部分，前者用于顯示當(dāng)前pH、TDS、渾濁度、溫度的具體數(shù)值和曲線圖，便于用戶整體掌握水質(zhì)的具體情況；后者用于設(shè)置水質(zhì)參數(shù)上限值和水質(zhì)數(shù)據(jù)的保存位置，并提供水體污染報(bào)警服務(wù)，提醒用戶采取措施抑制水體污染。上位機(jī)部分程序框圖如圖10所示。

3.3 云平臺(tái)及App 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由于自主搭建服務(wù)器的成本及難度比較大，因此選用機(jī)智云平臺(tái)作為系統(tǒng)的服務(wù)器，機(jī)智云為一款致力于物聯(lián)網(wǎng)、智能硬件云服務(wù)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。此次水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)App 的開(kāi)發(fā)工具為Android Studio。為了使用戶更方便地開(kāi)發(fā)手機(jī)App 并與云服務(wù)器對(duì)接，機(jī)智云公司提供了一套App 的開(kāi)源框架，其框架內(nèi)部已完成App 與云服務(wù)器的通信功能，用戶只需根據(jù)自身功能需求在此框架上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

用戶在打開(kāi)手機(jī)App 后，會(huì)提示用戶進(jìn)行注冊(cè)，在完成注冊(cè)操作后讓ESP8266 WiFi 模塊進(jìn)入Air-Link 模式，然后手機(jī)App 會(huì)搜索并與當(dāng)前設(shè)備綁定，此時(shí)系統(tǒng)就會(huì)接入無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器通信。App 顯示界面如圖11所示。

圖10 部分程序框圖Fig.10 Partial block diagram

圖11 App 顯示界面Fig.11 App display interface

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

為保證水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，下位機(jī)運(yùn)行如圖12所示。

測(cè)試試驗(yàn)選取PH-100 高精度pH 測(cè)試筆作為pH 值的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)儀器；選取SGZ-1000BS 便攜式濁度儀作為渾濁度的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)儀器；選取格力TDS 檢測(cè)筆作為TDS 與溫度的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)儀器；選擇實(shí)驗(yàn)室為試驗(yàn)地點(diǎn)，接取3 杯自來(lái)水，然后向這3 杯自來(lái)水中由少到多加入pH 值為4.0 的緩沖液、含磷化肥、干燥的泥土及90 ℃開(kāi)水作為待測(cè)溶液，將待測(cè)溶液充分?jǐn)嚢韬箪o置10 s，再分別使用標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)儀器、本文系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖12 下位機(jī)運(yùn)行Fig.12 Operation of lower computer

表1 水質(zhì)參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Water quality parameter test data

表中，由標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)儀器檢測(cè)的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)值，由本系統(tǒng)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)為測(cè)量值；每種參數(shù)的3個(gè)數(shù)據(jù)自上而下對(duì)應(yīng)于污染程度逐漸增加的待測(cè)溶液。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，采用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)量出來(lái)的水質(zhì)參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值間的誤差均在3%以內(nèi)，且上位機(jī)運(yùn)行顯示結(jié)果與下位機(jī)相同，由此表明該系統(tǒng)可以穩(wěn)定地檢測(cè)水質(zhì)各項(xiàng)參數(shù)。上位機(jī)運(yùn)行界面如圖13所示。

圖13 上位機(jī)運(yùn)行界面Fig.13 Host computer operation interface

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)多種方式對(duì)水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且系統(tǒng)造價(jià)低，測(cè)量精度較高。另外，LabVIEW 上位機(jī)人機(jī)交互界面操作簡(jiǎn)單，功能較為豐富，手機(jī)App 顯示界面較為直觀，該系統(tǒng)能夠滿足用戶的絕大部分需求。該系統(tǒng)還可以應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖等需要監(jiān)測(cè)水質(zhì)的領(lǐng)域，具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景[8]。