祝 鵬，畢偉偉，賈雨奇，孫大奇

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū) 包頭 014109）

0 引言

水質(zhì)問(wèn)題歷來(lái)是人們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，水質(zhì)狀況對(duì)生產(chǎn)生活會(huì)產(chǎn)生很大的影響。由于水污染引起的社會(huì)問(wèn)題時(shí)常見(jiàn)諸于報(bào)端，因此及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握水環(huán)境的具體情況是十分必要和迫切的。以往水質(zhì)監(jiān)測(cè)主要采取人工方式開(kāi)展，既耗時(shí)費(fèi)力，又具有隨機(jī)性，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的全面分析[1]，而隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及傳感技術(shù)的發(fā)展，水質(zhì)監(jiān)測(cè)的信息化程度逐步提升，現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測(cè)的方法大都是將若干個(gè)傳感器采集到的信息進(jìn)行融合后得到相對(duì)較為全面的分析結(jié)果[2,3]，依托平臺(tái)大都是ARM 平臺(tái)，少部分是STM32 平臺(tái)，無(wú)論是硬件成本，還是開(kāi)發(fā)效率、復(fù)雜度等方面，STM32 更為簡(jiǎn)單、實(shí)用[4]。因此，以STM32F103C8T6 為控制核心設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集并同步顯示pH 值、溫度、濁度、TDS等參數(shù)信息，解決了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)時(shí)空間的限制，具有實(shí)時(shí)性高，可靠性強(qiáng)，擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STM32F103C8T6 微控制器為控制核心，以pH傳感器、溫度傳感器、濁度傳感器和TDS 傳感器等設(shè)備采集pH 值、溫度、濁度、TDS 等參數(shù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后將相應(yīng)數(shù)據(jù)信息顯示到OLED 屏上，同時(shí)采集的數(shù)據(jù)利用ESP8266 wifi 模塊上傳到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器，通過(guò)手機(jī)APP 對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，由主控模塊（STM32F103C8T6 芯片）、信息采集模塊（pH 值傳感器和溫度傳感器模塊、TDS 傳感器模塊、濁度傳感器模塊）、通信模塊、人機(jī)交互模塊、電源模塊5 部分組成。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The system structure diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

主控模塊選用STM32F103C8T6 芯片，該芯片是基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的32 位CPU，具有功耗低、電壓低（2V ～3.6V）、性能優(yōu)良、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，主頻72MHz，64KB 的FLASH 存儲(chǔ)器，20KB 的SRAM 存儲(chǔ)器，具有兩個(gè)12 位ADC，7 通道DMA 控制器，3 個(gè)通用定時(shí)器和1 個(gè)高級(jí)控制定時(shí)器，37 個(gè)快速I/O 端口，通訊接口豐富，可連接2 個(gè)SPI、2 個(gè)I2C、3 個(gè)USART、1 個(gè)USB 和1 個(gè)CAN接口。

2.2 信息采集模塊

信息采集模塊主要完成pH 值、溫度、濁度、TDS 等參數(shù)的采集工作，除溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)是數(shù)字量外，pH 值傳感器模塊、TDS 傳感器模塊、濁度傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)均為模擬量[5]，需要由主控芯片內(nèi)部的ADC 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，隨后發(fā)送到芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，供后續(xù)OLED 顯示、通信模塊等使用。

2.2.1 pH值傳感器和溫度傳感器模塊

pH 值傳感器和溫度傳感器模塊由DS18B20 防水型溫度探頭、E-201-C 型pH 復(fù)合電極和處理電路組成。其中，DS18B20 防水型溫度探頭采用“一線總線”接口（1-Wire），測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，檢測(cè)精度為±0.5℃，采用XH2.54 接口與處理電路連接，方便進(jìn)行軟件溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)；E-201-C 型pH 復(fù)合電極采用BNC 接口與處理電路連接，測(cè)量范圍0pH ～14pH，精度±0.01pH（25℃），響應(yīng)時(shí)間為≤1min；處理電路由TLC4502 自校準(zhǔn)運(yùn)算放大器、LM285D 電壓基準(zhǔn)芯片等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)pH 值信號(hào)的電壓跟隨、信號(hào)放大以及整個(gè)0 ～14 采集區(qū)間內(nèi)的pH 值的完整采集。整個(gè)模塊采用5V 供電，pH 值輸出（模擬量輸出，輸出電壓范圍為0V ～2.5V）連接主控芯片的PA0 引腳，對(duì)應(yīng)主控模塊ADC1 采集通道0，溫度傳感器輸出連接主控芯片的PB12 引腳。

2.2.2 TDS傳感器模塊

TDS 傳感器模塊由TDS 探頭和處理電路組成，其中TDS 探頭采用XH2.54 接口與處理電路連接，測(cè)量范圍為0ppm ～1000ppm，測(cè)量精度為±5%，激勵(lì)源為交流信號(hào)，有效防止探頭老化，同時(shí)采取防水設(shè)計(jì)，可長(zhǎng)期浸入水中測(cè)量。處理電路由LMV342ID 運(yùn)算放大器、CD4060BM96計(jì)數(shù)器和ME6206 降壓型電壓穩(wěn)壓器組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)TDS 信號(hào)的采集。整個(gè)模塊采用5V 供電，TDS 信號(hào)輸出（模擬信號(hào)輸出，輸出電壓范圍為0V ～2.3V）連接主控芯片的PA5 引腳，對(duì)應(yīng)主控模塊ADC1 采集通道5。

2.2.3 濁度傳感器模塊

濁度傳感器模塊由濁度傳感器探頭TSW-30 和處理電路組成，其中TSW-30 主要由發(fā)光二極管和光電晶體管等組成?；诠鈱W(xué)原理，通過(guò)發(fā)光二極管光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)污水反射，部分光傳播到光電晶體管，根據(jù)接收到的光線量計(jì)算出水的濁度。其測(cè)量的比率范圍（NTU）為0 ～1000，精度為±30，需要的電壓為5V，輸出電壓為0 ～5V。處理電路主要由LMV342ID 運(yùn)算放大器、電平轉(zhuǎn)換器等器件組成，濁度傳感器的信號(hào)輸出（模擬信號(hào)輸出，輸出電壓范圍為0V ～3.3V）連接主控芯片的PA1 引腳，對(duì)應(yīng)主控模塊ADC1 采集通道1。

2.3 通信模塊

通信模塊由ESP8266 模塊、阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和手機(jī)APP 組成。其中，ESP8266 模塊是物聯(lián)網(wǎng)常用模塊，兼容3.3V、5V 電壓輸入，采用串口（LVTTL）與單片機(jī)（或其它串口設(shè)備）通信，內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議堆棧，可實(shí)現(xiàn)串口和wifi 間的轉(zhuǎn)換，其使用傳輸指定命令實(shí)現(xiàn)控制，手機(jī)端可以通過(guò)wifi 連接ESP8266 所提供的wifi 進(jìn)行相應(yīng)命令的收發(fā)，把提前設(shè)置好的命令參數(shù)通過(guò)連接ESP8266 的wifi 傳入模塊，再通過(guò)ESP8266 與單片機(jī)間的串口連接進(jìn)行通訊，把數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)并執(zhí)行相應(yīng)指令。

2.4 電源模塊和人機(jī)交互模塊

電源模塊提供整個(gè)電路工作的電壓，主要由3.3V 電壓、5V 電壓組成，其中3.3V 電壓由5V 電壓利用電壓比較器生成，主要給主控模塊和ESP8266 供電，5V 電壓主要給信息采集模塊的各傳感器模塊、OLED 顯示模塊等供電。人機(jī)交互模塊由OLED 組成，采用0.96 英寸OLED 顯示屏為數(shù)據(jù)采集終端的顯示區(qū)，采用I2C 協(xié)議與主控模塊進(jìn)行通信，SCL 連接主控芯片的PB6 引腳，SDA 連接主控芯片的PB7引腳。

3 軟件設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，主要由主控模塊程序設(shè)計(jì)、云平臺(tái)及APP 的設(shè)計(jì)組成。主控模塊程序設(shè)計(jì)主要完成各傳感器模組數(shù)據(jù)采集，OLED 顯示屏通信，ESP8266 模塊底層通信和控制，以及將采集的數(shù)據(jù)上傳到云端。云平臺(tái)負(fù)責(zé)從ESP8266 接收采集，提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)，APP 負(fù)責(zé)與云平臺(tái)通信，呈現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

以主程序?yàn)楹诵目蚣?，總體程序流程為系統(tǒng)上電運(yùn)行，執(zhí)行系統(tǒng)及設(shè)備初始化，接著執(zhí)行傳感器數(shù)據(jù)采集程序采集溫度、濁度、TDS、pH 等參數(shù)信息，由OLED 進(jìn)行顯示，并且通過(guò)wifi 通信模塊上傳到云端，由云平臺(tái)及APP 顯示，具體如圖2 所示。

圖2 程序主流程圖Fig.2 The system main program flow chart

3.2 云平臺(tái)及APP設(shè)計(jì)

云平臺(tái)采用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，兼容多種通信協(xié)議，例如MQTT、CoAP、HTTP 等，并提供了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、設(shè)備管理、規(guī)則引擎、消息通信等全方位物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，方便快速建立和部署物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。首先在平臺(tái)上創(chuàng)建設(shè)備，在設(shè)備管理中查看設(shè)備的三元組（ProductKey、DeviceName、DeviceSecret），然后在ESP8266 上安裝MQTT 客戶端庫(kù)，最后編寫程序，連接阿里云MQTT 服務(wù)器，使用三元組進(jìn)行認(rèn)證，并發(fā)布/訂閱需要的主題[6,7]。

APP 采用云智能APP，先開(kāi)通阿里云云智能APP 服務(wù)，其次在云智能APP 控制臺(tái)中創(chuàng)建應(yīng)用，設(shè)置應(yīng)用名稱、圖標(biāo)、描述等信息，配置相關(guān)服務(wù)和權(quán)限，隨后下載并集成SDK，最后在本地環(huán)境中測(cè)試應(yīng)用功能和性能。設(shè)計(jì)使用的APP 界面如圖3 所示。

圖3 云智能APP顯示界面Fig.3 Cloud intelligence APP display interface

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

為便于快速集成和滿足后續(xù)升級(jí)以及二次開(kāi)發(fā)的需求，信息采集模塊全部采用傳感器模塊實(shí)現(xiàn)，將各傳感器控制板和元器件焊接到洞洞板上，具體實(shí)物圖如圖4 所示。為保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，采取自來(lái)水加不同混合物的方式查看監(jiān)測(cè)系統(tǒng)給出的溫度、pH 值、TDS、濁度等測(cè)量值。當(dāng)水質(zhì)改變時(shí)，OLED 端的測(cè)量值和服務(wù)器端顯示的測(cè)量值能夠同步發(fā)生響應(yīng)變化，靈敏度符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 實(shí)物圖Fig.4 Acticality picture

5 結(jié)束語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以STM32F103C8T6 微控制器為控制核心，以pH 傳感器、溫度傳感器、濁度傳感器和TDS 傳感器等設(shè)備采集pH 值、溫度、濁度、TDS 等參數(shù)，通過(guò)OLED 屏實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)顯示，通過(guò)wifi 通信模塊、阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和APP 實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和人機(jī)的高效交互，完成了產(chǎn)品功能和設(shè)計(jì)需求，但針對(duì)遠(yuǎn)距離跨區(qū)域數(shù)據(jù)采集、多傳感器深度數(shù)據(jù)融合等方面還存在不足，需進(jìn)一步提高和改進(jìn)。