湯雅婧，韓 濤，肖 波，薛 博

（湖北師范大學電氣工程與自動化學院，黃石 435002）

0 引言

當下泳池水質安全事故頻發(fā)對人身造成健康危害，水質管理成為重中之重，現代泳池能檢測水質但難以反饋，監(jiān)測效率低下，傳統的水質監(jiān)測過程中，人力資源浪費嚴重，時時進行抽查監(jiān)測，不能詳盡地表現出水質的變化過程，反而極易造成資源的浪費［1］。本設計將提供一個更完備的泳池水質控制系統，集游泳池水質檢測控制、LabVIEW 后臺管理于一體的物聯網智能泳池水質監(jiān)測系統，對水質管理進行整合升級。

1 系統總體方案設計

系統由數據采集單元、主控單元、通信單元、LabVIEW 上位機監(jiān)測以及各執(zhí)行機構組成，以STM32f103 為主控芯片，具有一定的負載能力。數據采集單元由溫度傳感器、水位傳感器、TSW-30 濁度傳感器、pH 傳感器組成，通過LabVIEW 完成上位機監(jiān)測實現波形輸出，通過手機連接藍牙查看采集數據信息及時反饋超標數據。變壓穩(wěn)壓電路實現傳感器數據穩(wěn)定輸出，執(zhí)行機構則由加熱棒、蜂鳴器、水泵、OLED 顯示屏、步進電機構成。STM32 芯片與LabVIEW上位機以及各檢測傳感器的結合使用，使得本系統可作為水質在線參數檢測儀使用。系統設計框圖如圖1所示。

圖1 系統設計框圖

2 硬件系統設計

智能泳池水質監(jiān)測系統硬件部分由電源模塊電路、數據采集單元、執(zhí)行機構電路、OLED顯示電路、A/D 轉換電路以及藍牙通訊模塊組成。其中執(zhí)行機構為本系統硬件核心。

2.1 數據采集電路

2.1.1 ppHH及溫度傳感器模塊

pH 傳感器模塊是通過檢測被測物中氫離子濃度并轉換成相應的可用輸出信號，通過pH 值反映水的酸堿度，使用BNC 接頭與pH 復合電極進行連接，并且模塊拓展有溫度傳感器DS18B20 接口，選用不銹鋼防水型溫度傳感器，通過與STM32 單片機PA0 引腳進行連接，pH 傳感器的I/O 口則連接單片機的PB12 引腳，通過測量熱電阻的該變量來感知，將電阻的變化量轉換成電壓信號，再通過信號放大器放大，可直接輸出 0～5 V 模擬電壓信號［2］，做到將 pH 傳感器電極信號放大三倍輸出，通過單片機ADC采樣后進行電壓采集，進而將輸出電壓等比例地轉化為3.3 V 以下的電壓，通過線性關系反推出真實電壓值。pH 值數據還需通過溫度補償來獲取更為精確的參數數據，初次使用模塊或更換pH 電極傳感器后，需用校正緩沖液對模塊進行pH校準。溫度、pH值采集電路如圖2所示。

圖2 溫度、pH值采集電路

2.1.2 濁度檢測電路

使用TSW-30濁度傳感器，其內部含有光敏二極管和紅外輻射二極管，通過溶液中的透光率和散射率來綜合判斷濁度情況。通過內部的紅外線對管檢測光線的透過量，將光強度轉化為電流的大小。水體渾濁程度越大，透過的光線越少，被光接收端轉換成的電流就小，反之電流越大。

濁度電流信號通過串聯210 Ω 電阻轉換成0～5 V 電壓信號，采用ADC 轉換實現數據的輸出，通過模塊上10 K 藍色電位器的旋鈕對數字量輸出觸發(fā)閾值進行調節(jié)，超過閾值時D1 指示燈被點亮。且pH 傳感器內部處理方式與濁度傳感器相似，渾濁度采集電路如圖3所示。

圖3 渾濁度采集電路

通過最小二乘法擬合得到濁度與電壓計算曲線滿足式（1），R2=0.9。

2.1.3 水位檢測模塊

水位檢測是通過一系列暴露的平行導線線跡測量水滴或水量大小來判斷水位。當有水接觸到平行導線時，模塊會輸出一個高電平信號，再通過模數轉換成數字直觀反映出測量數據，利用函數進行模擬電壓值到水位的轉換。當無水接觸到平行導線時，會輸出一個低電平信號，驅動芯片運行對信息進行采集，通過繼電器自動閉合性控制負載電路，同時反饋數據。超過閾值時蜂鳴器觸發(fā)，達到水位報警的功效。數值可直接讀取并顯示在OLED顯示屏上。

2.2 通訊模塊

使用JDY-31 藍牙進行單片機與手機之間的無線通訊，有效傳輸距離為30 m，可進行短距離信息傳輸，通過UART 串口通訊，將單片機檢測到的水溫、水位、pH 值、渾濁度信息傳至手機中。通過USB 轉TTL 電腦串口助手可收到藍牙測量數據，接收界面顯示連接成功即可讀取測量值。

2.3 執(zhí)行機構電路

執(zhí)行機構包括OLED顯示屏、繼電器以及相應負載，通過繼電器通斷實現負載啟停、步進電機、蜂鳴器、加熱棒以及水泵等負載共同組成電路核心，溫度通過加熱棒調節(jié)，濁度和pH值通過步進電機和水泵調節(jié)，步進電機控制試劑閥門，水位通過水泵進行調節(jié)，當檢測到的pH 值、溫度、渾濁度、水位超出閾值范圍時相應繼電器動作，蜂鳴器報警，提醒工作人員監(jiān)督并采取相應措施。

3 軟件系統設計

本系統中軟件系統設計由STM32系統程序、LabVIEW 上位機軟件以及藍牙通訊構成。軟件系統設計流程如圖4所示。

圖4 軟件系統設計流程

3.1 SSTTMM3322單片機主控設計

采用STM32f103c8t6作為主控芯片，它是一款基于 ARM Cortex-M 內核 STM32 系列的 32 位微控制器，使用J-link 仿真器直接用計算機供電進行程序的下載和輔助調試，通過藍牙進行無線通訊技術連接，實現物聯網操控。

完成系統初始化通過傳感器采集數據，初始化包括STM32 芯片、定時器清零、中斷、ADC 中斷、時鐘、串口等初始化，調用程序檢測水溫、水位、pH 值和渾濁度，顯示在OLED屏幕上，數據同步傳輸到PC 端進行閾值大小設定［3］。并可通過藍牙連接到手機用戶界面，實現數據查詢統計以及分析。串口通訊連接到PC端LabVIEW 上位機，對參數進行實時監(jiān)控且可手動調控上限閾值。采用繼電器實現系統的自動通斷，傳感器產生輸入電信號直到采集數據滿足控制指標，反饋信息超標時繼電器會自動閉合。對監(jiān)測的目標設置動態(tài)變化范圍，一旦超過預定范圍，系統會自動啟動相關設備的運轉，用以調節(jié)泳池的多項參數。整體結構框圖如圖5所示。

圖5 整體結構框圖

3.2 LabbVVIIEEWW上位機設計

傳感器數據通過連接STM32 串口發(fā)送給電腦上位機，界面顯示包括四部分數值、閾值、警報和波形［4］。通過visa屬性的設定進行串口號和波特率的設置，建立可視化窗格更有利于編程調節(jié)，通訊完成后傳入節(jié)點，節(jié)點信息設定完成通過判斷進行字符串到數組的整定。接收到16 位的字符串通過字符串子集函數截取前4位數作為pH 值，保留一位小數精度，后四位為濁度值，接著依次為溫度和水位值，按照此方法最終通過截取數組得到相應的數據。

編程面板共分為四部分：串口通訊、字符串轉換、數據比較以及顯示輸出［5］。其中串口通訊如圖6所示，字符串轉換如圖7所示。

圖6 串口通訊

圖7 字符串轉換

串口連接后數值同步，可調節(jié)參數限度顯示水質各參數波形。根據波形趨勢判斷數值變換，進行模擬分析和數值預測，顯示水質的酸堿性、水溫、水位以及渾濁度，超出閾值范圍警報燈亮起，蜂鳴器報警相應執(zhí)行機構動作。通過建立可視化View界面實現PC端上數據顯示和遠程監(jiān)測功能，手機端與PC端實現數據同步。

3.3 溫度采集

使用DS18B20 不銹鋼溫度傳感器，T1 引腳為溫度傳感器信號輸出口，通過軟件進行溫度補償。模塊與單片機GPIO PA0 引腳相連，僅通過一個單線接口發(fā)送或接受信息，脈沖觸發(fā)產生信號，復位脈沖跟著存在脈沖出現，表明準備好接發(fā)數據。檢測到高電平時，延時后會通過60～240 us低電平信號的存在脈沖，單片機檢測到電信號由此進行數據讀寫，以此來測量溫度采集數據；若存在脈沖沒有產生則做超時處理，在接收到低電平復位脈沖后進行復位處理。

3.4 濁度以及ppHH值采集

通過單片機時鐘電路、復位電路以及模數轉換的結合。數據采集時利用單片機內部的A/D轉換器，通過將輸入的模擬信號按規(guī)定的時間間隔采樣，與一系列標準的數字信號相比較，直至兩種信號相等為止。

系統首先進行ADC GPIO 初始化，開啟PA時鐘和ADC 時鐘。選用PA1、PA2、PA3、PA4口為模擬輸入，使用ADC 四個轉換通道，復位ADC1 后進行分頻因子設置，配置ADC 時鐘為8分頻，即9 MHz，也就是轉換時間為9 us；將使能ADC 復位校準，ADC1 轉換的電壓值則通過MDA 方式傳到SRAM，開啟軟件轉換，轉換完成后即可通過轉換公式計算出真實pH 值，通過多次轉換求取平均值減小誤差。而濁度傳感器也是通過ADC 轉換進行數據采集，處理方式與pH傳感器基本相同。

3.5 藍牙串口通訊

藍牙串口模塊相當于手機端和單片機無線通信的媒介，藍牙模塊的RXD、TXD 引腳分別對應連接單片機TXD、RXD 引腳實現數據的收發(fā)。通過SPP 串口透傳協議建立無線通訊，配對成功后，使用AT 指令串口調試助手進行藍牙數據傳輸，確保實現藍牙透傳和串口通訊功能，使用AT 指令修改藍牙設置時，需要保證藍牙沒有處于通信狀態(tài)，發(fā)送“AT+UART=9600，0，0”，“AT+PIN［1234］”等命令進行基本配置設定［6］，保證手機和單片機之間的穩(wěn)定傳輸。

4 系統調試與驗證

通過系統建立通訊后，對上位機進行多次數據的驗證，對采集到的水進行水質分析，因為誤差產生較小波動和振蕩，最終顯現出采集到的數據波形，PC 端數據顯示如圖8 所示。從頁面上就可以看到溫度、濁度、水位、pH 值的讀數，從條狀圖或儀表盤也可以很清楚數據所在位置，同時反應到OLED屏幕上，當數值超過閾值，警報燈亮起，通過pH 燈判別酸堿度，從而提醒工作人員警惕。經過多次測量和驗證保證誤差在5%以內，系統測試表明，本系統能夠有效地對水質進行多參數監(jiān)測。

圖8 PC端數據顯示

5 結語

本設計結合LabVIEW 虛擬儀器技術實現水質參數監(jiān)測，能有效地對包括pH 值、渾濁度值、溫度、水位四項參數進行遠程實時監(jiān)測，并在LabVIEW 界面實時顯示數值和波形。該系統實現了實時數據顯示、自動調節(jié)和閾值報警功能。融合物聯網技術通過手機APP 實現遠程控制，采用無線傳輸能夠對水質參數進行監(jiān)測并及時進行反饋，有較高的應用價值。