一種物聯網水質監測云系統設計與實現

王 巖，王超梁，楊格格

（鄭州航空工業管理學院 智能工程學院，河南 鄭州 450000）

0 引 言

海洋是地球上最早出現的水體，其次是河流、湖泊等，在人類生活和經濟發展中都離不開生命之源—水。生活飲用水的質量與人類的身體健康息息相關，工業用水的水質影響著產品質量和配套設施的維護難易程度，廢水、污水更關乎生態圈的可持續發展。因此，做好水資源質量監測至關重要。

傳統水質監測方案雖然針對性強，但是檢測周期長、水樣采集復雜、人工成本高。近年來，隨著人工智能和物聯網的發展，智能環保系統大大提高了水質監測的效率和精度。本文設計的云系統能夠實時、自動監測水質，可拓展性強，不僅適用于生活用水的監測，還可應用于野外水域、水產養殖、工業用水等場合。

1 系統總體設計

本水質監測云系統以STM32F103單片機為核心控制器，利用水質傳感器對所在水域一定范圍內的溫度、濁度、pH值和TDS數據進行實時采集，得到的電壓信號經單片機A/D轉換與數值轉換后獲取對應的濁度、pH值和TDS值，結果通過FSMC控制器發送至液晶屏，同時ESP8266通過MQTT協議將處理后的數據發送到物聯網阿里云平臺進行實時顯示。當水質參數的數值超過系統預設閾值時，可及時通過聲光報警發出預警信息，從而幫助用戶快速掌握所測水域環境的變化情況。

圖1所示為系統總體框架。

圖1 總體設計框架

2 硬件設計

2.1 溫度測量

本系統溫度測量選用DS18B20溫度傳感器，遵循1-Wire單總線協議，將采集到的溫度信號通過PG11管腳送入單片機芯片進行后續處理，然后通過顯示模塊進行顯示。DS18B20與單片機硬件連接關系如圖2所示。

圖2 DS18B20與STM32連接電路

2.2 濁度測量

TSW-30傳感器內部的紅外線對管發出光線，穿過待測溶液，水體渾濁程度影響光的透射、散射，其渾濁程度與透光量成反比，和散射光與透射光比值成反比，與光接收端轉換的電流大小成反比。TSW-30傳感器光接收端輸出的電流信號通過模塊電阻，采樣處理得到為0～4.5 V電壓信號，單片機再通過ADC采集信息并經過公式轉換就可以獲知當前水樣的濁度值。濁度測量模塊原理如圖3所示。

圖3 濁度測量模塊原理

濁度傳感器模塊必須外接5 V電源，TSW-30通過XH2.54接口連接到濁度模塊上，濁度模塊的AO引腳連接單片機ADC1引腳PA6。

2.3 pH測量

本系統選用通用E-201 pH復合電極采集pH參數。該電極由pH玻璃電極和銀-氯化銀參比電極復合而成，當電極浸入待測溶液時，玻璃薄膜附近形成2個水化凝膠層，在進行pH測定時，玻璃膜兩側溶液的離子交換形成相對穩定的電勢差，隨之離子交換趨于穩定，電勢差的大小趨于定值，即輸出電壓，pH電極輸出電壓為毫伏級。

復合電極配套模塊搭載TLC4502自動校準運算放大器，用來放大pH電極的毫伏級電壓信號，同時搭載放大倍數調節電位器，順時針方向旋轉即可增大放大倍數，反之減小放大倍數，pH模塊輸出電壓范圍為0～5 V。pH傳感器模塊接入系統使用之前，應用標準緩沖溶液調節電位器進行校準。

pH傳感器模塊外接3.3 V電源，復合電極通過BNC接口連接監測模塊，模塊的PO引腳連接單片機ADC1的通道5即引腳PA5。

2.4 TDS測量

本系統利用TDS探針進行溶液溶解性固體總量參數采集，在兩探針電極之間載入電壓后，帶正電的離子（如Na，Ca，Mg，K等）向負電荷的方向移動，帶負電荷的離子（如Cl，SO，HCO等）向正電荷的方向移動。通過檢測離子移動所產生的電流，從而確定待測液的TDS值。

TDS模塊供電電壓正極兼容3.3 V和5 V電壓，輸出0～2.3 V模擬電壓信號，所以需要單片機進行ADC采集，文中選用ADC1通道7，即2Pin XH-2.54接頭與TDS探針連接，TDS模塊的TDS引腳連接到單片機的引腳PA7。

2.5 LCD顯示

本系統選用ALIENTEK TFTLCD模塊作為測量參數顯示屏。TFTLCD巧妙結合了微電子技術、薄膜晶體管（TFT）技術、LCD技術，可有效克服非選通時的串擾，大大提高監測質量。

TFTLCD模塊有21條8080并行接口信號線，其中CS信號線用來傳輸TFTLCD片選信號；WR和RD分別對TFTLCD寫入和讀取數據；DB1～DB8、DB10～DB17為雙向數據傳輸信號線；RS用來傳送讀寫命令/讀寫數據標志位，RST為硬件復位信號線，直接連接單片機的復位引腳。

TFTLCD通過FSMC控制器驅動，所以，LCD_CS、LCD_RS、LCD_WR、LCD_RD分別連接至FSMC控制器的NE4、A10、NWE、NOE，即單片機的PG12、PG0、PD5、PD4引腳；LCD_BL引腳與單片機PB0相連，實現背光控制；LCD_D0～LCD_D15連接到FSMC_D15～FSMC_D0。

2.6 WiFi通信

本系統通信模塊設計選用安信可公司出品的ESP-01S通信模塊，共有8個接口，其中供電電源正極使用3.3 V電壓供電；RXD為異步串口接收端；TXD為異步串口發送端；EN引腳為芯片使能端，輸出高電平有效；IO0引腳懸空時為FLASH下載模式和工作模式，下拉時為串口下載模式；IO2引腳默認為高電平，開機上電時禁止下拉；RST為外部復位引腳，默認為高電平，輸出低電平時有效。

本系統中，ESP-01S模組的VCC管腳連接3.3 V電壓，ESP-01S的TXD、RXD、RST引腳分別連接單片機的PA3、PA2、PA4引腳，實現UART通信，剩余管腳懸空。

3 軟件設計

本系統軟件設計采用C語言編程，在Keil5開發環境中運行，利用ST-Link下載工具在線調試，由XCOM軟件進行串口調試。

系統軟件設計包括傳感器單元程序設計、控制單元程序設計和WiFi模塊程序設計。傳感器單元包括溫度、濁度、pH值和TDS值的采集，需獲取待測水域的環境因子。其中，溫度數據采取單總線方式讀取，濁度、pH值和TDS值需要利用A/D轉換將模擬信號轉換成數字信號，并經過中央處理器處理后轉變成對應的參數值；控制單元包括顯示和預警兩部分，水質參數數據可在TFTLCD上實時顯示，并設置閾值，當參數超過此范圍時可利用蜂鳴器報警；WiFi模塊通過MQTT協議將獲取的數據發送到阿里云物聯網平臺并實時顯示。系統軟件總體設計框架如圖4所示。

圖4 系統設計流程

4 結果分析

本系統上電測試之前，檢查各模塊是否連接正確。系統上電前如圖5所示。連接電源后，查看是否存在短路、斷路或芯片過熱等異常現象。開通阿里云物聯網平臺，創建產品、設備，設置產品自定義屬性、服務和事件，然后發布模型。利用IoT Stutio開發Web應用，選取儀表盤，設置樣式、數據范圍、配置對應的數據源等，組建該水質監測云系統設備運維大屏。

圖5 系統未上電圖

程序編譯無誤后燒錄入單片機，燒錄成功后系統還未連接至阿里云服務器，所以暫時未傳輸數據至LCD，等待幾秒后，可在XCOM串口調試軟件觀測到單片機已成功連接阿里云服務器，并開始進行數據透傳，此時LCD開始顯示測量參數，如圖6所示。

圖6 連接服務器成功后LCD顯示界面

登錄阿里云物聯網平臺，可在公共實例中查看設備，點擊模型數據，實時查看水質測量數據；點擊IoT Stutio的應用開發，查看創建的全局資源項目；應用綁定設備，查看水質監測系統設備運維大屏。水質監測系統設備運維大屏如圖7所示。

圖7 水質監測系統設備運維大屏

將傳感器分別放入不同待測溶液中，TFTLCD、模型數據、水質監測云系統設備運維大屏水質參數均可實時顯示。

5 結 語

本文設計了基于阿里云物聯網云平臺和STM32F103ZET6單片機的水質監測云系統，利用水質傳感器對所在水域一定范圍內的溫度、濁度、pH、TDS數據進行采集，單片機進行數據處理后，通過FSMC控制器發送到液晶屏上顯示，同時通過WiFi模塊將采集的數據發送到阿里云物聯網平臺實時顯示。該系統操作簡單、數據分析方便、應用場合廣泛、可拓展性強，適合在野外場合多點放置、實時監測，多區域在線水質監測云系統具有一定的實用性和經濟價值。