基于物联网的多参数水质监测系统设计
摘要: 为解决传统水质监测耗时费力、采样精度低、数据统计困难等问题，设计了基于物联网的多参数水质监测系统。该系统以stm32微处理器为控制核心，通过控制内部adc采集通道对水体温度、浑浊度、ph值和tds值进行数据采集，以esp8266模块与物联网平台服务器通信，通过串口与labview上位机进行数据传输。同时，用户可以通过oled屏、手机app和labview上位机等3种方式对水质参数进行监测与预警。试验证明，该系统运行稳定可靠，人机交互界面简单方便，且测量精度较高。
随着社会的进步与发展，人们对饮用水、生活用水和养殖用水的水体质量都越来越关注。然而近几年来水体污染问题经常发生，这对工农业生产和人民的身体健康都产生了较大威胁[1]，因此及时掌握水体的具体情况变得十分必要[2]。
在以往，对水体参数的采集通常使用人工方式测量与记录，该方式耗时费力，且采集到的数据具有偶然性，也不利于对水体水质进行综合分析。故在此设计了一套基于物联网的水质监测系统，该系统能够实时监测水体的温度、浑浊度、溶解性固体总量tds(total dissolved solids）以及酸碱度（ph），并上传到lab view上位机生成变化曲线[3-5]。
同时还通过wifi模块将水质信息传输到机智云物联网平台服务器[6]，用户可以通过oled显示屏、手机app、lab view上位机等3种方式查看查看水质参数具体数值。该系统利用物联网技术解决了时间与空间的限制，便于在任何时间地点查看水质情况，具有较高的研究价值。
1 系统总体结构设计
基于物联网的水质监测系统下位机围绕stm32单片机展开工作；温度、浊度、tds、p h这4个传感器模块用于采集水体参数信息；oled显示模块用于现场显示水体参数具体数值；usb转串口模块负责串口与上位机间数据传输；云服务器负责接收和发送wifi模块传输过来的数据；手机app负责远距离监测水质参数；lab view上位机负责电脑端水质数据监测并提供报警服务。系统总体结构如图1所示。
图1 系统总体结构示意图
首先，stm32f103c8t6单片机内部adc将ph、浊度和tds传感器采集的模拟信号转换为数字信号，由于温度传感器的输出为数字信号，因此无需a/d转换。mcu将转化后的数字信号发送至内部数据缓冲区，利用串行数据总线将数据传输到oled显示屏实时显示，并通过usb转串口模块将数据传输到lab view上位机。同时，mcu通过usart3把数据发送给wifi模块，wifi模块再通过tcp/ip协议把数据发送至机智云物联网平台服务器保存，这时手机app通过注册登录后绑定设备，就可以从服务器接收数据信息，从而查看水质参数。
2 系统硬件设计
2.1 stm32单片机
主控模块选用stm32f103c8t6微处理器，该单片机功耗小、成本低，功能丰富[7]。其内核为基于arm架构32位的cortex鄄m3 cpu，最高主频可达72mhz，其具有64 k b flash,20 k b的sram,2个12位adc,16个adc采集通道，9个片上通信接口，37个快速i/o端口，因而被广泛应用于各种低成本的嵌入式产品中。
2.2 浊度传感器模块
浊度传感器采用tsw鄄30浊度模块。该模块供电电压为5v，最大工作电流为40 m a，工作温度为-20～90℃。因该模块采集到的为模拟信号，需要stm32单片机内置adc转化为数字信号才能被mcu读取使用，在此选取stm32f103c8t6的adc1的通道1采集浊度参数，其对应单片机引脚为pa1。浊度传感器与主控模块stm32单片机接线如图2所示。
图2 浊度传感器接线示意图
2.3 ph值传感器及温度传感器模块
水体ph值测量的p h电极型号为e鄄201鄄c。该模块供电电压为5 v，测量p h值范围为0～14，工作温度范围为0～60℃，测量精度为±0.1(20℃），响应时间小于1 min。由于ph值受温度的影响较大，通常需要进行温度补偿，因此该模块自带温度传感器连接引脚t0。p h值传感器与主控模块stm32单片机接线如图3所示，其中引脚pa0为stm32单片机adc1的采集通道0。
图3 ph传感器接线示意图
在正常情况下，水体温度不会发生很大变化。若水温发生急剧变化通常是由于水体受到污染，因此水体温度也作为评估水质好坏的一个重要指标。温度传感器采用ds18b20模块，该模块接3.3v供电，可检测温度最高达125℃，最低可达-55℃，测量精度可达±0.5℃。温度传感器与p h传感器接线如图4所示。
图4 温度传感器接线示意图
2.4 tds传感器模块
水体tds值测量采用sen0244型模拟tds传感器模块。该模块供电电压为5 v，工作电流范围为3～6 m a，模拟信号输出电压范围为0～2.3 v,tds测量范围为（0～1000）×10-6，测量精度为±5%。tds传感器与主控模块stm32单片机接线如图5所示，pa2引脚对应为stm32单片机adc1的采集通道2。
图5 tds传感器接线示意图
2.5 oled显示模块
由于系统需要显示数字、英文以及汉字，因此选用2.4384cm的oled显示屏。该显示屏采用iic通信，仅需连接4个引脚即可使用，非常方便。其与stn32单片机接线如图6所示。
图6 oled显示模块连接示意图
2.6 wi fi及串口通信模块
wi fi模块采用安信可公司的esp8266鄄12f模块。该模块兼容3.3 v与5 v电压输入，在此vcc接3.3 v供电，gnd接地，gpio0接1 kω上拉电阻默认设置为工作模式，txd串口发送引脚接单片机usart3的接收引脚pb10,rxd串口发送引脚接单片机usart3的发送引脚pb11,rst复位引脚默认接1 kω上拉电阻，低电平时有效。wi fi模块电路如图7所示。
图7 wifi模块电路
由于上位机与stm32单片机的通信方式不同，因此需要usb转串口模块实现两者间的通信功能。该模块txd与rxd引脚与stm32单片机us鄄art1的rxd和txd引脚连接，从而实现把mcu内部数据缓冲区中的数据传输至上位机。usb转串口模块电路如图8所示。
图8 usb转串口模块电路
3 系统软件设计
3.1 主控模块软件设计
系统主控模块软件部分的开发工具为keilμvision5，编程语言为c语言。主控模块软件主要有系统初始化程序、定时器中断程序、传感器信号采集程序、oled显示程序、wi fi传输程序。当系统通电后首先会对系统各个模块执行初始化操作，即进行硬件驱动初始化，待初始化完毕后再调用传感器模块采集水体数据，采集的数据经mcu处理后显示在oled显示屏和labview上位机上。同时，若当前wi fi连接正常，wi fi模块会将经mcu处理并封装的数据点协议报文发送到机智云平台服务器，此时可通过登录机智云手机app实时查看各项水质信息。系统软件整体流程如图9所示。
图9 系统软件整体流程
3.2 上位机软件设计
系统上位机软件基于lab view开发完成。该上位机显示界面采用图形化的方式展现出所测得的水体数据，操作界面也非常友好、简单，采用串口通信的方式实现与stm32单片机间的数据传输。系统上位机可分为参数数值显示与参数预警设置2个部分，前者用于显示当前p h、tds、浑浊度、温度的具体数值和曲线图，便于用户整体掌握水质的具体情况；后者用于设置水质参数上限值和水质数据的保存位置，并提供水体污染报警服务，提醒用户采取措施抑制水体污染。上位机部分程序框图如图10所示。
3.3云平台及app的设计与实现
由于自主搭建服务器的成本及难度比较大，因此选用机智云aiot开发平台作为系统的服务器，机智云为一款致力于物联网、软硬件云服务的开发平台。此次水质监测系统app的开发工具为android stu鄄dio。为了使用户更方便地开发手机app并与云服务器对接，机智云公司提供了一套app的开源框架，其框架内部已完成app与云服务器的通信功能，用户只需根据自身功能需求在此框架上进行二次开发。
图10部分程序框图
用户在打开手机app后，会提示用户进行注册，在完成注册操作后让esp8266 wi fi模块进入air鄄link模式，然后手机app会搜索并与当前设备绑定，此时系统就会接入无线局域网络与服务器通信。app显示界面如图11所示。
图11 app显示界面
4 系统测试结果与分析
为保证水质监测系统采集数据的准确性，需要对系统进行实际测试，下位机运行如图12所示。
测试试验选取ph鄄100高精度p h测试笔作为p h值的标准检测仪器；选取sgz鄄1000bs便携式浊度仪作为浑浊度的标准检测仪器；选取格力tds检测笔作为tds与温度的标准检测仪器；选择实验室为试验地点，接取3杯自来水，然后向这3杯自来水中由少到多加入p h值为4.0的缓冲液、含磷化肥、干燥的泥土及90℃开水作为待测溶液，将待测溶液充分搅拌后静置10 s，再分别使用标准检测仪器、本文系统进行检测，得到的试验数据见表1。
图12 下位机运行
表1 水质参数测试数据
注：ntu(nephelometric turbidityunit）为散射浊度单位。
表中，由标准检测仪器检测的数据为标准值，由本系统测量得到的数据为测量值；每种参数的3个数据自上而下对应于污染程度逐渐增加的待测溶液。
经过试验验证，采用所设计系统测量出来的水质参数与标准值间的误差均在3%以内，且上位机运行显示结果与下位机相同，由此表明该系统可以稳定地检测水质各项参数。上位机运行界面如图13所示。
图13 上位机运行界面
5 结语
通过试验验证，所设计的基于物联网多参数水质监控系统能够稳定运行，可以实现多种方式对水质参数的实时监测，且系统造价低，测量精度较高。另外，lab view上位机人机交互界面操作简单，功能较为丰富，手机app显示界面较为直观，该系统能够满足用户的绝大部分需求。该系统还可以应用于水产养殖等需要监测水质的领域，具有较强的应用前景[8]。
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同时还通过wifi模块将水质信息传输到机智云物联网平台服务器[6]，用户可以通过oled显示屏、手机app、lab view上位机等3种方式查看查看水质参数具体数值。该系统利用物联网技术解决了时间与空间的限制，便于在任何时间地点查看水质情况，具有较高的研究价值。
1 系统总体结构设计
基于物联网的水质监测系统下位机围绕stm32单片机展开工作；温度、浊度、tds、p h这4个传感器模块用于采集水体参数信息；oled显示模块用于现场显示水体参数具体数值；usb转串口模块负责串口与上位机间数据传输；云服务器负责接收和发送wifi模块传输过来的数据；手机app负责远距离监测水质参数；lab view上位机负责电脑端水质数据监测并提供报警服务。系统总体结构如图1所示。
图1 系统总体结构示意图
首先，stm32f103c8t6单片机内部adc将ph、浊度和tds传感器采集的模拟信号转换为数字信号，由于温度传感器的输出为数字信号，因此无需a/d转换。mcu将转化后的数字信号发送至内部数据缓冲区，利用串行数据总线将数据传输到oled显示屏实时显示，并通过usb转串口模块将数据传输到lab view上位机。同时，mcu通过usart3把数据发送给wifi模块，wifi模块再通过tcp/ip协议把数据发送至机智云物联网平台服务器保存，这时手机app通过注册登录后绑定设备，就可以从服务器接收数据信息，从而查看水质参数。
2 系统硬件设计
2.1 stm32单片机
主控模块选用stm32f103c8t6微处理器，该单片机功耗小、成本低，功能丰富[7]。其内核为基于arm架构32位的cortex鄄m3 cpu，最高主频可达72mhz，其具有64 k b flash,20 k b的sram,2个12位adc,16个adc采集通道，9个片上通信接口，37个快速i/o端口，因而被广泛应用于各种低成本的嵌入式产品中。
2.2 浊度传感器模块
浊度传感器采用tsw鄄30浊度模块。该模块供电电压为5v，最大工作电流为40 m a，工作温度为-20～90℃。因该模块采集到的为模拟信号，需要stm32单片机内置adc转化为数字信号才能被mcu读取使用，在此选取stm32f103c8t6的adc1的通道1采集浊度参数，其对应单片机引脚为pa1。浊度传感器与主控模块stm32单片机接线如图2所示。
图2 浊度传感器接线示意图
2.3 ph值传感器及温度传感器模块
水体ph值测量的p h电极型号为e鄄201鄄c。该模块供电电压为5 v，测量p h值范围为0～14，工作温度范围为0～60℃，测量精度为±0.1(20℃），响应时间小于1 min。由于ph值受温度的影响较大，通常需要进行温度补偿，因此该模块自带温度传感器连接引脚t0。p h值传感器与主控模块stm32单片机接线如图3所示，其中引脚pa0为stm32单片机adc1的采集通道0。
图3 ph传感器接线示意图
在正常情况下，水体温度不会发生很大变化。若水温发生急剧变化通常是由于水体受到污染，因此水体温度也作为评估水质好坏的一个重要指标。温度传感器采用ds18b20模块，该模块接3.3v供电，可检测温度最高达125℃，最低可达-55℃，测量精度可达±0.5℃。温度传感器与p h传感器接线如图4所示。
图4 温度传感器接线示意图
2.4 tds传感器模块
水体tds值测量采用sen0244型模拟tds传感器模块。该模块供电电压为5 v，工作电流范围为3～6 m a，模拟信号输出电压范围为0～2.3 v,tds测量范围为（0～1000）×10-6，测量精度为±5%。tds传感器与主控模块stm32单片机接线如图5所示，pa2引脚对应为stm32单片机adc1的采集通道2。
图5 tds传感器接线示意图
2.5 oled显示模块
由于系统需要显示数字、英文以及汉字，因此选用2.4384cm的oled显示屏。该显示屏采用iic通信，仅需连接4个引脚即可使用，非常方便。其与stn32单片机接线如图6所示。
图6 oled显示模块连接示意图
2.6 wi fi及串口通信模块
wi fi模块采用安信可公司的esp8266鄄12f模块。该模块兼容3.3 v与5 v电压输入，在此vcc接3.3 v供电，gnd接地，gpio0接1 kω上拉电阻默认设置为工作模式，txd串口发送引脚接单片机usart3的接收引脚pb10,rxd串口发送引脚接单片机usart3的发送引脚pb11,rst复位引脚默认接1 kω上拉电阻，低电平时有效。wi fi模块电路如图7所示。
图7 wifi模块电路
由于上位机与stm32单片机的通信方式不同，因此需要usb转串口模块实现两者间的通信功能。该模块txd与rxd引脚与stm32单片机us鄄art1的rxd和txd引脚连接，从而实现把mcu内部数据缓冲区中的数据传输至上位机。usb转串口模块电路如图8所示。
图8 usb转串口模块电路
3 系统软件设计
3.1 主控模块软件设计
系统主控模块软件部分的开发工具为keilμvision5，编程语言为c语言。主控模块软件主要有系统初始化程序、定时器中断程序、传感器信号采集程序、oled显示程序、wi fi传输程序。当系统通电后首先会对系统各个模块执行初始化操作，即进行硬件驱动初始化，待初始化完毕后再调用传感器模块采集水体数据，采集的数据经mcu处理后显示在oled显示屏和labview上位机上。同时，若当前wi fi连接正常，wi fi模块会将经mcu处理并封装的数据点协议报文发送到机智云平台服务器，此时可通过登录机智云手机app实时查看各项水质信息。系统软件整体流程如图9所示。
图9 系统软件整体流程
3.2 上位机软件设计
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图12 下位机运行
表1 水质参数测试数据
注：ntu(nephelometric turbidityunit）为散射浊度单位。
表中，由标准检测仪器检测的数据为标准值，由本系统测量得到的数据为测量值；每种参数的3个数据自上而下对应于污染程度逐渐增加的待测溶液。
经过试验验证，采用所设计系统测量出来的水质参数与标准值间的误差均在3%以内，且上位机运行显示结果与下位机相同，由此表明该系统可以稳定地检测水质各项参数。上位机运行界面如图13所示。
图13 上位机运行界面
5 结语
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