一种物联网水质监测云系统设计与实现

王 岩，王超梁，杨格格

（郑州航空工业管理学院 智能工程学院，河南 郑州 450000）

0 引 言

海洋是地球上最早出现的水体，其次是河流、湖泊等，在人类生活和经济发展中都离不开生命之源—水。生活饮用水的质量与人类的身体健康息息相关，工业用水的水质影响着产品质量和配套设施的维护难易程度，废水、污水更关乎生态圈的可持续发展。因此，做好水资源质量监测至关重要。

传统水质监测方案虽然针对性强，但是检测周期长、水样采集复杂、人工成本高。近年来，随着人工智能和物联网的发展，智能环保系统大大提高了水质监测的效率和精度。本文设计的云系统能够实时、自动监测水质，可拓展性强，不仅适用于生活用水的监测，还可应用于野外水域、水产养殖、工业用水等场合。

1 系统总体设计

本水质监测云系统以STM32F103单片机为核心控制器，利用水质传感器对所在水域一定范围内的温度、浊度、pH值和TDS数据进行实时采集，得到的电压信号经单片机A/D转换与数值转换后获取对应的浊度、pH值和TDS值，结果通过FSMC控制器发送至液晶屏，同时ESP8266通过MQTT协议将处理后的数据发送到物联网阿里云平台进行实时显示。当水质参数的数值超过系统预设阈值时，可及时通过声光报警发出预警信息，从而帮助用户快速掌握所测水域环境的变化情况。

图1所示为系统总体框架。

图1 总体设计框架

2 硬件设计

2.1 温度测量

本系统温度测量选用DS18B20温度传感器，遵循1-Wire单总线协议，将采集到的温度信号通过PG11管脚送入单片机芯片进行后续处理，然后通过显示模块进行显示。DS18B20与单片机硬件连接关系如图2所示。

图2 DS18B20与STM32连接电路

2.2 浊度测量

TSW-30传感器内部的红外线对管发出光线，穿过待测溶液，水体浑浊程度影响光的透射、散射，其浑浊程度与透光量成反比，和散射光与透射光比值成反比，与光接收端转换的电流大小成反比。TSW-30传感器光接收端输出的电流信号通过模块电阻，采样处理得到为0～4.5 V电压信号，单片机再通过ADC采集信息并经过公式转换就可以获知当前水样的浊度值。浊度测量模块原理如图3所示。

图3 浊度测量模块原理

浊度传感器模块必须外接5 V电源，TSW-30通过XH2.54接口连接到浊度模块上，浊度模块的AO引脚连接单片机ADC1引脚PA6。

2.3 pH测量

本系统选用通用E-201 pH复合电极采集pH参数。该电极由pH玻璃电极和银-氯化银参比电极复合而成，当电极浸入待测溶液时，玻璃薄膜附近形成2个水化凝胶层，在进行pH测定时，玻璃膜两侧溶液的离子交换形成相对稳定的电势差，随之离子交换趋于稳定，电势差的大小趋于定值，即输出电压，pH电极输出电压为毫伏级。

复合电极配套模块搭载TLC4502自动校准运算放大器，用来放大pH电极的毫伏级电压信号，同时搭载放大倍数调节电位器，顺时针方向旋转即可增大放大倍数，反之减小放大倍数，pH模块输出电压范围为0～5 V。pH传感器模块接入系统使用之前，应用标准缓冲溶液调节电位器进行校准。

pH传感器模块外接3.3 V电源，复合电极通过BNC接口连接监测模块，模块的PO引脚连接单片机ADC1的通道5即引脚PA5。

2.4 TDS测量

本系统利用TDS探针进行溶液溶解性固体总量参数采集，在两探针电极之间载入电压后，带正电的离子（如Na，Ca，Mg，K等）向负电荷的方向移动，带负电荷的离子（如Cl，SO，HCO等）向正电荷的方向移动。通过检测离子移动所产生的电流，从而确定待测液的TDS值。

TDS模块供电电压正极兼容3.3 V和5 V电压，输出0～2.3 V模拟电压信号，所以需要单片机进行ADC采集，文中选用ADC1通道7，即2Pin XH-2.54接头与TDS探针连接，TDS模块的TDS引脚连接到单片机的引脚PA7。

2.5 LCD显示

本系统选用ALIENTEK TFTLCD模块作为测量参数显示屏。TFTLCD巧妙结合了微电子技术、薄膜晶体管（TFT）技术、LCD技术，可有效克服非选通时的串扰，大大提高监测质量。

TFTLCD模块有21条8080并行接口信号线，其中CS信号线用来传输TFTLCD片选信号；WR和RD分别对TFTLCD写入和读取数据；DB1～DB8、DB10～DB17为双向数据传输信号线；RS用来传送读写命令/读写数据标志位，RST为硬件复位信号线，直接连接单片机的复位引脚。

TFTLCD通过FSMC控制器驱动，所以，LCD_CS、LCD_RS、LCD_WR、LCD_RD分别连接至FSMC控制器的NE4、A10、NWE、NOE，即单片机的PG12、PG0、PD5、PD4引脚；LCD_BL引脚与单片机PB0相连，实现背光控制；LCD_D0～LCD_D15连接到FSMC_D15～FSMC_D0。

2.6 WiFi通信

本系统通信模块设计选用安信可公司出品的ESP-01S通信模块，共有8个接口，其中供电电源正极使用3.3 V电压供电；RXD为异步串口接收端；TXD为异步串口发送端；EN引脚为芯片使能端，输出高电平有效；IO0引脚悬空时为FLASH下载模式和工作模式，下拉时为串口下载模式；IO2引脚默认为高电平，开机上电时禁止下拉；RST为外部复位引脚，默认为高电平，输出低电平时有效。

本系统中，ESP-01S模组的VCC管脚连接3.3 V电压，ESP-01S的TXD、RXD、RST引脚分别连接单片机的PA3、PA2、PA4引脚，实现UART通信，剩余管脚悬空。

3 软件设计

本系统软件设计采用C语言编程，在Keil5开发环境中运行，利用ST-Link下载工具在线调试，由XCOM软件进行串口调试。

系统软件设计包括传感器单元程序设计、控制单元程序设计和WiFi模块程序设计。传感器单元包括温度、浊度、pH值和TDS值的采集，需获取待测水域的环境因子。其中，温度数据采取单总线方式读取，浊度、pH值和TDS值需要利用A/D转换将模拟信号转换成数字信号，并经过中央处理器处理后转变成对应的参数值；控制单元包括显示和预警两部分，水质参数数据可在TFTLCD上实时显示，并设置阈值，当参数超过此范围时可利用蜂鸣器报警；WiFi模块通过MQTT协议将获取的数据发送到阿里云物联网平台并实时显示。系统软件总体设计框架如图4所示。

图4 系统设计流程

4 结果分析

本系统上电测试之前，检查各模块是否连接正确。系统上电前如图5所示。连接电源后，查看是否存在短路、断路或芯片过热等异常现象。开通阿里云物联网平台，创建产品、设备，设置产品自定义属性、服务和事件，然后发布模型。利用IoT Stutio开发Web应用，选取仪表盘，设置样式、数据范围、配置对应的数据源等，组建该水质监测云系统设备运维大屏。

图5 系统未上电图

程序编译无误后烧录入单片机，烧录成功后系统还未连接至阿里云服务器，所以暂时未传输数据至LCD，等待几秒后，可在XCOM串口调试软件观测到单片机已成功连接阿里云服务器，并开始进行数据透传，此时LCD开始显示测量参数，如图6所示。

图6 连接服务器成功后LCD显示界面

登录阿里云物联网平台，可在公共实例中查看设备，点击模型数据，实时查看水质测量数据；点击IoT Stutio的应用开发，查看创建的全局资源项目；应用绑定设备，查看水质监测系统设备运维大屏。水质监测系统设备运维大屏如图7所示。

图7 水质监测系统设备运维大屏

将传感器分别放入不同待测溶液中，TFTLCD、模型数据、水质监测云系统设备运维大屏水质参数均可实时显示。

5 结 语

本文设计了基于阿里云物联网云平台和STM32F103ZET6单片机的水质监测云系统，利用水质传感器对所在水域一定范围内的温度、浊度、pH、TDS数据进行采集，单片机进行数据处理后，通过FSMC控制器发送到液晶屏上显示，同时通过WiFi模块将采集的数据发送到阿里云物联网平台实时显示。该系统操作简单、数据分析方便、应用场合广泛、可拓展性强，适合在野外场合多点放置、实时监测，多区域在线水质监测云系统具有一定的实用性和经济价值。