基于LabVIEW 的物联网智能泳池水质监测系统设计

汤雅婧，韩 涛，肖 波，薛 博

（湖北师范大学电气工程与自动化学院，黄石 435002）

0 引言

当下泳池水质安全事故频发对人身造成健康危害，水质管理成为重中之重，现代泳池能检测水质但难以反馈，监测效率低下，传统的水质监测过程中，人力资源浪费严重，时时进行抽查监测，不能详尽地表现出水质的变化过程，反而极易造成资源的浪费［1］。本设计将提供一个更完备的泳池水质控制系统，集游泳池水质检测控制、LabVIEW 后台管理于一体的物联网智能泳池水质监测系统，对水质管理进行整合升级。

1 系统总体方案设计

系统由数据采集单元、主控单元、通信单元、LabVIEW 上位机监测以及各执行机构组成，以STM32f103 为主控芯片，具有一定的负载能力。数据采集单元由温度传感器、水位传感器、TSW-30 浊度传感器、pH 传感器组成，通过LabVIEW 完成上位机监测实现波形输出，通过手机连接蓝牙查看采集数据信息及时反馈超标数据。变压稳压电路实现传感器数据稳定输出，执行机构则由加热棒、蜂鸣器、水泵、OLED 显示屏、步进电机构成。STM32 芯片与LabVIEW上位机以及各检测传感器的结合使用，使得本系统可作为水质在线参数检测仪使用。系统设计框图如图1所示。

图1 系统设计框图

2 硬件系统设计

智能泳池水质监测系统硬件部分由电源模块电路、数据采集单元、执行机构电路、OLED显示电路、A/D 转换电路以及蓝牙通讯模块组成。其中执行机构为本系统硬件核心。

2.1 数据采集电路

2.1.1 ppHH及温度传感器模块

pH 传感器模块是通过检测被测物中氢离子浓度并转换成相应的可用输出信号，通过pH 值反映水的酸碱度，使用BNC 接头与pH 复合电极进行连接，并且模块拓展有温度传感器DS18B20 接口，选用不锈钢防水型温度传感器，通过与STM32 单片机PA0 引脚进行连接，pH 传感器的I/O 口则连接单片机的PB12 引脚，通过测量热电阻的该变量来感知，将电阻的变化量转换成电压信号，再通过信号放大器放大，可直接输出 0～5 V 模拟电压信号［2］，做到将 pH 传感器电极信号放大三倍输出，通过单片机ADC采样后进行电压采集，进而将输出电压等比例地转化为3.3 V 以下的电压，通过线性关系反推出真实电压值。pH 值数据还需通过温度补偿来获取更为精确的参数数据，初次使用模块或更换pH 电极传感器后，需用校正缓冲液对模块进行pH校准。温度、pH值采集电路如图2所示。

图2 温度、pH值采集电路

2.1.2 浊度检测电路

使用TSW-30浊度传感器，其内部含有光敏二极管和红外辐射二极管，通过溶液中的透光率和散射率来综合判断浊度情况。通过内部的红外线对管检测光线的透过量，将光强度转化为电流的大小。水体浑浊程度越大，透过的光线越少，被光接收端转换成的电流就小，反之电流越大。

浊度电流信号通过串联210 Ω 电阻转换成0～5 V 电压信号，采用ADC 转换实现数据的输出，通过模块上10 K 蓝色电位器的旋钮对数字量输出触发阈值进行调节，超过阈值时D1 指示灯被点亮。且pH 传感器内部处理方式与浊度传感器相似，浑浊度采集电路如图3所示。

图3 浑浊度采集电路

通过最小二乘法拟合得到浊度与电压计算曲线满足式（1），R2=0.9。

2.1.3 水位检测模块

水位检测是通过一系列暴露的平行导线线迹测量水滴或水量大小来判断水位。当有水接触到平行导线时，模块会输出一个高电平信号，再通过模数转换成数字直观反映出测量数据，利用函数进行模拟电压值到水位的转换。当无水接触到平行导线时，会输出一个低电平信号，驱动芯片运行对信息进行采集，通过继电器自动闭合性控制负载电路，同时反馈数据。超过阈值时蜂鸣器触发，达到水位报警的功效。数值可直接读取并显示在OLED显示屏上。

2.2 通讯模块

使用JDY-31 蓝牙进行单片机与手机之间的无线通讯，有效传输距离为30 m，可进行短距离信息传输，通过UART 串口通讯，将单片机检测到的水温、水位、pH 值、浑浊度信息传至手机中。通过USB 转TTL 电脑串口助手可收到蓝牙测量数据，接收界面显示连接成功即可读取测量值。

2.3 执行机构电路

执行机构包括OLED显示屏、继电器以及相应负载，通过继电器通断实现负载启停、步进电机、蜂鸣器、加热棒以及水泵等负载共同组成电路核心，温度通过加热棒调节，浊度和pH值通过步进电机和水泵调节，步进电机控制试剂阀门，水位通过水泵进行调节，当检测到的pH 值、温度、浑浊度、水位超出阈值范围时相应继电器动作，蜂鸣器报警，提醒工作人员监督并采取相应措施。

3 软件系统设计

本系统中软件系统设计由STM32系统程序、LabVIEW 上位机软件以及蓝牙通讯构成。软件系统设计流程如图4所示。

图4 软件系统设计流程

3.1 SSTTMM3322单片机主控设计

采用STM32f103c8t6作为主控芯片，它是一款基于 ARM Cortex-M 内核 STM32 系列的 32 位微控制器，使用J-link 仿真器直接用计算机供电进行程序的下载和辅助调试，通过蓝牙进行无线通讯技术连接，实现物联网操控。

完成系统初始化通过传感器采集数据，初始化包括STM32 芯片、定时器清零、中断、ADC 中断、时钟、串口等初始化，调用程序检测水温、水位、pH 值和浑浊度，显示在OLED屏幕上，数据同步传输到PC 端进行阈值大小设定［3］。并可通过蓝牙连接到手机用户界面，实现数据查询统计以及分析。串口通讯连接到PC端LabVIEW 上位机，对参数进行实时监控且可手动调控上限阈值。采用继电器实现系统的自动通断，传感器产生输入电信号直到采集数据满足控制指标，反馈信息超标时继电器会自动闭合。对监测的目标设置动态变化范围，一旦超过预定范围，系统会自动启动相关设备的运转，用以调节泳池的多项参数。整体结构框图如图5所示。

图5 整体结构框图

3.2 LabbVVIIEEWW上位机设计

传感器数据通过连接STM32 串口发送给电脑上位机，界面显示包括四部分数值、阈值、警报和波形［4］。通过visa属性的设定进行串口号和波特率的设置，建立可视化窗格更有利于编程调节，通讯完成后传入节点，节点信息设定完成通过判断进行字符串到数组的整定。接收到16 位的字符串通过字符串子集函数截取前4位数作为pH 值，保留一位小数精度，后四位为浊度值，接着依次为温度和水位值，按照此方法最终通过截取数组得到相应的数据。

编程面板共分为四部分：串口通讯、字符串转换、数据比较以及显示输出［5］。其中串口通讯如图6所示，字符串转换如图7所示。

图6 串口通讯

图7 字符串转换

串口连接后数值同步，可调节参数限度显示水质各参数波形。根据波形趋势判断数值变换，进行模拟分析和数值预测，显示水质的酸碱性、水温、水位以及浑浊度，超出阈值范围警报灯亮起，蜂鸣器报警相应执行机构动作。通过建立可视化View界面实现PC端上数据显示和远程监测功能，手机端与PC端实现数据同步。

3.3 温度采集

使用DS18B20 不锈钢温度传感器，T1 引脚为温度传感器信号输出口，通过软件进行温度补偿。模块与单片机GPIO PA0 引脚相连，仅通过一个单线接口发送或接受信息，脉冲触发产生信号，复位脉冲跟着存在脉冲出现，表明准备好接发数据。检测到高电平时，延时后会通过60～240 us低电平信号的存在脉冲，单片机检测到电信号由此进行数据读写，以此来测量温度采集数据；若存在脉冲没有产生则做超时处理，在接收到低电平复位脉冲后进行复位处理。

3.4 浊度以及ppHH值采集

通过单片机时钟电路、复位电路以及模数转换的结合。数据采集时利用单片机内部的A/D转换器，通过将输入的模拟信号按规定的时间间隔采样，与一系列标准的数字信号相比较，直至两种信号相等为止。

系统首先进行ADC GPIO 初始化，开启PA时钟和ADC 时钟。选用PA1、PA2、PA3、PA4口为模拟输入，使用ADC 四个转换通道，复位ADC1 后进行分频因子设置，配置ADC 时钟为8分频，即9 MHz，也就是转换时间为9 us；将使能ADC 复位校准，ADC1 转换的电压值则通过MDA 方式传到SRAM，开启软件转换，转换完成后即可通过转换公式计算出真实pH 值，通过多次转换求取平均值减小误差。而浊度传感器也是通过ADC 转换进行数据采集，处理方式与pH传感器基本相同。

3.5 蓝牙串口通讯

蓝牙串口模块相当于手机端和单片机无线通信的媒介，蓝牙模块的RXD、TXD 引脚分别对应连接单片机TXD、RXD 引脚实现数据的收发。通过SPP 串口透传协议建立无线通讯，配对成功后，使用AT 指令串口调试助手进行蓝牙数据传输，确保实现蓝牙透传和串口通讯功能，使用AT 指令修改蓝牙设置时，需要保证蓝牙没有处于通信状态，发送“AT+UART=9600，0，0”，“AT+PIN［1234］”等命令进行基本配置设定［6］，保证手机和单片机之间的稳定传输。

4 系统调试与验证

通过系统建立通讯后，对上位机进行多次数据的验证，对采集到的水进行水质分析，因为误差产生较小波动和振荡，最终显现出采集到的数据波形，PC 端数据显示如图8 所示。从页面上就可以看到温度、浊度、水位、pH 值的读数，从条状图或仪表盘也可以很清楚数据所在位置，同时反应到OLED屏幕上，当数值超过阈值，警报灯亮起，通过pH 灯判别酸碱度，从而提醒工作人员警惕。经过多次测量和验证保证误差在5%以内，系统测试表明，本系统能够有效地对水质进行多参数监测。

图8 PC端数据显示

5 结语

本设计结合LabVIEW 虚拟仪器技术实现水质参数监测，能有效地对包括pH 值、浑浊度值、温度、水位四项参数进行远程实时监测，并在LabVIEW 界面实时显示数值和波形。该系统实现了实时数据显示、自动调节和阈值报警功能。融合物联网技术通过手机APP 实现远程控制，采用无线传输能够对水质参数进行监测并及时进行反馈，有较高的应用价值。