基于云平台的水质监测系统的设计

基于云平台的水质监测系统的设计ADesignofwaterqualitymonitoringsystemBasedoncloudplatform目录TOC\o"1-3"\u摘要 5关键词 51、前言 71.1水质监测目的和意义 71.2水质监测技术的现状 71.3本文研究的主要内容 82、系统的总体设计方案 82.1系统框图 82.2器件选择 92.2.1主控芯片选型 92.2.2无线通信模块选型 92.2.3水质传感器模块选型 102.3器件清单 102.4系统原理图和PCB板 103、系统硬件设计实现 123.1主控芯片STM32f103C8T6及最小系统 133.2水质酸碱度传感器及外围电路设计 143.3水质温度传感器及外围电路设计 163.4无线通信模块ESP8266简介 174、系统软件编程实现 194.1系统主程序设计 194.2酸碱度传感器程序设计 204.3温度传感器程序设计 214.4云平台机智云应用 234.4.1机智云平台 234.4.2MCU端、云端、APP端的数据传输 234.4.3机智云程序流程 255、设计结果与总结 25参考文献 26致谢 27附录：主函数代码 27基于云平台的水质监测系统的设计摘要：水是生命之源、生产之要、生态之基。随着我国工业经济的快速发展，水污染问题越来越严重。加之，传统水质监测的众多缺点和技术的落后，水质监测领域迫切需要进行突破和创新。因此本设计提供了一种基于云平台的实时监测系统。水质参数包括温度、PH、溶氧量，浊度、电导率等，通过实时对水质的各项参数进行监测，从而达到对水资源保护的目的。本设计以STM32F103C8T6单片机为核心，下位机水质参数采集系统设计包括PH传感器模块及其采集电路的设计，DS18B20温度传感器及其外围电路的设计；传输硬件系统是ESP8266-WiFi模块；系统软件设计包括水质传感器数据采集子程序、串口通信子程序、无线通信子程序；水质监测系统上位机基于机智云平台而开发，实现水质参数在机智云APP上实时存储和显示。经过多次系统调试，该设计基本达到预期的设计要求，所以此水质监测系统切实可行，具有重要的意义和发展前景。 关键词：机智云；APP；水质；实时监测；STM32；ESP8266ADesignofWaterQualityMonitoringSystemBasedonCloudPlatformAbstract:Wateristhesourceoflife,thekeyofproductionandthebaseofecology.WiththerapiddevelopmentofChina'sindustrialeconomy,theproblemofwaterpollutionisbecomingmoreandmoreserious.Inaddition,thetraditionalwaterqualitymonitoringhasmanyshortcomingsandbackwardtechnology,andthefieldofwaterqualitymonitoringurgentlyneedstomakebreakthroughsandinnovations.Sothisdesignprovidesareal-timemonitoringsystembasedoncloudplatform.Waterqualityparametersincludetemperature,PH,dissolvedoxygen,turbidity,conductivity,etc.throughreal-timemonitoringofwaterqualityparameters,thepurposeofwaterresourceprotectioncanbeachieved.ThisdesignisbasedonSTM32F103C8T6singlechipmicrocomputer.ThedesignofwaterqualityparameteracquisitionsystemofthelowercomputerincludesthedesignofPHsensormoduleanditsacquisitioncircuit,thedesignofDS18B20temperaturesensoranditsperipheralcircuit;thetransmissionhardwaresystemisESP8266-WiFimodule;thesystemsoftwaredesignincludeswaterqualitysensordataacquisitionsubprogram,serialcommunicationsubprogram,wirelesscommunicationsubprogram;waterqualityTheuppercomputerofthemonitoringsystemisdevelopedbasedontheintelligentcloudplatformtorealizethereal-timestorageanddisplayofwaterqualityparametersontheIntelligentCloudAPP.Aftermanytimesofsystemdebugging,thedesignbasicallymeetstheexpecteddesignrequirements,sothewaterqualitymonitoringsystemisfeasibleandhasimportantsignificanceanddevelopmentprospects.Keywords:GizWits；APP；WaterQuality；Real-timemonitoring；STM32；ESP82661前言1.1水质监测目的和意义随着社会的演变和人们对生命健康的关注，水资源越来越稀少和恶化，水质监测系统的运用越来越重要。随着水质监测技术的成熟和不断完善，水质监测技术已经成为辖区环境管理当局对水体水质和水质状况实时监测的最重要手段。常规传统的实验室取样技术已经不能实时提供关于水污染状况的准确信息，此外，分析是缓慢的、复杂的和不稳定的，特别是对于添加的药物而言，存在二次污染。此外，由于水资源的污染日益严重，水样品的组成成分变得越来越复杂，水质也越来越差。而且水质检查的参数越来越多，现有的水质分析的仪器已经不能满足人们的需求。更重要的是过去用于监测水质的方法远远没有达到满足环境保护发展的要求。所以，对于水质实时监测系统的研发显得尤为迫切。依托最新的物联网科技成果，并且考虑到智能手机的普及以及互联网建设的完善，使用无线数据传输装置无疑是当下最合适的选择，它不仅提供实时、稳定、可靠的传输监测数据外，也使得人们的生活变得更加便捷和时尚。我们对水环境的监测主要包括自然水污染的监测和饮用水污染的监测。自然水污染监测工作，就是对于生活废水或者是工厂排除的废水进行检测，以防止有污染水资源的重大事件发生，并且对排放水是否达到标准进行监控。生活饮用水的监测，就需要把水质传感器安放在饮用水水源的出水口附近，每天每隔一个小时或者半个小时对水质的参数进行检测一次，并上传数据，与标准进行对比，并可以绘制一天或者一星期的水质变化曲线图来分析水源水质的变化情况，从而为人们的饮用水安全保驾护航，让人们群众喝的放心。过去，环境监测工程师往往是通过现场直接随机取样化验的方法，也就是说，通过直接检测受测自然水的入口和出口。然后分析水的质量情况，从中总结得出相关结论。这一传统的监测方法也被用于农村废水监测处理中，显然费时费力，有时候监测分析的结果随机性比较大，并且很难准确评估水质污染的实际状况。在进行水污染管理和监督的过程中，难度系数比较高。物联网技术快速发展，是的一些应用传感器的广泛应用，很好的解决了传统检测的一系列问题，不仅能够实现实时监测，同时，在监测的过程中，节约了大量的人力和时间。因此，水质监测是水资源管理和保护的一个关键组成部分，也是保护水环境的一个重要手段。1.2水质监测技术现状传统的环境水质监测工作主要以人工现场采样、实验室仪器分析为主。虽然在实验室中分析手段完备，但实验室监测存在监测频次低、采样误差大、监测数据分散、不能及时反映污染变化状况等缺陷，难以满足政府和企业进行有效水环境管理的需求。从国外环保监测的发展趋势和国际先进经验看，水质的在线自动监测已经成为有关部门及时获得连续性的监测数据的有效手段。只需经过几分钟的数据采集，水源地的水质信息就可发送到环境分析中心的服务器中。一旦观察到有某种污染物的浓度发生异变，环境监管部门就可以立刻采取相应的措施，取样具体分析。可见，水质在线分析系统最大的优势便在于可快速而准确地获得水质监测数据。自动水质监测系统的应用，有助于环保部门建立大范围的监测网络收集监测数据，以确定目标区域的污染状况和发展趋势。随着监测技术和仪器仪表工业的发展，环境水质监测工作更开始向自动化、智能化和网络化为主的监测方向发展。纵观我国的环境水质在线监测体系建设，经过多年发展，已初步建成具有我国特色的环境连续自动监测管理和技术体系，并已逐渐形成网络。1.3本文研究的主要内容本文首先在前言中详细说明了水质监测的目的和意义以及我国水质监测技术的现状。紧接着认真的阐述了水质监测系统的总体上设计方案。然后着重介绍本水质监测系统的硬件设计实现和软件编程实现。在软件编程实现部分又介绍了机智云平台的一些相关的开发流程以及云平台运作的原理。最后进行设计结果展示和总结。前言首先详细的说明了水质监测的目的和意义，然后介绍了水质监测在我国的发展现状，对本毕业设计的背景和前景，进行概括说明。系统总体设计方案具体包括系统框图绘制、器件的选型、器件清单以及原理图绘制和PCB板设计，从整体上对本水质监测系统进行分析，拿出一个可行的方案。系统的硬件设计实现分别介绍了各个模块的引脚功能、通信协议、外围电路等一些具体的硬件具体细节。系统的软件编程实现从软件编程的设计流程到主程序的设计流程，又介绍了云平台--机智云相关原理，协议等。设计结果与总结基本上完成可本次设计所期望的结果，总结整个毕业设计过程中所学所获。2系统的总体设计方案2.1系统框图本系统整体上由下位机水质参数的采集、传输硬件和系统软件三部分构成。下位机水质参数的采集部分主要对水质的温度、酸碱度进行监测；传输硬件主要有无线收发模块ESP8266进行水质参数上传机智云云端服务器；上位机主要由基于Gizwits的客户端APP实时显示云端服务器的水质参数温度和酸碱度数据。系统整体框图如下图1所示。图1系统整体结构框图2.2器件选择2.2.1主控芯片本系统采用的是STM32作为主控芯片，STM32单片机内核Cortex-M3,32bit，频率72MHz。而传统51单片机内核Core,8bit,频率2MHz。STM32单片机外围接口丰富，并且STM32是哈弗结构的，数据处理较强。而传统51单片机很多资源是不具备的，大多是冯诺依曼结构。STM32单片机程序都是模块化的，接口相对简单，自身带有好多功能，工作速度也快。而传统51单片机自身功能少，需要外围元件多，要求对电子知识比较熟悉。STM32单片机属于ARM内核的一个版本，比传统51单片机高级多了，有很多资源51不具备的，如usb控制器等。综上由于STM32单片机具有很强大的功能和运行速度，并且本系统需要的代码量较大，传统51单片机不能满足本系统，所以本系统采用STM32F103C8T6作为主控。2.2.2无线通信模块系统需要进行无线数据的收发，本系统采用的是ESP8266无线收发模块。NRF24L01也是一种低成本的WiFi通信模块，但是NRF24L01相比于ESP8266串口模块一个麻烦的地方就是既没有电源指示灯，也没有收发指示灯。之前我用了一个收发能反馈在串口调试助手上的程序，因为电路部分错误然后又没有指示灯，不知道是程序的问题、有没有收发的问题、还是这个模块的问题。并且NRF24L01模块是要有一个接收一个发送才能完成。加上之前在实验室玩过ESP8266，比较熟悉。综上ESP8266价格便宜，传输距离远，开发环境便利等一系列优点。所以本系统无线收发模块采用ESP8266。2.2.3水质传感器模块系统需要进行水质参数的采集，我选择的水质参数包括酸碱度和温度。综合各方面的因素和实际的需求，获取水质的PH我们采用雷磁E-201-C型PH复合电极模块。获取水质的温度我们采用常用的DS18B20模块。2.3器件清单综合考虑系统框架中所需各个模块及其模块的器件选择，得到具体元器件芯片如下表1所示。表1主要器件清单器件编号器件名称器件型号基本参数1单片机最小系统板STM32F103C8T6加下文介绍2无线通信模块ESP8266数据无线发送/接收3PH复合电极E-201-CPH复合电极4温度传感器DS18B20单总线通信5按键控制四角开关启动，连接2.4系统原理图和PCB板查看各模块的芯片的数据手册中的引脚功能，画出单个芯片的接线图，设计出各部分的所配套的外围电路，并进行STM32资源的分配，绘制出系统原理图，根据芯片数据手册里的封装(尺寸和引脚排列)进而画出系统PCB板。原理图见下图2所示，PCB板见下图3所示。图2系统原理图图3系统PCB板3系统硬件设计实现3.1主控芯片STM32F103C8T及最小系统3.1.1STM32F013C8T6简介核心--ARM32位的Cortex™-M3CPU--72MHz，高达90DMips，1.25DMips/MHz--单周期硬件乘法和除法——加快计算存储器--从32K字节至128K字节闪存程序存储器--从6K字节至20K字节SRAM--多重自举功能2个12位模数转换器，1us转换时间(16通道)--转换范围是0至3.6V--双采样和保持功能--温度传感器DMA--7通道DMA控制器--支持的外设：定时器、ADC、SPI、I2C和USART多达80个快速I/O口--26/36/51/80个多功能双向5V兼容的I/O口--所有I/O口可以映像到16个外部中断图4最小系统板实物照图5主控芯片接线图3.1.2最小系统首先，我们知道STM32最小系统的组成部分有哪些，它包含了一个STM32的主控芯片、时钟电路、复位电路、启动方式电路以及下载电路。见下图6时钟电路为了提供更为精准的时钟信号，单片机采用外置时钟电路，主要由晶振、电容、电阻构成的。单片机内部振荡器在外部晶振、电容的作用下产生自激振荡，为单片机提供12MHz的正弦信号。时钟电路相当于单片机的心脏，它的每一次跳动(振荡节拍)都控制着单片机执行代码的工作节奏。振荡得慢时，系统工作速度就慢;振荡得快时，系统工作速度就快。复位电路为了提最简单的复位电路由电容串联电阻构成；我们知道，电容的电压不能突变的,当系统一上电,单片机的RST脚将会出现一个持续的高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的电容值来决定.STM32单片机的RST脚检测持续到持续到20us以上的高电平后，会对单片机进行复位操作。所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。启动方式电路BOOT0/BOOT1：这两个引脚可控制单片机程序的启动方式，1.BOOT0=X，BOOT=0：主闪存存储器启动2.BOOT0=0，BOOT=1：系统存储器启动3.BOOT0=1，BOOT=1：内置SRAM启动此电路BOOT0=0，BOOT1=0，单片机程序为默认启动模式。图6最小系统组成部分3.2水质酸碱度传感器及外围电路设计3.2.1PH传感器模块介绍和引脚功能PH传感器模块组成如下图7所示。该模块通过BNC接头与PH复合电极进行连接，扩展有DS18B20温度传感器接口，方便进行软件温度补偿设计。调节10k蓝色电位器的旋钮可以进行放大倍数的调节（顺时针调节增大、逆时针调节减小）。图7PH传感器模块实物图图8PH复合电极实物图图9PH传感器模块接线图PH传感器模块引脚定义如下表所示表2引脚功能序号引脚定义功能描述备注1VCC供电电压正极，5V不可使用3.3V2GND供电电压负极3GND模拟信号输出负极4PO模拟信号输出正极输出电压范围0~5V52V5基准电压2.5V输出口测试使用，不接电源6T1温度传感器DS18B20信号输出口通过软件温度补偿3.2.2PH传感器模块外围电路设计由于PH复合电极输出mV级的电压信号，STM32单片机无法直接进行识别处理，基于这些现状，我们配套了信号放大电路和温度补偿电路。具体细节如下图10所示。图10PH传感器外围电路接线图3.3水质温度传感器及外围电路设计DS18B20“单总线”数字化温度传感器是DALLAS最新单总线数字温度传感器，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，与前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如下图11所示图11DS18B20的管脚排列各引脚功能：DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。图12DS18B20及其外围电路接线图3.4无线通信模块ESP8266简介ATK-ESP8266模块采用串口（LVTTL）与MCU（或其他串口设备）通信，内置TCP/IP协议栈，能够实现串口与WIFI之间的转换。通过ATK-ESP8266模块，传统的串口设备只是需要简单的串口配置，即可通过网络（WIFI）传输自己的数据。ATK-ESP8266模块支持LVTTL串口，兼容3.3V和5V单片机系统，可以很方便的与你的产品进行连接。模块支持串口转WIFISTA、串口转AP和WIFISTA+WIFIAP的模式，从而快速构建串口-WIFI数据传输方案，方便你的设备使用互联网传输数据。表3ATK-ESP8266模块各引脚功能描述序号名称说明1VCC电源(3.3V-5V)2GND电源地3TXD模块串口发送脚（TTL电平，不能直接接RS232电平!），可接单片机的RXD4RXD模块串口接收脚（TTL电平，不能直接接RS232电平!），可接单片机的TXD5RST复位（低电平有效）610-0用于进入固件烧写模式，低电平是烧写模式，高电平是运行模式（默认状态）图13ESP8266实物图图14ESP8266接线图4系统软件编程实现对于嵌入式系统来说,软件编程可以使硬件设备变得更加智能便捷，大大增加用户的体验。对于本水质监测系统，更是如此。软件设计部分包括硬件部分的软件开发和APP部分软件开发。硬件部分的软件开发程序主要存在于下位机单片机（STM32F103C8T6）中，主要完成对水质参数（酸碱度和温度）的数据采集，AD转换，数据的处理，存储，上传云端等；APP部分软件开发已经由机智云平台完成，用户只需下载机智云APP，并进行链接云端即可获取水质（酸碱度和温度）的实时数据显示和存储。4.1系统主程序设计本水质监测系统主程序流程如图所示，STM32F103C8T6单片机先进行各个外设的初始化、系统初始化、以及数据点协议初始化，然后判断ESP8266-WiFi模块是否接入机智云云端服务器，如果已经连接云端服务器，则进行水质数据的获取、处理和上传云端服务器。机智云云端服务器再将水质数据发送到手机APP端，我们打开机智云APP就可以显示出实时更新的数据了。图15水质监测系统主程序流程图4.2酸碱度传感器程序设计酸碱度传感器程序设计核心是要正确无误的获取水质酸碱度，由于PH复合电极输出mV级电压信号，单片机无法进行直接识别处理，基于这种现状，配合相应的TLC4502（精密运算放大器）和相应的放大电路，方可输出0~3V或者0~5V模拟电压信号。连接PH传感器模块至STM32F103C8T6单片机ADC采集接口，根据测得电压值进行曲线公式拟合（见下图16所示），并进行多次数据取平均来减小误差。STM32获取水质酸碱度的流程图如下（见下图17所示）图16拟合公式图17水质PH测量流程图4.3温度传感器程序设计温度传感器DS18B20，采用单总线数据传输协议，与STM32单片机之间只需一根数据线即可，大大节省了STM32单片机的I/O口，但较小的硬件开销需要较复杂的温度补偿，并且数据传输采用串行数据传输，但这也使得软件编程的时序更加严格。具体温度数据获取的流程图如下18所示，根据单总线协议，STM32单片机获取DS18B20温度数据需要三个步骤：1、STM32单片机每次读写前都要对DS18B20进行复位，成功后，单片机发送一条ROM指令和一条RAM指令，这样才能对DS18B20进行操作。2、复位要求单片机下拉数据线500us，然后释放。3、DS18B20读取到下拉信号后，等待16~60us，然后下拉数据线60~240us进行回应。当STM32单片机读取到DS18B20的信号时，复位才算成功。图18水质水温测量流程图4.4云平台机智云应用由于本水质监测系统是基于云平台的，我的想法是通过WiFi模块与机智云平台相连接，在手机上通过机智云APP连接云平台，就可以实时监测水质的酸碱度和温度。经过我查阅资料，还有很多云平台方式，如中移物联网OneNET云平台、阿里云物联网云平台、百度云、华为LiteOS等，用户可以根据自己的实际开发需求和成本预算来进行相应的选择。综合本系统开发设计的难度和成本，本水质监测系统采用机智云平台。4.4.1机智云平台机智云是广州机智云物联网科技有限公司开发的云平台，主要为智能硬件的开发者提供物联网平台及其运维服务、提供物联网设备等。机智云平台还为开发者提供便捷式的智能硬件开发环境与免费开放的云端服务。强大的SDK（开发环境）和API（数据接口）使得物联网硬件开发的技术门槛大大的降低了，同时也将开发者的研发成本大大降低。机智云平台GAgent作用是数据转发，是机智云设备端、机智云云端、机智云应用端（APP）数据交互桥梁。具体如下图19所示图19云平台的组成部分4.4.2MCU端、云端、APP端的数据传输将GAgent移植到WiFi模组上，此时STM32通过串口向已经烧录了GAgent的WiFi模块ESP8266发送串口指令，进入Airlink模式后，STM32就可以把从水质传感器获取的数据转化为机智云数据点协议，发送给运行在ESP8266-WiFi模块上的GAgent端上。GAgent就相当于一个中介，把数据发送到云端。又可以把APP端的数据通过云端发送到STM32上。此水质监测系统由于仅仅是监测，简单点说，就是只是水质数据的上传，并没有进行后一数据转发。具体传输如下图20所示。图20GAgent的官方功能图图21数据传输流程图APP端通过SDK进行与云端间的数据交互。SDK不仅可以提供给APP所需要的API接口，也可以将APP端需要发送的数据封装成数据点协议发送到机智云云端。SDK同时可以提供云端openAPI接口封装给手机APP应用。整个数据传输的过程也是遵循数据点协议。和MCU端到云端的GAgent功能差不多，SDK也起到数据传输过程中交通枢纽的作用。数据传输的整个流程如图21所示。4.4.3机智云程序流程首先做好准备工作，在机智云官网上按照步骤流程，把数据点协议搞定后，再进行虚拟设备测试后，就可以把通过机智云平台上MCU开发生成的串口协议层代码移植到自己的工程代码下面进行修改，由于机智云的串口协议层代码的准确完整性，保证了数据在整个传输过程的正确性。串口协议层初始化、数据点协议初始化以及所用到的外设的初始化，设备端通过按键开关进行配置入网，成功后，STM32就可以将传感器采集的数据处理后，通过数据点协议发送到ESP8266-WiFi模块上，再由ESP8266-WiFi模块上传云端，数据就可以上传到云端服务器上面，紧接着手机APP端配置入网后就可以收到来自云端服务器所发来的数据点协议的报文。5设计结果与总结设计结果在完成了以STM32F103C8T6为核心的的硬件选型以及相应的下位机程序编程系统调试和虚拟设备测试、真实设备测试后，结合手机APP可以实时显示的水质酸碱度和温度的正确数据，可以的出结论，本基于云平台的水质监测系统的设计基本达到了毕业设计任务书上的设计要求，本设计所给出的水质监测系统的方案也是切实可行的。图22系统下位机整体实物图图23机智云APP配对图图25APP显示水质参数图总结本文首先介绍了本毕业设计水质监测的目的和意义以及我国水质监测技术的发展现状，进而结合物联网技术的飞速发展，智能手机普及化，在此环境背景下，提出本毕业设计是完成基于云平台的水质监测系统的设计的任务。其次先从整体上研究分析对水质监测系统的框架结构，绘制出原理图和PCB的设计，进而进行器件选择，根据实际系统的需求以及开发的难易程度，选择合适的硬件，整理出完整的器件清单。之后又进行了系统硬件的设计实现，详细阐述了每个模块具体的功能、引脚接线图以及与其配套的外围电路设计。最后为系统软件的编程实现，分别从整体软件设计框架到系统主程序流程，进而介绍了云平台机智云，介绍了数据在三者之间的传输原理和接口协议，开发流程。本文最后附上系统主函数的代码。参考文献周汉达,李晓良,陈生庆,李乐欣,熊一帆,余培森,陈宇辉.基于云平台的智能农业大棚系统[J].物联网技术,2020,10(04):62-64.SimonaMarinova,ThomasLin,HadiBannazadeh,AlbertoLeon-Garcia.End-to-EndNetworkSlicingforFutureWirelessinMulti-RegionCloudPlatforms[J].ComputerNetworks,2020.高天,朱晨旭,刘博通,王战备.基于OneNet云平台的多功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