沈晨航 周俊

摘要：本文針對游泳館的泳池，設計開發(fā)了一種基于STM32單片機、ESP8266無線模塊和MQTT傳輸協(xié)議的實時水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。該方法構成簡單，系統(tǒng)成本較低且使用便捷，可對游泳池水質(zhì)進行實時監(jiān)測，并通過了模擬驗證實驗，證實了其可行性。

關鍵詞：STM32單片機;ESP8266;MQTT;水質(zhì)監(jiān)測

中圖分類號：TP391.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）05-0148-04

0引言

水常常應用在各個場合，是人類生產(chǎn)生活所必要的元素之一，人類在日常生活中幾乎不能離開水?，F(xiàn)如今夏天很多人喜歡去游泳館游泳，但是很多游泳館的水質(zhì)實在令人堪憂，隨著天氣越來越熱，越來越多人希望可以到游泳館游泳，同時在游泳池內(nèi)游泳的人數(shù)一旦增多，游泳池的水質(zhì)很容易被污染，從而影響游泳館用戶的體驗以及身體健康。特別是近年游泳館水質(zhì)尤為問題突出，多家游泳館因水質(zhì)不合格而被查處。因此，泳池應該時不時換水或者隨時監(jiān)測游泳館水質(zhì)來保證水質(zhì)安全。但是即使定期換水也不能隨時保證游泳館內(nèi)水質(zhì)處于一個健康的狀態(tài)，并且由于人工檢測成本較高，檢測頻率低，不能及時發(fā)現(xiàn)水質(zhì)的污染問題。所以迫切需要應用現(xiàn)代電子技術和物聯(lián)網(wǎng)技術，研制開發(fā)一種實時有效的游泳館水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，使監(jiān)測人員可以通過互聯(lián)網(wǎng)獲取游泳館水質(zhì)的相應參數(shù)，從而節(jié)約游泳館成本，保證游泳池水質(zhì)安全，提高國內(nèi)游泳館的水質(zhì)水平。

縱觀國內(nèi)游泳池水質(zhì)監(jiān)測設備，目前市場上主要以全自動和便攜式的水質(zhì)監(jiān)測設備為主，但很少能夠買到價格低廉，并且可以通過物聯(lián)網(wǎng)連接手機移動端實現(xiàn)實時監(jiān)控的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。基于此，本文設計開發(fā)了一種游泳館水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，硬件部分以STM32F103C8T6單片機作為核心控制器，通過ESP8266 Wi-Fi SoC芯片和MQTT傳輸協(xié)議，自行設計android手機APP作為接收客戶端，來實現(xiàn)遠程水質(zhì)監(jiān)測。

1系統(tǒng)總體設計

游泳館水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)以STM32f103c8T6為硬件核心，利用傳感器獲取游泳水質(zhì)相關參數(shù)，通過ESP826 Wi-Fi SOC芯片以及MOTT傳輸協(xié)議將檢測數(shù)據(jù)實時同步到遠程服務器，并通過移動客戶端通知使用人員達到游泳池水質(zhì)實時監(jiān)測的作用。并且根據(jù)國內(nèi)最新的游泳池水質(zhì)標準CJ/T 244-2016（（游泳池水質(zhì)標準》設定各項標準的報警閾值（以下稱為閾值），當安全指標超過閾值則通過軟件對使用人員進行報警。參考2016-2018年江蘇省江陰市游泳池水質(zhì)監(jiān)測分析，完整的七項快檢項目包括對水溫、pH值、渾濁度、大腸菌群、細菌總數(shù)、尿素、游離性余氯，本系統(tǒng)作為簡單低成本的監(jiān)測預警系統(tǒng)，僅對其水溫，PH值，渾濁度三個指標進行實時監(jiān)控，其他參數(shù)檢測可另外添加。系統(tǒng)總體框圖如圖l所示。

2硬件組成及其工作原理

2.1硬件組成及選型

系統(tǒng)硬件部分主要由主控器、電源電路、信號收發(fā)模塊和傳感器四部分組成，系統(tǒng)硬件連接框圖如圖2N示。

本系統(tǒng)使用的主處理器為STM32F103C8T6單片機，是一款基于ARM Cortex M內(nèi)核架構的32位微處理器，擁有64KB閃存，20KB SRAM和37個I/O接口，可將I/O接口配置為數(shù)字信號輸入/輸出端口。單片機的主頻速度為72MHz，工作溫度在-40℃至85℃，需要供電電壓2V-3.6V，充分滿足了系統(tǒng)設計需求。

ESP8266 Wi-Fi SoC是一款低功耗、高集成度的WWi芯片，其工作溫度范圍在-40℃至125℃，性能穩(wěn)定價格低廉。本系統(tǒng)選用ESP-01型ESP8266模塊，可使用串口的無線AP（COM-AP）模式，串口的無線STATION（COM-STA）模式和串口的無線AP+STA（COM-AP&STA）模式，同時還具備一鍵配網(wǎng)（smartConfig）功能。

2.2電源電路模塊

在游泳館水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中，單片機與ESP8266模塊需要的供電電壓為3.3V，傳感器需要的供電電壓為4.0-5.0V，所以需要選用穩(wěn)定持續(xù)的供電系統(tǒng)來提供3.3V以及5V電壓的電壓源。系統(tǒng)最終采用TPS73XXQ系列的低壓差穩(wěn)壓器，其在10=100mA時的最大極低電壓差僅為35mV（TPS7350），符合系統(tǒng)要求。3.3V（TPS7330）與5.0V（TPS7350）組成的電源系統(tǒng)模塊原理圖如圖3所示。

2.3ESP8266工作模式及AT指令簡介

ESP8266具備COM-AP模式、COM-STATIOM模式和COM STA+AP模式，每個模式都有各自的功能和應用場合。其中串口的無線AP（COM AP）模式是將模塊作為熱點，使用其他的設備接入到ESP8266模塊，通過串口來實現(xiàn)信息交互。串口無線sTA（COM STA）模式則是將模塊作為客戶端，用于將模塊接人其他熱點來構成WiFi網(wǎng)絡。而串口無線AP+STA（COM AP&STA）模式則是既能將模塊作為熱點供其他設備接入，又可以接人到其他WWi網(wǎng)絡，是前兩種模式的整合。初始化時單片機通過串口通信的方式，使用AT指令進行對模塊的最初配置和發(fā)送命令的操作，部分AT指令如表1所示。

2.4WiFi傳輸與MQTT傳輸協(xié)議

MQTT是消息隊列遙測傳輸?shù)暮喎Q，英文全稱為MessageQueuing Telemetry Transport。是由IBM公司撰寫的適用于物聯(lián)網(wǎng)通信的傳輸協(xié)議。MQTT協(xié)議工作在TCP/IP協(xié)議族上，通過發(fā)布（Publish）/訂閱（Subscribe）的范式工作，是一種為了硬件性能低的遠程設備以及網(wǎng)絡狀態(tài)不良的情況下設計的消息協(xié)議Ⅲ。本系統(tǒng)通過硬件系統(tǒng)與路由器連接將信息傳輸至阿里云服務器，通過訂閱/發(fā)布功能實現(xiàn)手機遠程接收監(jiān)測消息的功能。

2.5游泳池參數(shù)獲取