1. 系统方案介绍
随着水质污染问题的日益严峻，实时监测水质变得尤为重要。水质监测系统能够通过采集水体中的各种数据，及时发现水质问题，保障饮用水安全。本文将介绍一款基于STM32单片机的物联网水质监测系统，该系统采用了ESP8266-01S WiFi模块实现与云平台机智云的连接，能够实时监测水的浊度、温度、pH值和水位，同时具备远程调节水温和水位功能，并提供水质预警。
2. 系统架构图
系统主要构成部分：
- STM32主控板：负责读取各传感器数据，进行数据处理并通过ESP8266-01S模块与云平台通信。
- 温度传感器DS18B20：用于测量水体温度。
- 水质浊度传感器：实时监测水体的浑浊程度。
- pH传感器：用于测量水体的pH值，判断水的酸碱度。
- 水位传感器：监测水箱的水位高度。
- ESP8266-01S WiFi模块：用于将数据上传至机智云平台，远程控制温度和水位。
- 云平台机智云：用于展示水质数据和控制指令，并提供预警功能。
3. 实现方法
3.1 数据采集与传输
本系统采用STM32单片机作为主控制单元，通过I2C或SPI通信与各类传感器进行数据交互。温度传感器DS18B20通过1-Wire协议与STM32进行连接，水位、pH和浊度传感器使用模拟信号输出，通过STM32的ADC（模拟到数字转换）接口获取数据。ESP8266模块通过串口与STM32连接，将数据上传到机智云平台。
3.2 云平台监控
机智云平台通过实时展示上传的数据，让用户能够随时查看水质状态，包括水温、浊度、pH值和水位情况。同时，系统提供远程控制功能，用户可以通过机智云APP调节水温和水位，确保水质环境的稳定。
3.3 预警机制
系统设定了温度、pH值和浑浊度的安全阈值，当监测数据超出预设范围时，系统会触发预警，发送通知至用户手机APP，提醒用户进行处理。
4. 功能描述
4.1 水质监测
- 水温监测：通过DS18B20传感器实时监测水体的温度，并将数据上传至云平台。
- 浊度监测：浊度传感器用于测量水体的浑浊程度，以便判断水质。
- pH值监测：通过pH传感器检测水的酸碱度，实时传输给STM32进行数据处理。
- 水位监测：水位传感器监测水位的变化，确保水位处于设定范围。
4.2 水质调节
- 温度调节：通过控制加热装置来调节水温，用户可以通过APP进行温度调节。
- 水位调节：通过控制水泵来调整水位，APP提供手动控制选项。
4.3 预警与控制
当某个传感器监测到的水质数据超出安全范围时，系统会通过APP向用户发出警告，用户可以根据警告进行必要的调整。
5. 硬件架构
系统的硬件部分包括：
1. STM32开发板：作为主控单元，负责传感器的数据采集与处理。
2. 温度传感器DS18B20：通过1-Wire协议与STM32连接，读取水温。
3. 水质浊度传感器：通过模拟输出，测量水的浑浊程度。
4. pH传感器：通过模拟信号输出，测量水的pH值。
5. 水位传感器：用于监测水箱内的水位，防止水溢出或过低。
6. ESP8266-01S WiFi模块：负责将传感器数据传输到机智云平台，进行远程监控与调节。
6. 传感器介绍
6.1 DS18B20温度传感器
DS18B20是一款常见的数字温度传感器，具有1-Wire接口，能够在多个传感器之间共享数据线，非常适合用于物联网项目中。其测量范围为-55°C至+125°C，精度为±0.5°C，非常适合水温监测。
6.2 浊度传感器
浊度传感器用于测量水中固体颗粒的浓度，通过光的散射原理判断水的浑浊程度。其输出信号为模拟电压，可以通过STM32的ADC接口进行读取。
6.3 pH传感器
pH传感器能够测量水的酸碱度，范围通常为0-14pH。其输出信号为模拟电压信号，通过STM32的ADC接口转换为pH值。
6.4 水位传感器
水位传感器通过电容原理或者超声波原理测量水箱的水位高度，实时反映水箱中的水位状况。
7. 软件架构
7.1 嵌入式部分（STM32）
- 传感器数据采集：通过STM32的ADC和I2C接口获取传感器数据。
- 数据处理与控制：对获取的数据进行处理，判断是否需要触发预警或控制设备（如加热装置或水泵）。
- WiFi通信：使用ESP8266模块将数据通过WiFi上传至机智云。
7.2 云平台部分（机智云）
- 数据存储与展示：云平台实时接收设备上传的数据，存储并展示给用户。
- 预警系统：设定阈值，当数据超出阈值时，平台会触发警报并发送通知至APP。
- 远程控制：用户可以通过APP调整水温和水位，云平台将指令传回设备进行相应操作。
8. 关键代码展示
8.1 STM32代码示例
#include "ds18b20.h"
#include "esp8266.h"
#include "adc.h"
#include "gpio.h"
void main(void) {
// 初始化各个模块
DS18B20_Init();
ESP8266_Init();
ADC_Init();
while(1) {
// 读取水温
float waterTemp = DS18B20_ReadTemp();
// 读取浊度和pH值
int turbidity = ADC_Read(TURBIDITY_SENSOR_PIN);
int ph = ADC_Read(PH_SENSOR_PIN);
// 获取水位数据
int waterLevel = ADC_Read(WATER_LEVEL_SENSOR_PIN);
// 上传数据至机智云
ESP8266_SendData(waterTemp, turbidity, ph, waterLevel);
// 控制水温和水位
if (waterTemp < 20.0) {
ESP8266_SendControlCommand("HEATER_ON");
} else if (waterTemp > 30.0) {
ESP8266_SendControlCommand("HEATER_OFF");
}
if (waterLevel < 50) {
ESP8266_SendControlCommand("PUMP_ON");
} else if (waterLevel > 90) {
ESP8266_SendControlCommand("PUMP_OFF");
}
// 延时1秒
HAL_Delay(1000);
}
}
8.2 机智云数据上传与控制
import requests
import json
def upload_data(temp, turbidity, ph, water_level):
url = "https://api.gizwits.com/app/devices/{device_id}/data"
headers = {'Authorization': 'Bearer {access_token}'}
data = {
"water_temp": temp,
"turbidity": turbidity,
"ph": ph,
"water_level": water_level
}
response = requests.post(url, headers=headers, data=json.dumps(data))
if response.status_code == 200:
print("Data uploaded successfully")
def send_control_command(command):
url = "https://api.gizwits.com/app/devices/{device_id}/commands"
headers = {'Authorization': 'Bearer {access_token}'}
data = {"command": command}
response = requests.post(url, headers=headers, data=json.dumps(data))
if response.status_code == 200:
print(f"Command {command} sent successfully")
9. 总结
本文介绍了一款基于STM32的物联网水质监测系统，系统通过ESP8266 WiFi模块将水质数据上传至云平台机智云，用户可以通过手机APP实时查看水质信息，并进行水温和水位的远程调节。该系统具备温度、浊度、pH值和水位的实时监测功能，并支持远程预警与控制，为水质管理提供了有效的技术手段。
10.资料获取
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