基于ESP8266WiFi模块和MQTT协议的游泳馆水质监测系统设计

沈晨航 周俊

摘要：本文针对游泳馆的泳池，设计开发了一种基于STM32单片机、ESP8266无线模块和MQTT传输协议的实时水质监测系统。该方法构成简单，系统成本较低且使用便捷，可对游泳池水质进行实时监测，并通过了模拟验证实验，证实了其可行性。

关键词：STM32单片机;ESP8266;MQTT;水质监测

中图分类号：TP391.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）05-0148-04

0引言

水常常应用在各个场合，是人类生产生活所必要的元素之一，人类在日常生活中几乎不能离开水。现如今夏天很多人喜欢去游泳馆游泳，但是很多游泳馆的水质实在令人堪忧，随着天气越来越热，越来越多人希望可以到游泳馆游泳，同时在游泳池内游泳的人数一旦增多，游泳池的水质很容易被污染，从而影响游泳馆用户的体验以及身体健康。特别是近年游泳馆水质尤为问题突出，多家游泳馆因水质不合格而被查处。因此，泳池应该时不时换水或者随时监测游泳馆水质来保证水质安全。但是即使定期换水也不能随时保证游泳馆内水质处于一个健康的状态，并且由于人工检测成本较高，检测频率低，不能及时发现水质的污染问题。所以迫切需要应用现代电子技术和物联网技术，研制开发一种实时有效的游泳馆水质监测系统，使监测人员可以通过互联网获取游泳馆水质的相应参数，从而节约游泳馆成本，保证游泳池水質安全，提高国内游泳馆的水质水平。

纵观国内游泳池水质监测设备，目前市场上主要以全自动和便携式的水质监测设备为主，但很少能够买到价格低廉，并且可以通过物联网连接手机移动端实现实时监控的水质监测系统。基于此，本文设计开发了一种游泳馆水质监测系统，硬件部分以STM32F103C8T6单片机作为核心控制器，通过ESP8266 Wi-Fi SoC芯片和MQTT传输协议，自行设计android手机APP作为接收客户端，来实现远程水质监测。

1系统总体设计

游泳馆水质监测系统以STM32f103c8T6为硬件核心，利用传感器获取游泳水质相关参数，通过ESP826 Wi-Fi SOC芯片以及MOTT传输协议将检测数据实时同步到远程服务器，并通过移动客户端通知使用人员达到游泳池水质实时监测的作用。并且根据国内最新的游泳池水质标准CJ/T 244-2016（（游泳池水质标准》设定各项标准的报警阈值（以下称为阈值），当安全指标超过阈值则通过软件对使用人员进行报警。参考2016-2018年江苏省江阴市游泳池水质监测分析，完整的七项快检项目包括对水温、pH值、浑浊度、大肠菌群、细菌总数、尿素、游离性余氯，本系统作为简单低成本的监测预警系统，仅对其水温，PH值，浑浊度三个指标进行实时监控，其他参数检测可另外添加。系统总体框图如图l所示。

2硬件组成及其工作原理

2.1硬件组成及选型

系统硬件部分主要由主控器、电源电路、信号收发模块和传感器四部分组成，系统硬件连接框图如图2N示。

本系统使用的主处理器为STM32F103C8T6单片机，是一款基于ARM Cortex M内核架构的32位微处理器，拥有64KB闪存，20KB SRAM和37个I/O接口，可将I/O接口配置为数字信号输入/输出端口。单片机的主频速度为72MHz，工作温度在-40℃至85℃，需要供电电压2V-3.6V，充分满足了系统设计需求。

ESP8266 Wi-Fi SoC是一款低功耗、高集成度的WWi芯片，其工作温度范围在-40℃至125℃，性能稳定价格低廉。本系统选用ESP-01型ESP8266模块，可使用串口的无线AP（COM-AP）模式，串口的无线STATION（COM-STA）模式和串口的无线AP+STA（COM-AP&STA）模式，同时还具备一键配网（smartConfig）功能。

2.2电源电路模块

在游泳馆水质监测系统中，单片机与ESP8266模块需要的供电电压为3.3V，传感器需要的供电电压为4.0-5.0V，所以需要选用稳定持续的供电系统来提供3.3V以及5V电压的电压源。系统最终采用TPS73XXQ系列的低压差稳压器，其在10=100mA时的最大极低电压差仅为35mV（TPS7350），符合系统要求。3.3V（TPS7330）与5.0V（TPS7350）组成的电源系统模块原理图如图3所示。

2.3ESP8266工作模式及AT指令简介

ESP8266具备COM-AP模式、COM-STATIOM模式和COM STA+AP模式，每个模式都有各自的功能和应用场合。其中串口的无线AP（COM AP）模式是将模块作为热点，使用其他的设备接入到ESP8266模块，通过串口来实现信息交互。串口无线sTA（COM STA）模式则是将模块作为客户端，用于将模块接人其他热点来构成WiFi网络。而串口无线AP+STA（COM AP&STA）模式则是既能将模块作为热点供其他设备接入，又可以接人到其他WWi网络，是前两种模式的整合。初始化时单片机通过串口通信的方式，使用AT指令进行对模块的最初配置和发送命令的操作，部分AT指令如表1所示。

2.4WiFi传输与MQTT传输协议

MQTT是消息队列遥测传输的简称，英文全称为MessageQueuing Telemetry Transport。是由IBM公司撰写的适用于物联网通信的传输协议。MQTT协议工作在TCP/IP协议族上，通过发布（Publish）/订阅（Subscribe）的范式工作，是一种为了硬件性能低的远程设备以及网络状态不良的情况下设计的消息协议Ⅲ。本系统通过硬件系统与路由器连接将信息传输至阿里云服务器，通过订阅/发布功能实现手机远程接收监测消息的功能。

2.5游泳池参数获取