基于物联网的农村饮用水水质监测系统的设计

王巍淞，马巧梅＊，申连雄

（1.宝鸡文理学院计算机学院，陕西 宝鸡 721016；2.榆林广播电视台，陕西 榆林 719000）

引言

当前农村饮用水随着科学技术的进一步发展，工业化程度的提高，其水质受到很大的影响，个别村庄甚至出现了无法直饮的现象，即便有些饮用水表面看起来较为清澈，实则并未达到饮用水标准[1]。

当前随着物联网及传感器技术的发展，大量的微传感器应用到水质检测中，给农村水质管理人员进行监测饮用水水质提供帮助，但没有做到集中管理，无法实时监测饮用水的水质变化情况，那么利用单片机+ZigBee 的农村饮用水水质监测系统[2]便急需开发出来，以更好地服务于村民，为村民提供一个安全的饮用水环境[3]。

基于物联网的农村饮用水水质监测系统对于保障村民安全用水具有重要的现实意义[4]，主要体现在两个方面：

（1） 通过监测pH 值、水浊度等指标为村民的饮用水安全提供数据支持[5]。

（2） 可通过数据的监测并上传至APP 客户端，可节省大量的人力，提高了对饮用水安全的监测效率[6]。

1 系统总体设计框图

基于物联网的农村饮用水水质监测系统是将STM32 单片机作为主控制器，通过温度传感器、pH 值感器模块及水浊度进行监测农村饮用水水质的各项数据，通过ESP8266 无线网络将所采集的数据上传至上位机APP 客户端，当超过设置的阙值时予以报警提示[7]。

基于物联网的农村饮用水水质监测系统框图见图1。

图1 系统框图

1.1 硬件电路设计

1.1.1 主控单片机电路设计

基于物联网的农村饮用水水质监测系统的主控模块采用STM32F103C8T6，该单片机可提供内外两个晶振频率，当发生程序跑飞的情况时可通过复位重启，完成单片机以恢复。一般来说，一个单片机模块需要具有如电源模块、复位电路、晶振电路等组成一个最小的单片机系统，可基本满足一些常规的使用，成为一个可正常运行的系统[8]。

单片机主控模块电路原理图见图2。

图2 单片机电路原理图

1.1.2 ZigBee 无线网络的电路设计

基于物联网的农村饮用水水质监测系统包括发送端（传感器端）和接收段（单片机侧），采用ZigBee 无线网络作为传输网络，该网络以CC2530 芯片为基础而设计。该CC2530 是一种功耗低，传输稳定可靠的无线网络芯片，通过3.3-5 v 电源供电，是当前应用较为广泛的ZigBee 解决方案[9]。CC2530 硬件电路原理图见图3。

图3 CC2530 硬件电路原理图

1.1.3 pH 值传感器电路设计

pH 值传感器负责采集饮用水的pH 值，一旦发现pH 值超标则通知处理人员来处理，pH 值采集电路原理图见图4。

图4 pH 值采集电路原理图

1.1.4 水浊度传感器电路设计

水浊度传感器主要监测水中是否有泥沙、漂浮物等，应该在满足饮用水的范围内，否则需要进行进一步的处理。

水浊度传感器电路原理图见图5。

图5 水浊度传感器电路原理图

1.2 软件电路设计

1.2.1 系统功能架构设计

基于物联网的农村饮用水水质监测系统采用各类传感器已完成对温度、pH 值及水浊度的采集，并上传至APP 客户端完成显示，一旦采集的各项数据超过设定的阙值，上位机以报警提示。系统功能架构图见图6。

图6 系统功能架构图

1.2.2 系统流程设计

基于物联网的农村饮用水水质监测系统的流程如下：首先启动单片机及传感器，利用温度、pH 值及水浊度传感器采集饮用水水质的各项数据，通过ZigBee 网络将所采集的数据上传至单片机，然后通过无线模块上传至APP 客户端，与阙值进行对比，然后决定是否进行报警提示。

系统流程见图7。

图7 系统流程

1.2.3 App 界面的设计

通过无线网络ESP8266 上传至APP 客户端显示温度、pH 值以及水浊度数据，若各项数据超过设定的阙值时便报警提示。APP 客户端界面见图8。

图8 APP 客户端界面图

2 系统测试

2.1 测试概述

一般情况下，硬件的测试主要以测试功能为主的黑盒测试，而以逻辑为主的白盒测试交由第三方检测机构。结合该系统的实际测试需求，选择黑盒测试方法。

2.2 系统功能测试

基于物联网的农村饮用水水质监测系统是一个有硬件和上位机软件的系统，测试时间占总体开发时间的比重在40%左右。一般情况下，测试将在遵守测试规程的前提下，对硬件功能模块进行测试。具体测试过程如下：

首先，对系统进行组装测试，将STM32 单片机、温度传感器、pH 值传感器和水浊度传感器连接在一起，然后把ZigBee 无线网络和电源模块与STM32 单片机组装起来，组装起来查看指示灯是否发亮，其组装测试图见图9。

图9 组装测试图

上位机显示经由传感器所采集的农村饮用水水质数据（温度、pH 值、水浊度）测试，其测试界面见图10，根据系统设置的阙值，说明这一组监测数据正常。

图10 实时数据采集展示（温度、水浊度、pH 值）界面

实时采集水质数据（温度）异常测试，用温度传感器对热水进行测试，图中显示温度为43℃，数值超过正常值上限30℃，此时APP 端显示温度异常报警，其测试界面见图11。

图11 温度异常测试界面

实时采集水质数据（浊度）异常测试，用浊度传感器对浑浊的水进行测试，已知水越浑浊，浊度传感器测得数值越低。图中显示浊度为9，小于正常值28，此时APP 端显示浊度异常报警，其测试界面见图12。

图12 浊度异常测试界面

实时采集水质数据（pH 值）异常测试，用pH 传感器对碱性肥皂水进行测试，图中显示pH 为9，大于正常值8，此时App 端显示pH 值异常报警，其测试界面见图13。

图13 pH 值异常测试界面

通过对系统中传感器实时监测的温度值、水浊度、pH 值的正常值和异常测试值，得知该系统各个监测数据均正常。

3 结论

目前，农村饮用水的安全是一个急需解决的问题，未经过处理或者处理不当的工业废水直接排入水体，从而导致很多地方水体被污染，一旦人们饮用了受污染的水，会对人体健康产生各种伤害甚至危及生命，特别是农村地区对饮用水的管理较弱，因此基于物联网的农村饮用水监测系统可以更好地知晓饮用水的情况，为人们的饮用安全提供帮助。