基于OneNET 的游泳馆水质监测系统设计

王巧馨 涂 亮 邵青芸 李新宇 朱慧博（宿迁学院信息工程学院，江苏 宿迁 223800）

随着经济社会的快速发展和人民生活水平的不断提高，居民体育健身的意识不断增强，游泳健身成为优选项目，据卫生监督部门对游泳馆水质抽查结果显示，有三分之一以上的游泳馆水质不合格,顾客体验效果大大降低。现今很多游泳馆的水质监测主要依靠不定期的人工抽查测量方式，检测成本高、监测频率低，水质污染问题得不到及时改善。针对上述现状，本文设计了应用物联网技术的游泳馆水质监测系统，该系统通过传感器定期、不间断检测水质信息，并通过无线通信模块，实现采集数据的云端通信。系统具有过限声光报警功能，顾客和监管人员可以通过OneNET 云平台查看游泳馆的实时和历史水质检测结果。

1 系统总体设计

系统的总体设计框图如图1 所示。该系统总体分为两大块：硬件模块和云端模块，硬件模块以AT89C52 单片机芯片为控制核心，连接DS18B20 温度传感器、PH 值传感器、TS 浊度传感器等采集水质各种信息，同时还设计了报警电路。ESP8266 Wifi 芯片作为通信硬件，将检测到的数据实时上传至OneNET云端平台，并通过网页形式让顾客或检测人员查看，从而达到实时监测的目的。

图1 总体设计框图

2 硬件模块设计

2.1 主控芯片选择

本系统采用的主控芯片为AT89C52 单片机，是一款低功耗、高性能的8 位微处理器，它拥有8KB 的闪存，256KB 的RAM，32 个I/O 接口，内含2 个外中断口，3 个16 位定时器/计数器，2 个全双工串通信口，片内晶振以及时钟电路，单片机的工作电压为3.3V～5.5V。

2.2 数据采集和报警模块

系统需要采集包括温度、PH 值以及浊度等水质信息，分别使用DS18B20 温度传感器、E-201-C 型PH 值传感器和TS 浊度传感器来检测各项指标，各传感器和单片机的连接如图2 所示。

图2 数据采集模块线路图

2.2.1 水温采集

水温采集选用DS18B20 数字式温度传感器, 该传感器输出的最低位每变化1，代表温度变化0.0625℃；设计中将传感器数据线端口直接和单片机的P1.7 口相连，单片机通过1-Wire 协议与DS18B20 进行通信[1]；DS18B20 所采集温度数据是两个字节，通信时先读取低字节的低位，读完第一个字节后，再读高字节的低位，直至两个字节读取完毕；DS18B20 设置为12 位分辨率，读取后的温度值在单片机寄存器中以补码的形式存在。由于游泳馆水温通常为24℃～29℃，设计中水温报警上下限值分别为22℃和29℃。

2.2.2 PH 值采集

设计选用了E-201-C 型PH 复合电极传感器，由于该传感器的输出为mV 级电压信号，单片机无法直接识别处理，需要进行电压放大和AD 处理后与输出与单片机的P1.0 口连接。模块输出电压和PH 对应关系为[2]：

y=5.8887x+21.677，式中x 为模块输出电压，y 为对应PH值。

根据《游泳池水质标准CJ244-2019》，系统设计的游泳馆的PH 值的报警上下限值分别为7.0 和7.8。

2.2.3 浊度采集

浊度测量选取TS100 型浊度传感器，该传感器通过溶液中的透光率和散射率来综合判断浊度情况[3]。将传感器输出的电流信号转换为电压信号再进行AD 处理后，与输出与单片机的P1.0 口连接。浊度值与模块输出电压满足关系[3]：

TU=-865.68×U+K，式中TU 为当前浊度值，U 为当前温度条件下模块的输出电压值，K 为截距值，需通过标定方法得到。本次设计中浊度阈值为1000。

2.2.4 报警模块

报警模块连接单片机的3.4 口进行控制，电路连接如图3所示。当采集的温度、PH 值或浊度值三者中只要有一项超过阈值时，P3.4 口输出低电平，三极管导通，报警器工作。

图3 声报警电路

2.3 通信模块

数据入网采用无线通信方式，设计中采用ESP8266 Wifi 无线通信模块，该模块有三种工作模式，STA 模式、AP 模式、STA+AP 模式。STA 模式是指将ESP8266 模块通过路由器连接互联网，手机或电脑通过互联网实现对设备的远程控制，AP 模式是指ESP8266 模块作为热点，手机或电脑直接与模块连接，实现局域网无线控制，STA+AP 模式指的是两种模式的共存模式，即可以通过互联网控制可实现无缝切换，方便操作。ESP8266 的使用方式分为使用AT 指令进行操作、LUA 语言编程、Arduino 开发环境编程。本设计使用的工作模式是STA 模式，利用AT 指令进行操作，部分AT 指令说明如表1 所示。

表1 AT 指令说明

2.4 单片机程序设计

主控芯片设计采用的是C 语言编译，在上电后,系统先进行初始化，进行硬件参数配置，并发送AT 指令，确认和服务器连接成功后，传感器采集水质的各种参数信息，首先采集温度并将数据显示在LCD1602 屏幕上，然后采集PH 值和浊度信息，每隔5 秒定时将温度、酸碱度和浊度数据发送上传云端，并将PH值和浊度值显示在LCD 屏上，判断每一个采集值是否在阈值范围内，若超出范围则开启报警，然后重新采集数据，否则直接重新采集数据。软件流程图如图4 所示。

图4 软件流程图

3 云端设计

云端设计是在OneNET 云平台上实现，该平台是中国移动物联网云平台，平台提供存储设备上报的数据点、API 接口实现设备管理、数据推送等功能，可以适配多种主流物联网传输协议和各种网络环境。注册账号后在控制台中先选择创建产品，选择接入协议。该平台支持9 种协议连接，本系统设计只需要上传传感器的数据到平台，无需平台下发控制指令，故选择了HTTP 协议，使用的是RESTful 风格接口。[4]HTTP 请求主要使用POST 请求方法打包上传数据，利处在于具有较好的安全性，创建完成后再添加设备，设置产品的基本属性PH、温度和TDS(浊度) 等。在设备创建完备之后，会获得设备的API 地址和APIKey，该信息作为设备的“身份信息”，在连接组件中用以识别设备，实现实体设备和云端对应连接。在设备与云端达成连接的前提下，再进行设备发布，将其应用发布到公开网页。随后设计其网页的框架，在网页上显示相关数据和采集时间。

4 云端效果展示

用户只需登录OneNET 云平台，就可以实时收到来自下位机的信息，实现水质监测的效果。图5 所示为OneNET 客户端的用户界面，界面展示了下位机所采集的PH 值、温度、浊度的实时数据。用户可以根据表盘和折线图形式查看所采集的信息判断水质的情况，保证了水质数据实时可见的效果。根据阶段性历史数据折线图，多维度分析水质，可以了解超阈值时工作人员应对措施是否有效, 同时历史数据的云端显示也为顾客选择游泳馆提供参考数据。

图5 云端效果展示

5 结论

本文从硬件和软件两方面介绍了基于云平台的游泳馆水质监测系统的设计过程，通过云端效果，展现系统进行远程实时监测以及追溯历史数据的功能，该系统结构简单、易于操作，可以广泛应用于农业、工业的生产、污水处理、江河水质监测等场合。