使用無線wifi模塊廠家WiFi模塊設(shè)計游泳館水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，水是人類生產(chǎn)和生活必不可少的要素之一，常用于各種場合，人們在日常生活中很少離開水?，F(xiàn)在很多人都喜歡到游泳館游泳，但很多游泳館的水質(zhì)真的很糟糕，隨著天氣越來越熱，有越來越多的人希望能去游泳館游泳，同時，泳池里游泳的人數(shù)一旦增加，水質(zhì)就會被污染，進而影響游泳館使用者的體驗和身體健康。尤其近年來游泳館水質(zhì)問題尤為突出，有多家游泳館因水質(zhì)不達(dá)標(biāo)而被查處。所以，游泳池中應(yīng)時時更換水源，或隨時監(jiān)控水質(zhì)，以確保水質(zhì)安全。但即便是定期換水也無法保證游泳館水質(zhì)處于健康狀態(tài)，而且人工檢測費用高，檢測頻度低，無法及時發(fā)現(xiàn)水質(zhì)污染。因此，亟需運用現(xiàn)代電子技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)一套實時、高效的游泳館水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)。以便監(jiān)督人員通過因特網(wǎng)獲得游泳館水質(zhì)相關(guān)參數(shù)，從而節(jié)省游泳館費用，確保泳池水質(zhì)安全，改善國內(nèi)游泳館水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

綜觀國內(nèi)游泳池水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備，目前市場上主要以全自動、便攜兩種水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備為主，但價格便宜，能用物聯(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)。為此，設(shè)計并實現(xiàn)了一個游泳館水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，以STM單片機為硬件核心控制器，采用無線wifi模塊廠家Wi-FiSoC和MQTT傳輸協(xié)議通過自行設(shè)計android手機APP作為接收客戶端，實現(xiàn)水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

以ST為硬件核心的游泳館水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，通過傳感器獲取游泳的水質(zhì)參數(shù)，采用無線wifi模塊廠家Wi-FiSoC芯片和MQTT傳輸協(xié)議，實現(xiàn)了檢測數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的實時同步；并且通過手機客戶端通知使用者，以實現(xiàn)泳池水質(zhì)實時監(jiān)控。并按照國內(nèi)新的游泳池水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T244-2016《游泳池水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，報警閾值(以下簡稱為閾值)，當(dāng)安全指標(biāo)超出閾值時，通過軟件向使用者發(fā)出報警。泳池快速檢測七項完整的水質(zhì)監(jiān)測項目包括：水溫、pH值、混濁度、大腸桿菌、細(xì)菌總數(shù)、尿素、該系統(tǒng)作為一種簡單、成本低廉的余氯監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，只對其水溫、PH值、濁度三項指標(biāo)進行實時監(jiān)控，可以增加額外的參數(shù)檢測。

其中包括四個部分：主控器、電源電路、信號接收模塊和傳感器。該系統(tǒng)采用的主處理器是STM單片機，本機是一款基于ARMCortex-M內(nèi)核架構(gòu)的32位微處理器，帶有64KB閃存。20KBSRAM與37個I/O接口，可配置I/O接口作為數(shù)字信號的輸入/輸出端口。單片微處理器主頻頻率72MHz，工作溫度在-40~85℃之間，需要提供2V-3.6V的電壓，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。ESP8266Wi-FiSoC是一款低功耗、高集成的WiFi芯片，工作溫度范圍從-40℃到125℃，性能穩(wěn)定，價格穩(wěn)定。該系統(tǒng)選用WiFi模塊，可以通過串口實現(xiàn)無線AP(COM_AP)模式，串口無線STATION(COM_STA)模式和串口無線AP+STA(COM_AP&STA)模式，此外，還具有一鍵配網(wǎng)(smartConfig)功能。

游泳場所水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中，單片機和無線wifi模塊廠家WiFi模塊需要供電電壓為3.3V，所需傳感器的供電電壓是4.0-5.0V，因此需要選擇提供3.3V及5V電壓的電壓源。本系統(tǒng)采用TPS73XXQ系列低壓差穩(wěn)壓器，滿足系統(tǒng)要求，在I0=100mA時，其大極壓差為35mV(TPS7350)。

無線wifi模塊廠家WiFi模塊具有COM-AP模式、COM-STATIOM模式和COM-STA+AP模式，每一種模式各有其功能和適用場合。無線AP(COM_AP)串口模式是以模塊為熱點，通過其它設(shè)備接入WiFi模塊，通過串口實現(xiàn)信息交互。串口無線STA(COM_STA)模式是以模塊為客戶端，用來連接其它熱點模塊組成WiFi網(wǎng)絡(luò)。其中，串口無線AP+STA(COM_AP&STA)模式是將模塊作為熱點供其它設(shè)備訪問，同時也可與其它WiFi網(wǎng)絡(luò)連接。初始化單片機通過串口通訊的方式，用AT指令完成初的模塊配置和發(fā)送命令的操作。

MQTT是英文全稱MessageQueuingTelemetryTransport的消息隊列遙測傳輸?shù)目s寫。它是一個IBM公司編寫的適合物聯(lián)網(wǎng)通信的傳輸協(xié)議。MQTT協(xié)議工作在TCP/IP協(xié)議系列上，通過發(fā)布(Publish)/訂閱(Subscribe)的模式工作，是一種消息協(xié)議，用于實現(xiàn)硬件性能較低、且網(wǎng)絡(luò)狀況不佳。

游泳池水PH值分別用PH傳感器檢測，用水濁度傳感器檢測游泳池水中的混濁程度，用溫度傳感器檢測泳池內(nèi)水溫，判斷是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)。詳細(xì)檢測過程為：單片機根據(jù)傳感器輸出電壓值，計算出檢測的實際值。如果是由傳感器輸出的模擬信號，則A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成實際檢測值輸出；如果是數(shù)字信號，單片機會根據(jù)傳感器手冊給出的公式解析數(shù)據(jù)，同樣返回實際檢測值。采用電位法測量原理的PH傳感器用于水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。由于溶液的PH值取決于溶液中H+的濃度，因此利用傳感器的電極系統(tǒng)將原電池構(gòu)造成原電池。如果氣溫不變，所測液體的H+濃度與所測溶液中H+的離子交換電極上的玻璃膜和所測溶液中的電極間的電位有關(guān)，因此，只要檢測到它的電壓，就可以測量出被測液體的H+濃度，也就是PH值。通過傳感器測量到的氫離子的電壓信號符合能斯特方程，能量方程計算的是電極反應(yīng)中，參與反應(yīng)物由反應(yīng)前的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為反應(yīng)后的狀態(tài)，所需耗功：E=E0+(RTlnα)/nF(1)而且E=E0+ED+E內(nèi)參-E外接與ED(離子擴散電位)、E內(nèi)參量、E外參數(shù)、E外接都是關(guān)于溶液溫度的函數(shù)，所以E0也是關(guān)于溫度的函數(shù)。因此，要控制E0為常數(shù)，要使溫度保持恒定，此時E就是a的一元函數(shù)。S=RT/nF是一個常數(shù)，pH=lna，由此可得：E=E0-S×pH(2),S=RT/nF=54.20+0.1984×t為理論斜率項；α表示氧化類型及還原型化學(xué)物質(zhì)的活性(活度=濃度×活度系數(shù))；氣體常數(shù)R=8.314472J/R=8.314472J·mol-1·K-1;mol-1=96485C.mol-1；單元mol；溫度T=273.15+t;E是檢測期間傳感器電極輸出電壓值。利用光學(xué)相關(guān)原理對水濁度傳感器進行了綜合計算，對水的混濁程度進行了計算，從而對水質(zhì)進行了評價。感應(yīng)器內(nèi)部是一種輸出功率不變的紅外線對管，當(dāng)紅外線通過同一段距離時，接收端收到的光度取決于混濁液體的混濁程度，液相混濁，透過的光通量越小。感應(yīng)器將光的強度在接收端轉(zhuǎn)化成相應(yīng)電流的大小，透過的光強越強，檢測器半導(dǎo)體中產(chǎn)生的電流就越大，相反，透過光強越弱，檢測器半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的電流就越小。該系統(tǒng)用來檢測水濁度傳感器，其測試溫度從-20℃到90℃之間返回模擬信號，考慮到混濁度和模塊輸出電壓的關(guān)系式：TU=-865.68xU+K(3)其中，TU是目前的濁度，U是指在當(dāng)前溫度條件下，模塊輸出端檢測到的電壓值，K是截距值。數(shù)字式溫度傳感器是利用低溫系數(shù)晶振和高溫系數(shù)晶振的振蕩頻率，通過不同的溫度來反映環(huán)境溫度的大小。該系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器，測量溫度范圍在-50℃到120℃之間，并且在0~80℃范圍內(nèi)測量精度在±0.5℃以內(nèi)，滿足系統(tǒng)要求。

MCU需要對傳感器上載的電壓信息進行識別，并實現(xiàn)與因特網(wǎng)服務(wù)器的信息交互。系統(tǒng)啟動后，單片機首先進入系統(tǒng)初始化和參數(shù)配置階段，通過串口發(fā)送AT指令，啟動無線wifi模塊廠家WiFi模塊連接預(yù)設(shè)的路由器網(wǎng)絡(luò)，確認(rèn)服務(wù)器連接成功后，系統(tǒng)進入低耗待機狀態(tài)。微處理器在服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)查詢請求后，打開感應(yīng)器，檢測池各項指標(biāo)，并將檢測結(jié)果輸入數(shù)組送至遠(yuǎn)程服務(wù)器。啟動時，如果WiFi模塊沒有響應(yīng)，就會對WiFi模塊進行重復(fù)配置。

遠(yuǎn)端手機客戶端主要實現(xiàn)接收單片機上載信息和顯示功能，打開手機APP，輸入服務(wù)器的IP地址，服務(wù)器端口，帳號，密碼等信息，完成與服務(wù)器的連接之后，移動電話APP將在主頁顯示單片機手機參數(shù)信息。同時，當(dāng)客戶機遇到連接中斷、接收數(shù)據(jù)異常等問題時，將自動嘗試重新連接，并將錯誤信息推給用戶。以上述監(jiān)測系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用20cm×10cm×10cm的容器模擬水池為實驗對象，設(shè)計了三組實驗，驗證了監(jiān)測系統(tǒng)的可行性。

試驗一：將PH標(biāo)準(zhǔn)液加入容器中，分別用標(biāo)準(zhǔn)PH測試儀測定PH標(biāo)準(zhǔn)液的PH值，并與移動端APP顯示數(shù)據(jù)進行對比；
試驗二：通過加熱棒加熱水溫，將溶液溫度用溫度計測量，并與手機端APP顯示數(shù)據(jù)進行對比；
試驗三：采用視覺比濁法，不斷將NTU標(biāo)準(zhǔn)混懸液添加到純凈水中，并將其與移動端APP顯示的混濁度進行對比。

試驗主要驗證了監(jiān)測系統(tǒng)中檢測器檢測準(zhǔn)確度是否符合標(biāo)準(zhǔn)，以及系統(tǒng)在實際監(jiān)測情況下數(shù)據(jù)的傳輸是否穩(wěn)定。

在此基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了一套基于無線wifi模塊廠家WiFi和MQTT的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。詳細(xì)說明了系統(tǒng)通過WiFi無線串口模塊和MQTT協(xié)議向移動端傳輸傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時監(jiān)控的過程。通過實驗仿真對系統(tǒng)進行了驗證。本系統(tǒng)除可監(jiān)測游泳館水質(zhì)外，還可應(yīng)用于污水處理廠、河流污染程度監(jiān)測等場合。