使用無線wifi模塊廠家WiFi模塊設(shè)計(jì)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(chǎng)合，人們?cè)谌粘Ｉ钪泻苌匐x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(shí)，泳池里游泳的人數(shù)一旦增加，水質(zhì)就會(huì)被污染，進(jìn)而影響游泳館使用者的體驗(yàn)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(shí)時(shí)更換水源，或隨時(shí)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(cè)費(fèi)用高，檢測(cè)頻度低，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)污染。因此，亟需運(yùn)用現(xiàn)代電子技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)一套實(shí)時(shí)、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(fèi)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(cè)設(shè)備，目前市場(chǎng)上主要以全自動(dòng)、便攜兩種水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備為主，但價(jià)格便宜，能用物聯(lián)網(wǎng)連接手機(jī)移動(dòng)端，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)游泳館水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以STM單片機(jī)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(jì)android手機(jī)APP作為接收客戶端，實(shí)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(cè)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(shí)現(xiàn)了檢測(cè)數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的實(shí)時(shí)同步；并且通過手機(jī)客戶端通知使用者，以實(shí)現(xiàn)泳池水質(zhì)實(shí)時(shí)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(bào)警閾值(以下簡(jiǎn)稱為閾值)，當(dāng)安全指標(biāo)超出閾值時(shí)，通過軟件向使用者發(fā)出報(bào)警。泳池快速檢測(cè)七項(xiàng)完整的水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)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(jiǎn)單、成本低廉的余氯監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，只對(duì)其水溫、PH值、濁度三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以增加額外的參數(shù)檢測(cè)。

其中包括四個(gè)部分：主控器、電源電路、信號(hào)接收模塊和傳感器。該系統(tǒng)采用的主處理器是STM單片機(jī)，本機(jī)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(gè)I/O接口，可配置I/O接口作為數(shù)字信號(hào)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(jì)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(jià)格穩(wěn)定。該系統(tǒng)選用WiFi模塊，可以通過串口實(shí)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(chǎng)所水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，單片機(jī)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(shí)，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(chǎng)合。無線AP(COM_AP)串口模式是以模塊為熱點(diǎn)，通過其它設(shè)備接入WiFi模塊，通過串口實(shí)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(diǎn)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(diǎn)供其它設(shè)備訪問，同時(shí)也可與其它WiFi網(wǎng)絡(luò)連接。初始化單片機(jī)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(duì)列遙測(cè)傳輸?shù)目s寫。它是一個(gè)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(shí)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(cè)，用水濁度傳感器檢測(cè)游泳池水中的混濁程度，用溫度傳感器檢測(cè)泳池內(nèi)水溫，判斷是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)。詳細(xì)檢測(cè)過程為：?jiǎn)纹瑱C(jī)根據(jù)傳感器輸出電壓值，計(jì)算出檢測(cè)的實(shí)際值。如果是由傳感器輸出的模擬信號(hào)，則A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成實(shí)際檢測(cè)值輸出；如果是數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)會(huì)根據(jù)傳感器手冊(cè)給出的公式解析數(shù)據(jù)，同樣返回實(shí)際檢測(cè)值。采用電位法測(cè)量原理的PH傳感器用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(cè)液體的H+濃度與所測(cè)溶液中H+的離子交換電極上的玻璃膜和所測(cè)溶液中的電極間的電位有關(guān)，因此，只要檢測(cè)到它的電壓，就可以測(cè)量出被測(cè)液體的H+濃度，也就是PH值。通過傳感器測(cè)量到的氫離子的電壓信號(hào)符合能斯特方程，能量方程計(jì)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(kuò)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(shí)E就是a的一元函數(shù)。S=RT/nF是一個(gè)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(xiàng)；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(cè)期間傳感器電極輸出電壓值。利用光學(xué)相關(guān)原理對(duì)水濁度傳感器進(jìn)行了綜合計(jì)算，對(duì)水的混濁程度進(jìn)行了計(jì)算，從而對(duì)水質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。感應(yīng)器內(nèi)部是一種輸出功率不變的紅外線對(duì)管，當(dāng)紅外線通過同一段距離時(shí)，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(qiáng)度在接收端轉(zhuǎn)化成相應(yīng)電流的大小，透過的光強(qiáng)越強(qiáng)，檢測(cè)器半導(dǎo)體中產(chǎn)生的電流就越大，相反，透過光強(qiáng)越弱，檢測(cè)器半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的電流就越小。該系統(tǒng)用來檢測(cè)水濁度傳感器，其測(cè)試溫度從-20℃到90℃之間返回模擬信號(hào)，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(cè)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(cè)量溫度范圍在-50℃到120℃之間，并且在0~80℃范圍內(nèi)測(cè)量精度在±0.5℃以內(nèi)，滿足系統(tǒng)要求。

MCU需要對(duì)傳感器上載的電壓信息進(jìn)行識(shí)別，并實(shí)現(xiàn)與因特網(wǎng)服務(wù)器的信息交互。系統(tǒng)啟動(dòng)后，單片機(jī)首先進(jìn)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(dòng)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(jìn)入低耗待機(jī)狀態(tài)。微處理器在服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)查詢請(qǐng)求后，打開感應(yīng)器，檢測(cè)池各項(xiàng)指標(biāo)，并將檢測(cè)結(jié)果輸入數(shù)組送至遠(yuǎn)程服務(wù)器。啟動(dòng)時(shí)，如果WiFi模塊沒有響應(yīng)，就會(huì)對(duì)WiFi模塊進(jìn)行重復(fù)配置。

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

試驗(yàn)一：將PH標(biāo)準(zhǔn)液加入容器中，分別用標(biāo)準(zhǔn)PH測(cè)試儀測(cè)定PH標(biāo)準(zhǔn)液的PH值，并與移動(dòng)端APP顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比；
試驗(yàn)二：通過加熱棒加熱水溫，將溶液溫度用溫度計(jì)測(cè)量，并與手機(jī)端APP顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比；
試驗(yàn)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(dòng)端APP顯示的混濁度進(jìn)行對(duì)比。

試驗(yàn)主要驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中檢測(cè)器檢測(cè)準(zhǔn)確度是否符合標(biāo)準(zhǔn)，以及系統(tǒng)在實(shí)際監(jiān)測(cè)情況下數(shù)據(jù)的傳輸是否穩(wěn)定。

在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于無線wifi模塊廠家WiFi和MQTT的水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(dòng)端傳輸傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的過程。通過實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。本系統(tǒng)除可監(jiān)測(cè)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(cè)等場(chǎng)合。