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摘 要
随着科技的进步，经济的发展，水污染问题日益严重，生活用水安全问题也受到了广泛关注。人们希望对自己常用的生活用水的水质有所了解，这就需要有一套智能的水质检测系统来满足人们对智能化生活和安全的追求。本课题是基于AIOT的水体富营养化监测系统设计，可以满足水质信息时效性的同时为人们提供便利和优质的水源。
通过STM32单片机作为主控制单位，利用温度传感器、TDS检测传感器、PH传感器、浊度传感器、ZigBee通信、蜂鸣器、OLED等装置，通过AI算法，对水质参数进行智能分析和识别，以便及时发现和处理水质异常情况。该设计采用STM32单片机负责对水质检测模块采集到的参数进行采样和处理，通过AI算法对温度、N元素含量、pH值和浊度等水质参数进行分析，并根据预先设定的阈值进行判断。
关键词：STM32单片机；ZigBee通信；水质检测

ABSTRACT
With the progress of technology and economic deVelopment, the problem of water pollution is becoming increasingly serious, and the safety of domestic water has also receiVed widespread attention. People want to haVe an understanding of the quality of their commonly used domestic water, which requires an intelligent water quality detection system to meet people’s pursuit of intelligent life and safety. This topic is a design of a water eutrophication monitoring system based on AIOT, which can meet the timeliness of water quality information while proViding conVenient and high-quality water sources for people.
Using the STM32 microcontroller as the main control unit. Using temperature sensors, TDS detection sensors, pH sensors, turbidity sensors, ZigBee communication, buzzers, OLEDs, and other deVices, intelligent analysis and identification of water quality parameters are carried out through AI algorithms, in order to timely detect and handle abnormal water quality situations.This design uses an STM32 microcontroller to sample and process the parameters collected by the water quality detection module. The AI algorithm is used to analyze water quality parameters such as temperature, N element content, pH value, and turbidity, and to make judgments based on pre-set thresholds.
Key words: STM32 single chip microcomputer; ZigBee communication;Water quality testing;

目 录
第1章 绪论 1
1.1 研究目的及意义 1
1.2 国内外研究现状 2
第2章 系统需求分析 4
2.1设计方案 4
2.2 功能需求分析 5
2.2.1 技术路线： 5
2.2.2 预期结果： 5
2.3 总体方案设计 5
2.4 单片机型号选择 6
第3章 系统的硬件部分设计 7
3.1 系统总体设计 7
3.2 系统的主要功能模块设计 7
3.2.1 浊度传感器模块设计 7
3.2.2 PH值监测模块设计 8
3.2.3 OLED模块设计 9
3.2.4 TDS传感器模块设计 10
3.2.5 Zigbee通信模块设计 11
3.2.6 AI模块设计 12
第4章 系统的软件设计 14
4.1 软件主流程图 14
4.2 PH值监测模块的软件设计 15
4.3 浊度监测模块的软件设计 15
4.4 ZigBee通信模块的软件设计 17
4.5 OLED显示模块的软件设计 18
4.6 AI模块的软件设计 19
第5章 系统测试 20
5.1 系统实物图 20
5.2 示例功能测试 20
第6章 总结与展望 24
参考文献 25
致 谢 27
附录A 28

第1章 绪论
1.1 研究目的及意义
随着科技的进步，经济的发展，水污染问题日益严重，生活用水安全问题也受到了广泛关注。人们已经不再仅仅满足于普通的温饱，而是希望可以过上更加舒适、安全、智能的生活。而生活用水与人们的身体健康息息相关，因此深受人们的关注，人们希望对自己常用的生活用水的水质有所了解，这就需要有一套智能的水质检测系统来满足人们对智能化生活和安全的追求。如果生活用水受到污染，将会对人们的生活造成巨大的不便，也会危害人们的身体健康，因此加强对生活用水的水质检测具有非常重要的现实意义。水质信息具有较强的时效性，水污染的发生也具有偶然性和突发性等特点，同时人工检测对人力的浪费也是极其大的。本课题是基于AIOT的水体富营养化监测系统设计，可以满足水质信息时效性的同时为人们提供便利和优质的水源。综述水体从寡营养状态逐渐演变成富营养状态的过程，分析水体富营养化成因和危害，进而对水体富营养的概念进行拓展，并结合全球范围的最新实例数据阐明水体富营养化的现状，针对目前常规性的水体富营养治理方案，强调植物生态修复的优势，尤其引入水生乡土木本植物进行综合治理的必要性。伴随着通讯技术、aiot技术的迅速发展，基于传感器捕获监测数据，通过bp神经网络预警模型实现监测预警水体富营养化机理的方法已成为可能。
课题研究的内容为基于AIoT的水体富营养化监测系统设计。该套系统主要由水质检测模块、AI模块、ZigBee通信、蜂鸣器、OLED、等部分组成；采用STM32单片机技术负责对水质检测模块采集到的参数进行采样和处理，经过AI模块对温度、N元素含量、pH值和浊度等水质参数进行分析，并根据预先设定的阈值进行判断。水质检测模块采集的数据传输到zigbee通信模块，zigbee通信模块通过运营商的Zigbee网络传输至互联网，通过互联网最终传输到上位机显示数据，采用电脑端作为上位机接受上位机的数据并显示，水质检测模块检测如浑浊度和pH值等水质情况，系统监测到水体的浑浊度过高，蜂鸣器提示，发送上位机警告信号；系统监测到水体的PH过高，开启碱性平衡投放设备；系统监测到水体的PH过低，开启酸性平衡投放设备；系统监测到水体的N元素含量过高，蜂鸣器提示，发送上位机警告信号，继电器模拟酸碱平衡设备。实现的功能如1.zigbee通信，电脑端上位机2.上位机：1）接收下位机数据，并显示；2)设定阈值：浑浊度、PH上下限、N元素含量3)接收到下位机发来的警告，弹窗示警；3.下位机：1）系统可实时监测水体的浑浊度状况，显示，并发送上位机；2）系统可实时监测水体的PH值状况，显示，并发送上位机；3）系统可实时监测水体的N元素含量状况，显示，并发送上位机；4)系统监测到水体的浑浊度过高，蜂鸣器提示，发送上位机警告信号；5)系统监测到水体的PH过高，开启碱性平衡投放设备；6)系统监测到水体的PH过低，开启酸性平衡投放设备；7)系统监测到水体的N元素过高，蜂鸣器提示，发送上位机警告信号。
1.2 国内外研究现状
对水资源方面国际上的研究人员在这领域对技术不断去探索创新。
在2022年，国内的研究人员谭华等人在《基于LabView监控的远程无线多参数水质监测系统设计》[7]中针对日益严重的水资源污染问题和人们对水资源进行有效监测的现实需求，他们设计了一个基于STM32嵌入式技术、Lo Ra技术和LabView虚拟仪器技术于一体的远程无线多参数水质监测系统，系统能对包括PH值、COD值、ORP值、浑浊度值、氨氮值和溶解氧值在内的六项水质参数进行远程实时监测，系统由下位机和上位机两部分组成，其中下位机由传感器采集模块、STM32主控模块和Lo Ra无线数传模块组成，而上位机由Lo Ra无线串口模块和LabView虚拟仪器监控界面组成，能对水质监测参数进行实时数值和波形显示、同时具有数据存储、阈值设定和报警功能，给用户带来非常直观的水质监测画面。经过测试表明，该系统具有采集效率高、灵活便捷、传输实时和远程监控等优点，具有较高的实用价值。
在2022年三月初，孟莉莉等人的团队在《基于NB-IoT和数据融合的分布式水质监测系统设计》中针对各分散式水质监测点，通过对关键技术的梳理分析，设计了一种基于NB-IoT的水质监测系统，以实现分布式水环境的实时监测、远程设备管理与智能控制、故障报警和水环境维护功能。同时，为了提高数据的准确性和减少网络流量，采用融合算法对采集的传感器数据进行去除误差和数据融合，提高了系统的测量精度和实时性，能够较好地满足分布式水质监测的要求。
在2022年七月初，周晶等人在《基于水下移动平台的多传感器水质监测系统研制》[11]中为了满足多种水环境的大范围、长期监测需求，高效获取并存储动态水质数据，开发了一种基于新型水下移动平台的多传感器融合水质监测系统。基于STM32系列微控制器开发了数据采集控制模块，该模块向水质传感器组件按照设定时序发出控制信号，实时读取传感器反馈的水质数据并处理。数据采集控制模块将处理后的水质数据通过蜂窝物联网模块上传至数据平台，实现实时的水质数据显示与保存。该装置可搭载于水下移动平台，适用于多种类型水域浅表层的水质数据采集和处理。测试结果表明，该系统不仅可以提升水质监测的便捷性与及时性，提高水环境生态监测水平，还可以为新工科背景下多传感器物联网状态监测与故障诊断课程提供实验平台。
在2021年Mazzeo Néstor的团队在《Empirical Modeling of Stream Nutrients for Countries without Robust Water Quality Monitoring Systems》研究基于两个案例研究,其中包括204个流域,收集了两个季节的营养和生物学数据。模型在局部条件下表现良好,由独立样本计算得到的误差较小。记录和预测的营养盐浓度均表明两地区均存在显著的水体富营养化风险,表现出农业集约化和人口增长对水质的影响。这些模式是对可持续土地利用规划进程的贡献,可有助于防止或促进土地利用转型以及农业生产和城市设计方面的新做法。利用二次信息实现模型的能力,这种方法易于以较低的成本收集,是这种方法最显著的特点。
在2022年Janreung Sutawas的研究团队在《A standalone photoVoltaic/battery energy-powered water quality monitoring system based on narrowband internet of things for aquaculture: Design and implementation》[4]提出了一种基于窄带物联网( NB-物联网)的养殖用独立光伏/蓄电池储能( BES )供电的水质监测系统。( 1 )采用光伏/ BES系统作为监测系统的主要能源系统。对光伏和BES容量进行了优化,以向监测系统提供不间断的电能,同时考虑到两项技术经济标准：最大可靠性指标( RI )和最低能源均衡成本( LCOE )。此外,为了提高PV / BES系统的恢复力,还进行了敏感性分析,考察了光伏发电和系统消费变化对RI的影响。( 2 )开发了基于NB - IoT的水质远程监测系统,对溶解氧、氢电位、温度、浊度、盐度等水质参数进行聚合,实现对严重水质的预警。随后,利用水质数据计算水质适宜性指数( WQSI )。此外,还安装了电气测量装置,测量光伏功率、系统消耗、BES功率、荷电状态等相关电气参数。然后利用Grafana对这些水质和电参数进行实时处理和可视化,供最终用户使用。该系统在泰国拉雍省的一个养殖池塘进行了测试。从能源系统观点出发,确定PV / BES系统的最佳技术经济规模为PV容量50 ? Wp,BES容量480 ? Wh,RI为100 %,最小LCOE为0.61 ? $ / kWh。实验结果表明,该系统能够连续稳定地运行,不失电。进一步,结果表明,该系统具有足够的通信可靠性,丢包率为0.89 %,能够对WQSI进行可靠的近实时监测。
经过查阅国内外资料，借鉴国内的研究人员谭华等人在《基于LabView监控的远程无线多参数水质监测系统设计》[7]中系统由上位机和下位机两部分组成，通过下位机的水质检测模块通过ZigBee通信模块发送到上位机，电脑端作为上位机接受上位机的数据并显示，水质检测模块检测如浑浊度和pH值等水质情况。引用孟莉莉等人的团队在《基于NB-IoT和数据融合的分布式水质监测系统设计》中的故障报警功能，系统监测到水体的浑浊度过高，蜂鸣器提示，发送上位机警告信号，系统监测到水体的TDS过高，蜂鸣器提示，发送上位机警告信号。基于Janreung Sutawas的研究团队提出了一种基于窄带物联网( NB-物联网)的养殖用独立光伏/蓄电池储能( BES )供电的水质监测系统中，我认为他们的设计理念不够完善，他们采用光照来提供电源储能，如果遇到连续阴雨天气就会影响设备运行，不满足实时监控水质的条件。

第2章 系统需求分析
2.1设计方案
本课题研究的内容为基于AIoT的水体富营养化监测系统设计。该套系统主要由水质检测模块、AI模块、ZigBee通信、蜂鸣器、OLED、等部分组成；采用STM32单片机技术负责对水质检测模块采集到的参数进行采样和处理，经过AI模块对温度、N元素含量、pH值和浊度等水质参数进行分析，并根据预先设定的阈值进行判断。水质检测模块采集的数据传输到zigbee通信模块，zigbee通信模块通过运营商的Zigbee网络传输至互联网，通过互联网最终传输到上位机显示数据，采用电脑端作为上位机接受上位机的数据并显示，水质检测模块检测如浑浊度和pH值等水质情况，系统监测到水体的浑浊度过高，蜂鸣器提示，发送上位机警告信号；系统监测到水体的PH过高，开启碱性平衡投放设备；系统监测到水体的PH过低，开启酸性平衡投放设备；系统监测到水体的N含量过高，蜂鸣器提示，发送上位机警告信号，继电器模拟酸碱平衡设备。
结构框图如下：