【挑战三】关注水质安全，关爱饮水健康——基于ESP32的实时水质监测系统 简单

1 项目背景与功能需求分析

1.1 项目背景

在一些农村、山区的生活饮用水，采用自建水塔、水箱的方式。但由于水塔/水箱未能及时清理，易滋生细菌和杂质。

1.2 功能需求分析

项目任务：实时对水塔、水箱水质TDS、浊度的变化进行监测，并能把数据上传到MQTT服务器上，可实现实时动态地记录水塔/水箱水质的变化情况，以便管理人员随时了解水质情况，为管理人员对水塔、水箱等供水设备的清洗与维护时机提供决策依据。

2 硬件介绍

使用FireBeetle ESP32-E作为主控，通过Mind+编程，通过TDS传感器、浊度传感器实时采集水质数据，发送到MQTT服务器，实时动态记录监测水质的变化情况。

输入：TDS传感器、浊度传感器，实现对水质TDS值、浊度数据的采集；

输出：向MQTT服务器实时发送水质TDS值、浊度数据。

2.1 控制器：FireBeetle ESP32-E（DFR0654-F）

FireBeetle ESP32-E是一款基于ESP-WROOM-32E双核芯片的主控板，它专为IoT设计。它支持WIFI和蓝牙双模通信并具有体积小巧、超低功耗、板载充电电路、接口易用等特性。可灵活的用于家庭物联网改装、工业物联网改装、可穿戴设备等等。通过和IFTTT等物联网平台的连接，你可轻松制作出你独有的特色物联网智能家居系统。

FireBeetle ESP32-E深度支持ArduinoIDE编程，并且即将支持Scratch图形化编程及MicroPython编程。 我们提供了详细的在线教程和应用案例，以及上千种免焊接的Gravity接口传感器与执行器，可轻松上手制作，大幅度降低你的学习时间。邮票孔的设计，让它可以方便的嵌入你设计的PCB上，大大缩减你的原型开发成本以及原型测试时间。

2.2 Gravity: 模拟TDS传感器（SEN0244）

这是一款arduino兼容的TDS传感器，用于测量水的TDS值，TDS数值可反应水的洁净程度，可应用于生活用水、水培等领域的水质检测。

TDS (Total Dissolved Solids)，中文名：总溶解固体，又称溶解性固体总量，表明1升水中溶有多少毫克溶解性固体。一般来说，TDS值越高，表示水中含有的溶解物越多，水就越不洁净。因此，TDS值的大小，可作为反映水的洁净程度的依据之一。

3.3~5.5V的宽电压供电，0~2.3V的模拟信号输出，使得这款产品兼容5V、3.3V控制系统，能非常方便的接到现成的控制系统中使用。测量用的激励源采用交流信号，可有效防止探头极化，延长探头寿命的同时，也增加了输出信号的稳定性。TDS探头为防水探头，可长期浸入水中测量。

2.3 Gravity: 模拟水质浊度传感器（SEN0189）

浊度传感器利用光学原理，通过测量溶液中的透光率和散射率来综合判断溶液浊度情况，从而达到检测水质的目的。传感器内部是一个红外线对管，当光线穿过一定量的水时，光线的透过量取决于该水的污浊程度，水越污浊，透过的光就越少。

2.4 SCI数据采集模块（DF0999）

Gravity: SCI采集模块是一款多功能数据采集模块，目前已支持温湿度、大气压等常见的20余种传感器模块集成了屏幕显示、传感器自动识别、数据存储、RTC时钟、数据处理等探究实验中的常用功能。传感器数据可通过板载的屏幕进行显示和查看，板载16M存储空间，可将传感器数据实时存储下来，通过RTC时钟可为每条存储的数据打上精确时间标签，最后，SCI采集模块会将输出的数据格式标准化，接入任意传感器时，UNO、行空板等控制器都可以使用同一个代码获取到传感器的数据。SCI采集模块极大的降低了传感器数据的获取难度，能够使用户们将更多的精力放在数据分析和处理上，助力老师们更好的进行跨学科项目教学。

3 设计思路

主控：FireBeetle ESP32-E开发板。

实现功能：连接Wifi，连接MQTT服务器，读取A0口浊度传感器数据，通过I2C读取SCI数据采集模块采集的TDS传感器数据，将读取到水质的TDS值、浊度值发送到MQTT服务器。

模块1：TDS传感器。

实现功能：采集水质TDS值。

模块2：浊度传感器。

实现功能：采集水质浊度值。

模块3：SCI数据采集模块。

实现功能：采集TDS传感器数据，通过I2C端口发送到ESP32-E开发板。

4 SIOT平台

SIoT是一个针对学校场景的开源免费的MQTT服务器软件，可一键创建本地物联网服务器，摆脱联网困扰。

4.1下载并运行SIOT服务

下载链接（版本V1.2）：

https://download3.dfrobot.com.cn/SIoT/SIoT1.2_win.zip

将压缩包解压到电脑上，运行SIoT_windows_1_2.exe程序。

4.2管理SIOT

浏览器访问http://127.0.0.1:8080/地址，打开SIOT web管理页面

 输入账号：siot，密码：dfrobot。

5 实物接线图

5.1 TDS传感器

TDS传感器与ESP-E 开发板A4端口连接

5.2浊度传感器

浊度传感器与SCI采集模块A0端口连接，SCI采集模块I2C端口与ESP32-E开发板I2C端口连接

6 各功能对应的主要代码片段及说明

6.1加载浊度传感器用户库、SCI采集模块用户库

本项目用到的用户库：模拟浊度传感器用户库、SCI数据采集模块用户库

模拟浊度传感器用户库通过本地加载。

SCI数据采集模块用户库加载地址：https://gitee.com/liliang9693/ext-sci

6.2加载Wifi模块、MQTT模块

6.3连接到wifi

6.4 设置MQTT参数

6.5连接到MQTT

6.6串口打印输出，发送TDS值、浊度值到MQTT

7功能展示及说明

7.1 TDS值、浊度值采集功能

将TDS传感器探头、浊度传感探头放入水中，即可实现对水质TDS、浊度的采集。

7.2串口打印功能

通过串口可以查看水质TDS值和浊度值。

7.3 MQTT数据记录与查看功能

登录SIOT服务器，可以看到项目ID：Water

点击“查看设备列表”，即可看到设备：“TDS”、“Turbidity”（浊度）

7.3.1 查看TDS数据功能

点击TDS后的“查看消息”，即可实时查看TDS数据

7.3.2查看浊度数据功能

点击”Turbidity“后的“查看消息”，即可实时查看浊度数据

8 总结与改进方向

8.1 小结

本项目实现了实时采集TDS值、浊度值，并实时发送到SIOT服务器的基本功能。养殖人员通过查看SIOT服务器TDS值、浊度值，可实时掌握养殖水质情况。当发现养殖水质较差时，可以及时进行更换养殖水，更换或者清洗滤材等。

8.2 改进方向

本项目可通过修改程序，也可实现当水质TDS值、浊度值超过某一设定的阈值报警，向SIOT服务器上传TDS值、浊度值；也可以增加OLED显示屏实现本地实现检测水质情况；还可以增加蜂鸣器、喇叭等，实现语音播报、报警等功能。