1 选题背景与意义
水是生命之源，是维系生态系统平衡、保障社会经济可持续发展的基础性战略资源。随着全球工业化进程的加速、城市化率的提升以及农业生产规模的扩大，工业废水、生活污水的违规排放以及农业面源污染等问题日益突出，导致水体富营养化、重金属超标、有机物污染等水质恶化现象频发。据《2024年中国生态环境状况公报》显示，我国部分流域的劣Ⅴ类水体占比虽较往年有所下降，但在一些经济发达地区的支流及农村水环境中，水质污染问题仍未得到根本性解决，直接威胁到饮用水安全、食品安全以及公众健康。水质监测作为水污染防治的"眼睛"，是掌握水体污染状况、评估治理效果、制定环境政策的核心环节。传统的水质监测方式以人工采样结合实验室分析为主，该方式虽能获得较高精度的监测数据，但存在监测周期长、采样点有限、实时性差、人力成本高以及无法实现大范围连续监测等固有缺陷。例如，在应对突发性水污染事件时，人工监测往往难以快速定位污染源头、追踪污染扩散路径，导致应急处置措施滞后，造成更大的生态损失和社会影响。为突破传统监测方式的局限性，基于物联网（Internet of Things, IoT）技术的智能化水质监测系统成为研究热点。物联网技术通过将感知设备、通信网络、数据处理平台有机融合，能够实现对水质参数的实时采集、远程传输与智能分析。然而，在物联网水质监测系统的实际应用中，通信技术的选择直接决定了系统的覆盖范围、功耗水平、数据传输稳定性以及部署成本。目前主流的物联网通信技术如WiFi、蓝牙、4G/5G等，均存在明显的应用瓶颈：WiFi和蓝牙通信距离较短（通常不超过100米），且功耗较高，难以适用于大范围水域监测；4G/5G虽能实现远距离高速通信，但运营成本高，在偏远水域存在信号覆盖盲区，且终端设备功耗较大，无法满足长期无人值守监测的需求。LoRa技术作为一种低功耗广域网技术，其核心优势在于具备超远距离通信、超低功耗、抗干扰能力强以及低成本等特点。
解决大范围水域水质监测中的通信难题提供了理想的技术方案。基于LoRa的水质监测系统能够在复杂的水域环境中实现多个监测节点的数据远程传输，且无需频繁更换终端设备电池，大幅降低了系统的运维成本，为实现水质的常态化、精细化监测提供了可能，能够有效提升水质监测的智能化水平和应急响应能力，解决了传统人工监测"点少、时疏、滞后"的问题，使监管部门能够实时掌握水体水质动态变化情况，通过LoRa技术的超远距离通信和低功耗特性，使得系统能够轻松覆盖河流、湖泊、水库等大范围水域，尤其是在偏远山区、农村等网络基础设施薄弱的区域，无需额外铺设通信线路，降低了系统的部署成本，为水资源保护、水污染防治以及水生态修复工作提供有力的技术保障。
2 技术框架
LoRa检测节点+LoRa汇聚节点+WiFi通信技术+腾讯云平台+手机端小程序(LoRa一主一从)
3 实现功能
1、LoRa无线传感网络的构建：采用STM32单片机为主控芯片，搭载LoRa无线通信模块构建一主一从的无线传感网络实现水质检测与汇总。
2、水温监测：选用DS18B20防水型水温传感器实时监测水的温度；
3、浊度监测：选用TS-300B浊度传感器实时监测水的浊度情况；
4、PH检测：选用PH传感器实时检测水的酸碱度；
5、电导率监测：选用TDS电导率传感器实时监测水的电导率情况；
6、设定阈值：可以根据实际情况来通过按键或手机端设定水质环境的水温、浊度、PH、TDS的最佳阈值范围。
7、屏幕显示：通过屏幕显示检测的水环境的水质参数数据；
8、手动控制模式：可以通过按键或手机App控制舵机实现净水剂的投放。
9、自动控制模式：当监测到的水温、PH未处于设定阈值范围内，蜂鸣器报警提醒，并自动推送消息"水温或PH异常"给用户进行预警；当监测到的电导率或浊度高于设定阈值的最大值，并自动推送消息"电导率或浊度异常"给用户进行预警，蜂鸣器报警提醒，并自动打开舵机投放净水剂。
10、定时控制模式：可以通过手机端小程序设定时间每周对水内投放净水剂。
11、手机端远程监测：通过WiFi无线通信技术接入路由器将监测数据上传至腾讯云平台，用户可以通过电脑端云平台进行数据查看、曲线分析和查看数据记录，还可以通过手机端小程序进行数据查看、阈值设定、控制舵机和消息预警。
4 系统总体设计
基于 STM32 单片机的水质监测与远程控制系统框图，主要分为 "检测节点" 和 "汇聚节点" 两部分，实现水质数据的采集、传输、显示与远程交互。
1. LoRa 检测节点（采集）
核心是 "STM32 单片机（LoRa 检测节点）"，负责现场水质数据采集 + 本地执行：
- 输入模块（采集水质参数） ：
- 水温检测模块：采集水体温度；
- 浊度检测模块：检测水的浑浊程度；
- TDS 检测模块：检测水中总溶解固体（反映水质纯净度）；
- PH 检测模块：检测水的酸碱度。
- 输出 / 控制模块（本地响应） ：
- 舵机控制模块：可用于控制阀门、搅拌装置等硬件；
- 蜂鸣器模块：当水质参数异常时，本地发出报警。
2. LoRa 组网（数据传输）
检测节点的 STM32 通过 "LoRa 模块"，与右侧汇聚节点的 "LoRa 模块" 建立远距离无线通信（LoRa 适合长距离、低功耗场景），将采集到的水质数据传输到汇聚节点。
3. LoRa 汇聚节点（数据处理 + 交互）
核心是 "STM32 单片机（LoRa 汇聚节点）"，负责接收数据 + 本地交互 + 远程上传：
- 本地交互模块 ：
- 屏幕显示模块：实时显示检测到的水质参数；
- 按键控制模块：可手动操作（比如设置参数阈值、控制舵机等）；
- 蜂鸣器模块：若数据异常，汇聚节点也会同步报警。
- 远程上传模块 ：通过 "WiFi 通信模块"，以 "MQTT 协议" 将数据上传到 "腾讯云平台"，再通过 "手机端小程序" 实现远程查看水质数据、远程控制设备（比如远程触发舵机）。
系统整体功能
实现 "现场采集→无线传输→本地显示 / 报警→云端存储→手机远程监控" 的全流程水质监测与控制，适合农业灌溉、水产养殖、小型水厂等场景的水质管理。
5 实物效果图
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