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基于物联网的水质监测系统设计与实现：React前端、Node.js后端与TCP/IP协议的云平台集成（代码示例）

news 2025/7/7 5:46:52

一、项目概述

随着环境保护意识的增强，水质监测在水资源管理和污染防治中变得尤为重要。本项目旨在设计一个基于物联网的水质监测系统，能够实时监测水中的pH值、溶解氧、电导率和浊度等参数，并将数据传输至云端，以便进行分析和可视化。该系统采用低功耗设计，适合在各种环境中长期稳定工作，具有良好的扩展性和用户友好的界面。

二、系统架构

为了满足项目的需求，系统架构选择如下组件和技术：

微控制器：采用 ESP32，具备Wi-Fi和蓝牙功能，支持多任务处理。
传感器：包括pH传感器、溶解氧传感器、电导率传感器和浊度传感器，能够全面监测水质。
通信技术：使用 Wi-Fi 进行数据传输到云端。
数据管理与云服务：选择 AWS IoT 作为云平台，使用 DynamoDB 存储数据。
前端技术：开发 React 前端应用，提供实时监控和数据可视化功能。
后端技术：使用 Node.js 搭建RESTful API，以便与前端和云服务交互。

系统架构图

三、环境搭建

根据系统架构的技术栈，环境搭建的步骤如下：

ESP32开发环境：

安装 Arduino IDE。
在Arduino IDE中添加ESP32开发板支持，依次选择 文件 -> 首选项，在“附加开发板管理器网址”中添加以下链接：
```
https://dl.espressif.com/dl/package\_esp32\_index.json
```
进入 工具 -> 开发板 -> 开发板管理器，搜索并安装 ESP32。

AWS IoT 环境：

注册AWS账号，并登录AWS管理控制台。
创建一个 IoT设备，并下载设备证书和密钥。
配置AWS IoT策略，允许设备发布和订阅消息。

Node.js环境：

在本地机器上安装 Node.js。

使用npm初始化项目：

mkdir water_quality_monitoring
cd water_quality_monitoring
npm init -y

安装所需依赖：

npm install express aws-sdk body-parser cors

前端环境：

使用 create-react-app 创建React项目：

npx create-react-app water-quality-frontend
cd water-quality-frontend

四、代码实现

在这一部分，我们将实现水质监测系统的代码，涵盖ESP32微控制器的数据采集和传输、Node.js后端API的实现以及React前端应用的基本结构。

1. ESP32微控制器代码

代码示例

以下是ESP32的代码示例，用于读取传感器数据并将其发送到AWS IoT。代码中包含读取pH传感器、溶解氧传感器、电导率传感器和浊度传感器的逻辑。

#include <WiFi.h>
#include <AWS_IOT.h>
#include <DHT.h>// Wi-Fi配置
const char* ssid = "your_SSID";  // Wi-Fi名称
const char* password = "your_PASSWORD";  // Wi-Fi密码// AWS IoT配置
const char* host = "your_aws_iot_endpoint";  // AWS IoT端点
const char* thingName = "your_thing_name";  // IoT设备名称
const char* privateKey = "-----BEGIN PRIVATE KEY-----\n...\n-----END PRIVATE KEY-----\n";  // 私钥
const char* certificate = "-----BEGIN CERTIFICATE-----\n...\n-----END CERTIFICATE-----\n";  // 证书AWS_IOT awsIot;// 假设传感器连接在模拟引脚
const int pHSensorPin = 34;  // pH传感器引脚
const int doSensorPin = 35;  // 溶解氧传感器引脚
const int ecSensorPin = 32;   // 电导率传感器引脚
const int turbiditySensorPin = 33;  // 浊度传感器引脚void setup() {Serial.begin(115200);WiFi.begin(ssid, password);// 连接到Wi-Fiwhile (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {delay(1000);Serial.println("Connecting to WiFi...");}Serial.println("Connected to WiFi");// 连接到AWS IoTawsIot.begin(host, thingName, privateKey, certificate);
}void loop() {// 读取传感器数据float pH = readPHSensor();float doValue = readDOSensor();float ecValue = readECSensor();float turbidity = readTurbiditySensor();// 打印到串口Serial.printf("pH: %.2f, DO: %.2f mg/L, EC: %.2f µS/cm, Turbidity: %.2f NTU\n", pH, doValue, ecValue, turbidity);// 创建JSON字符串String payload = String("{\"pH\":") + pH + ",\"DO\":" + doValue + ",\"EC\":" + ecValue + ",\"Turbidity\":" + turbidity + "}";// 发布到AWS IoTawsIot.publish("water_quality_data", payload.c_str());delay(60000);  // 每60秒发送一次数据
}// 读取pH传感器的函数
float readPHSensor() {// 模拟读取传感器值，实际应用中应替换为真实读取逻辑return analogRead(pHSensorPin) * (5.0 / 1023.0); // 示例转换
}// 读取溶解氧传感器的函数
float readDOSensor() {// 模拟读取传感器值return analogRead(doSensorPin) * (5.0 / 1023.0); // 示例转换
}// 读取电导率传感器的函数
float readECSensor() {// 模拟读取传感器值return analogRead(ecSensorPin) * (5.0 / 1023.0); // 示例转换
}// 读取浊度传感器的函数
float readTurbiditySensor() {// 模拟读取传感器值return analogRead(turbiditySensorPin) * (5.0 / 1023.0); // 示例转换
}

代码说明

Wi-Fi连接：

使用WiFi.begin(ssid, password)连接到指定的Wi-Fi网络，使用循环检查连接状态。

AWS IoT连接：

使用awsIot.begin(...)初始化与AWS IoT的连接，传入设备的端点、名称、私钥和证书。

数据采集：

在 loop() 函数中，调用 readPHSensor()、readDOSensor()、readECSensor() 和 readTurbiditySensor() 函数以读取各个传感器的值。这些函数将模拟读取的传感器值转换为相应的实际数值，示例中使用了一个简单的线性转换公式（实际应用中应根据传感器特性进行相应调整）。

数据格式化：

使用 String payload 创建一个 JSON 字符串，包含 pH、溶解氧 (DO)、电导率 (EC) 和浊度 (Turbidity) 的数据。这个 JSON 字符串将被发送到 AWS IoT。

数据发布：

使用 awsIot.publish("water_quality_data", payload.c_str()) 将格式化后的数据发布到指定的主题 "water_quality_data"。此主题可以在 AWS IoT 控制台中用于监控和分析数据。

数据发送频率：

使用 delay(60000) 设置每次数据发送之间的间隔为 60 秒。根据需要，可以调整这个时间以满足项目的需求。

2. Node.js 后端 API 实现

为了处理来自 ESP32 的数据，我们需要在 Node.js 中创建一个简单的 RESTful API。该 API 将接收来自 AWS IoT 的数据并存储到 DynamoDB。

代码示例

以下是 Node.js 后端代码的示例：

const express = require('express');
const bodyParser = require('body-parser');
const AWS = require('aws-sdk');
const cors = require('cors');const app = express();
const port = 3000;// AWS DynamoDB配置
AWS.config.update({region: 'us-east-1', // 替换为您的区域accessKeyId: 'your_access_key_id',secretAccessKey: 'your_secret_access_key'
});const dynamoDB = new AWS.DynamoDB.DocumentClient();
const tableName = 'WaterQualityData'; // DynamoDB表名app.use(cors()); // 允许跨域请求
app.use(bodyParser.json()); // 解析JSON请求体// 接收来自ESP32的数据
app.post('/data', (req, res) => {const { pH, DO, EC, Turbidity } = req.body;const params = {TableName: tableName,Item: {id: Date.now(), // 使用时间戳作为唯一IDpH: pH,DO: DO,EC: EC,Turbidity: Turbidity,timestamp: new Date().toISOString() // 添加时间戳}};dynamoDB.put(params, (err) => {if (err) {console.error("Unable to add item. Error JSON:", JSON.stringify(err, null, 2));res.status(500).send("Error saving data");} else {console.log("Added item:", JSON.stringify(params.Item, null, 2));res.status(200).send("Data saved successfully");}});
});app.listen(port, () => {console.log(`Server running at http://localhost:${port}`);
});

代码说明

依赖模块：

使用 express 创建一个简单的 HTTP 服务器，使用 body-parser 解析 JSON 格式的请求体，使用 cors 处理跨域请求。

AWS SDK配置：

使用 AWS.config.update 设置 AWS 区域和访问密钥，使用 DynamoDB.DocumentClient 连接到 DynamoDB。

POST路由：

定义一个 /data POST 路由，该路由接收 ESP32 发送的水质数据。在路由中，提取请求体中的 pH、DO、EC、Turbidity 数据。

数据存储：

使用 dynamoDB.put() 方法将接收到的数据存储到 DynamoDB 表中。每个数据项包含一个唯一的 ID（使用当前时间戳）和传感器读取值以及时间戳。

错误处理：

如果存储数据时出现错误，返回 500 状态码并发送错误信息；如果成功，返回 200 状态码并发送成功消息。

3. React 前端应用

前端部分将使用 React 框架开发一个用户界面，允许用户查看水质监测数据。

代码示例

// src/App.js
import React, { useEffect, useState } from 'react';
import axios from 'axios';
import './App.css';function App() {const [data, setData] = useState([]);const [error, setError] = useState('');useEffect(() => {const fetchData = async () => {try {const response = await axios.get('http://localhost:3000/data'); // 假设有一个GET接口返回数据setData(response.data);} catch (err) {setError('Error fetching data');console.error(err);}};fetchData();const interval = setInterval(fetchData, 60000); // 每60秒刷新一次数据return () => clearInterval(interval); // 清理定时器}, []);return (<div className="App"><h1>水质监测数据</h1>{error && <p>{error}</p>}<table><thead><tr><th>时间</th><th>pH值</th><th>溶解氧 (DO)</th><th>电导率 (EC)</th><th>浊度</th></tr></thead><tbody>{data.map((item) => (<tr key={item.id}><td>{item.timestamp}</td><td>{item.pH}</td><td>{item.DO}</td><td>{item.EC}</td><td>{item.Turbidity}</td></tr>))}</tbody></table></div>);
}export default App;

代码说明

状态管理：

使用 useState 钩子管理 data 和 error 状态。data 用于存储水质监测数据，error 用于存储错误信息。

数据获取：

使用 useEffect 钩子在组件挂载时和每次更新时获取数据。通过 axios 库发送 GET 请求到 /data 接口（假设后端实现了这个接口以获取存储的数据）。
每60秒调用一次 fetchData 函数，以确保数据保持最新。

错误处理：

如果请求失败，设置错误状态，显示错误信息。

数据展示：

使用 HTML 表格展示水质监测数据，表头包括时间、pH值、溶解氧 (DO)、电导率 (EC) 和浊度。
使用 map() 方法遍历 data 数组，生成表格行，显示每个数据项的详细信息。

样式：

在 src/App.css 中可以添加样式以美化界面，例如：

.App {text-align: center;margin: 20px;
}
table {margin: 0 auto;border-collapse: collapse;width: 80%;
}
th, td {border: 1px solid #ddd;padding: 8px;
}
th {background-color: #f2f2f2;
}

4. 数据可视化

为了使数据更具可读性和可视化，可以使用 Chart.js 库绘制图表。以下是如何在上述应用中添加图表的示例：

安装依赖

npm install chart.js react-chartjs-2

更新代码示例以添加图表

下面的代码将绘制 pH 值、溶解氧 (DO)、电导率 (EC) 和浊度的折线图，使用 Chart.js 来可视化数据。

完整代码示例

// src/App.js
import React, { useEffect, useState } from 'react';
import axios from 'axios';
import { Line } from 'react-chartjs-2';
import './App.css';function App() {const [data, setData] = useState([]);const [error, setError] = useState('');useEffect(() => {const fetchData = async () => {try {const response = await axios.get('http://localhost:3000/data'); // 假设有一个GET接口返回数据setData(response.data);} catch (err) {setError('Error fetching data');console.error(err);}};fetchData();const interval = setInterval(fetchData, 60000); // 每60秒刷新一次数据return () => clearInterval(interval); // 清理定时器}, []);// 准备图表数据const chartData = {labels: data.map(item => item.timestamp), // X轴为时间戳datasets: [{label: 'pH值',data: data.map(item => item.pH),borderColor: 'rgba(75,192,192,1)',backgroundColor: 'rgba(75,192,192,0.2)',fill: true,},{label: '溶解氧 (DO)',data: data.map(item => item.DO),borderColor: 'rgba(255,99,132,1)',backgroundColor: 'rgba(255,99,132,0.2)',fill: true,},{label: '电导率 (EC)',data: data.map(item => item.EC),borderColor: 'rgba(54,162,235,1)',backgroundColor: 'rgba(54,162,235,0.2)',fill: true,},{label: '浊度',data: data.map(item => item.Turbidity),borderColor: 'rgba(255,206,86,1)',backgroundColor: 'rgba(255,206,86,0.2)',fill: true,},],};return (<div className="App"><h1>水质监测数据</h1>{error && <p>{error}</p>}<div><h2>水质监测趋势</h2><Line data={chartData} /></div><table><thead><tr><th>时间</th><th>pH值</th><th>溶解氧 (DO)</th><th>电导率 (EC)</th><th>浊度</th></tr></thead><tbody>{data.map((item) => (<tr key={item.id}><td>{item.timestamp}</td><td>{item.pH}</td><td>{item.DO}</td><td>{item.EC}</td><td>{item.Turbidity}</td></tr>))}</tbody></table></div>);
}export default App;

代码说明

引入 Chart.js：

使用 import { Line } from 'react-chartjs-2' 引入折线图组件，允许在应用中绘制图表。

准备图表数据：

每个数据集都有 label（图例名称）、data（数据点数组）、borderColor（线条颜色）、backgroundColor（填充颜色）和 fill（是否填充区域）属性。
在组件中创建 chartData 对象，该对象包含 labels 和 datasets。
labels 使用时间戳作为 X 轴的标签。
datasets 是一个数组，包含不同传感器数据的配置：