Arduino Nano 33 IoT：多参数水质监测仪（EC、pH、ORP）支持 BLE 与 PWA

项目概述

本项目将构建一款可测量电导率（EC）、酸碱度（pH）、氧化还原电位（ORP）及温度的水质监测设备，适用于水池、水培系统等场景。设备通过蓝牙低功耗（BLE）与网页通信，利用 Web Bluetooth API 在浏览器中直接读取数据，并将其打包为渐进式网页应用（PWA），可像原生应用一样安装到手机或桌面。

所有传感器模块均可在 ufire.co 购买。

核心概念解析

• EC / pH / ORP / 温度：水质监测的四大核心指标。EC 用于水培营养液浓度监测，pH 反映酸碱度，ORP 评估水体自净消毒能力。
• 蓝牙低功耗 (BLE)：一种低功耗无线协议，Arduino Nano 33 IoT 内置 BLE 与 Wi-Fi 双模块。
• Web Bluetooth：Chrome 与 Opera 浏览器实现的 API，允许网页直接与 BLE 设备通信，无需原生应用。
• 渐进式网页应用 (PWA)：具备离线访问、可安装、原生应用体验的网页技术，Android 与 iOS 支持细节略有差异。

硬件组装

修改 I2C 地址

uFire ISE 接口板默认 I2C 地址相同，项目使用两块（一块测 pH，一块测 ORP），需修改其中一块地址为 0x3E。详细步骤请参考官方文档。

Qwiic 连接

所有模块采用 Qwiic 连接系统，只需按顺序串联。使用一根 Qwiic 转公头线连接首个模块至 Nano 33 IoT：

• 黑线 → GND
• 红线 → 3.3V 或 5V
• 蓝线 → SDA (A4)
• 黄线 → SCL (A5)

注意：温度数据默认从 EC 板读取，请务必给 EC 板连接温度探头。所有探头通过 BNC 接口连接。建议将整套电路装入防水外壳。

软件架构

固件运行在 Nano 33 IoT 上，网页端使用 Vue.js 构建，无需后端。通信流程：

1. 网页通过 BLE 连接设备
2. 网页发送文本命令（如 ec）请求测量或校准
3. 设备执行命令，返回 JSON 格式数据（如 {"ec":1.24}）
4. 网页解析数据并更新界面

BLE 服务与特征值

定义一个服务（UUID: 4805d2d0-af9f-42c1-b950-eae78304c408）及两个特征值：

BLEStringCharacteristic tx_Characteristic("50fa7d80-440a-44d2-967a-ec7731ec736a", BLENotify, 20); // 设备→网页
BLEStringCharacteristic rx_Characteristic("50fa7d80-440b-44d2-967b-ec7731ec736b", BLEWrite, 20);  // 网页→设备

tx_Characteristic 启用 BLENotify，数据变化时主动通知网页；rx_Characteristic 启用 BLEWrite，允许网页写入命令。通过 rx_Characteristic.setEventHandler(BLEWritten, rxCallback) 注册回调处理接收命令。

文本命令协议

采用 uFire 官方 JSON 协议，示例：

• 网页发送：ec
• 设备返回：{"ec":1.24}

支持 EC、pH、ORP 读取与校准命令，详见官方文档。

网页端实现

前端使用 Vue.js + Bulma.css，无构建工具，直接浏览器运行。关键点：

• <link rel="manifest" href="manifest.json"> 引入 PWA 清单
• ble.js 封装 Web Bluetooth 连接、特征值订阅、数据收发
• 连接需用户点击按钮触发（安全策略），通过 navigator.bluetooth.requestDevice 筛选名为 "uFire" 的设备
• 每 5 秒自动轮询更新数据

PWA 打包步骤

1. 生成 manifest.json（可用 App Manifest Generator），设置 scope、start_url、display: "standalone"
2. 编写 service-worker.js 缓存静态资源实现离线访问
3. 生成多尺寸图标（可用 Favicon Generator）
4. 在 Vue mounted() 注册 Service Worker
5. 用 Lighthouse 审计验证 PWA 合规性

代码与资源

• 固件源码：GitHub 仓库
• 网页前端：同仓库 web 目录

原理图

所有模块通过 Qwiic 线串联，详见原理图。