曹云輝 張?chǎng)蝹?魯曉東

摘 要：河道水質(zhì)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是河道治理智能化的基礎(chǔ)。由于河道狹長(zhǎng)，水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分布廣，人工采樣效率低下。因此，設(shè)計(jì)一種短距離無線通信和GSM網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸方法，使分散的局域采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)通過GPRS接口自動(dòng)集中上傳到設(shè)定的遠(yuǎn)程服務(wù)器，最后由前端的APP實(shí)現(xiàn)對(duì)各采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的處理和可視化，實(shí)現(xiàn)了河道水質(zhì)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，提高了管理效率。

關(guān)鍵詞：無線通信;河道水質(zhì);云平臺(tái)

中圖分類號(hào)：X832? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）12-0136-03

1引言

舟山地處海島，四面環(huán)海，但卻是浙江省淡水資源最缺乏的地區(qū)，生產(chǎn)生活用水嚴(yán)重不足，年人均占水量是浙江省人均的四分之一。而隨著近十幾年來人們生產(chǎn)生活產(chǎn)生的廢水肆意排放，河道自我凈化速度已無法彌補(bǔ)水源的受污染程度，進(jìn)一步加劇了水資源短缺。因此河道水質(zhì)檢測(cè)顯得尤為重要，在河道水質(zhì)監(jiān)測(cè)當(dāng)中數(shù)據(jù)上傳云端實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)測(cè)更是現(xiàn)代化城市的重中之重。目前的水質(zhì)監(jiān)測(cè)通訊方案主要分為有線和無線兩種，其中無線通訊方案因其使用靈活且無需龐大的岸上設(shè)施等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛的使用。

無線通訊方案的選擇繁多[1-2]，如Lora無線通訊技術(shù)[3]，這是一種遠(yuǎn)距離的無線電技術(shù)，兼顧了低功耗和遠(yuǎn)距離兩個(gè)特點(diǎn)，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)15Km，但其缺點(diǎn)是城市中高樓林立會(huì)使其傳輸距離大打折扣，并且為了能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，Lora是以犧牲傳輸速率實(shí)現(xiàn)的，因此其傳輸速率相較于其他通訊方案較低。還有的使用北斗通訊技術(shù)[4]，這是利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獨(dú)有的短報(bào)文功能，通過衛(wèi)星將水質(zhì)信息發(fā)送至地面站再傳輸至服務(wù)器。使用北斗通信系統(tǒng)首先其數(shù)據(jù)的安全性更高并且在獲取水質(zhì)信息的同時(shí)也得到了每個(gè)節(jié)點(diǎn)精準(zhǔn)的位置信息，并且由于通信是使用衛(wèi)星因此不需要其他的傳輸網(wǎng)關(guān)并且沒有距離的限制甚至可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)城市間、整條河所有流域的水質(zhì)信息統(tǒng)計(jì)。但這個(gè)方案也存弊端，首先是成本較高，并且運(yùn)行時(shí)功耗較高對(duì)供電環(huán)境有較高要求。

因此本文基于上述通訊方案的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種短距離無線通信和GSM網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的河道水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法，在數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)上使用短距離的無線射頻模塊，而后在一個(gè)固定范圍內(nèi)部署一個(gè)搭載GPRS模塊的網(wǎng)關(guān)。利用短距離無線射頻模塊低功耗和高速率的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)的上報(bào)，利用GPRS模塊無距離限制傳輸?shù)奶攸c(diǎn)將水質(zhì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器，兩者相結(jié)合組成一個(gè)樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高效的河道水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、GPRS網(wǎng)關(guān)和云平臺(tái)三部分，如圖1所示。

其中數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)布置于河道內(nèi)，通過搭載各類傳感器采集河道水質(zhì)信息，并將采集的水質(zhì)信息通過射頻模塊發(fā)送給GPRS網(wǎng)關(guān)。GPRS網(wǎng)關(guān)作為中繼，將數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)的水質(zhì)信息，通過GSM發(fā)送至云平臺(tái)。采用射頻模塊加GPRS模塊的組合方式，僅一個(gè)GPRS網(wǎng)關(guān)便可收集一個(gè)區(qū)域內(nèi)N個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)通過2.4G射頻信號(hào)傳來的水質(zhì)數(shù)據(jù)，并上傳至云平臺(tái)。組成一個(gè)樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，從而實(shí)現(xiàn)一條河流的分河段布置網(wǎng)關(guān)全流域的數(shù)據(jù)采集。最后，云平臺(tái)作為系統(tǒng)的最上層，將對(duì)信息進(jìn)行處理并顯示在網(wǎng)頁端和APP端，實(shí)現(xiàn)底層的數(shù)據(jù)采集。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件框架如圖3所示，使用STM32F103C8T6為主控，該芯片基于Cortex-M3內(nèi)核最高工作頻率可達(dá)72MHz[5]，配備64K存儲(chǔ)器，板載兩個(gè)雙通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量傳感器的電壓值采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。PH傳感器使用上海雷磁E-201-C型復(fù)合電極，測(cè)量范圍0-14PH，精度0.001PH。TDS傳感器[6]使用中江電子有限公司的模擬TDS傳感器，測(cè)量范圍0～1000ppm，測(cè)量精度5%F.S.。兩個(gè)傳感器均為模擬量，通過ADC進(jìn)行采樣。溫度傳感器使用數(shù)字量DS18B20，采用單總線協(xié)議，測(cè)量范圍-55℃～+125℃。

3.2 GPRS網(wǎng)關(guān)

GPRS由于僅用于數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，因此使用較為經(jīng)濟(jì)的STC8A8K64S4。使用NRF24L01模塊用于接收數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，模塊使用2.4GHz頻段通過SPI于MCU通信，數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)電流約為10mA，待機(jī)或掉電模式下功耗將更低。GPRS模塊使用SIM800C四頻GSM/GPRS模塊嵌入式的TCP/IP協(xié)議，使用AT指令便可完成服務(wù)器鏈接和數(shù)據(jù)的發(fā)送。硬件框架如圖4所示。

4軟件設(shè)計(jì)

4.1 傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)搭載了各類傳感器如溫度傳感器DS18B20、PH傳感器、TDS傳感器，其中溫度傳感器為數(shù)字量傳感器，通過單總線協(xié)議發(fā)送指令獲取溫度信息。而PH傳感器、TDS傳感器和溶解氧傳感器均為模擬量傳感器，通過單片機(jī)的ADC模塊采集各個(gè)傳感器的電壓值，并根據(jù)各個(gè)傳感器的轉(zhuǎn)換公式計(jì)算出結(jié)果。最后將這些數(shù)據(jù)打包通過NRF24L01模塊發(fā)送給GPRS網(wǎng)關(guān)。程序流程圖如圖5所示。

4.2 GPRS通信系統(tǒng)

GPRS模塊使用AT指令，如表1所示，通過單片機(jī)串口進(jìn)行控制，在發(fā)送數(shù)據(jù)前首先需要通過AT指令設(shè)置GPRS模塊工作模式并連接云平臺(tái)。

GPRS網(wǎng)關(guān)程序流程如圖6所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，發(fā)送AT指令控制GPRS模塊進(jìn)入工作狀態(tài)并連接云平臺(tái)準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)網(wǎng)關(guān)接收到由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，發(fā)送AT指令使GPRS模塊進(jìn)入透?jìng)髂Ｊ讲⒔邮盏臄?shù)據(jù)發(fā)送至云平臺(tái)。

4.3云平臺(tái)

Node-Red[7]是由IBM開發(fā)的一款開源物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)項(xiàng)目，因其新穎的圖形化低代碼編程方式，全平臺(tái)通用等特點(diǎn)發(fā)展成為一種通用的物聯(lián)網(wǎng)編程工具。GPRS網(wǎng)關(guān)通過Node-Red平臺(tái)的TCP端口將數(shù)據(jù)上傳，平臺(tái)接收后使用解析函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并將數(shù)據(jù)通過Web顯示控件顯示。

5系統(tǒng)測(cè)試

學(xué)院文心湖為檢測(cè)對(duì)象，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)1與檢測(cè)節(jié)點(diǎn)2相距100米距離，檢測(cè)時(shí)間段分布在13時(shí)至14時(shí)。在指定位置放好檢測(cè)器，檢測(cè)器在水中工作起來。通過搭載的GPRS模塊將水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，通過云平臺(tái)有兩種方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。一個(gè)是Web網(wǎng)頁端如圖7所示，該時(shí)段節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2測(cè)定的數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)1測(cè)得湖水平均水溫14.8攝氏度、平均PH值為6.3、TDS（溶解性固體總量）131<300mg/L，由此可見該區(qū)域湖水的雜質(zhì)含量較少，未出現(xiàn)水質(zhì)污染的情況。

6結(jié)語

通過將短距離無線通信和GSM網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式，將實(shí)時(shí)的水質(zhì)信息通過GSM移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸至終端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了低成本、大范圍的水質(zhì)監(jiān)測(cè)。目前GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋十分廣泛，因此可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市河網(wǎng)或一條河流上中下游全流域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，為自動(dòng)化的河道水質(zhì)健康監(jiān)測(cè)和管理提供強(qiáng)有力的保障。此外，GPRS網(wǎng)關(guān)可以進(jìn)一步的優(yōu)化，如選擇功耗更低的NB-IoT技術(shù)[8]，使節(jié)點(diǎn)對(duì)供電要求更低且成本更低。

參考文獻(xiàn)：

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