物聯網技術在河流監測系統中的應用

楊亞軍　張辛波　吳必造

摘要：本文研究的重點為RTU部分，首先詳細介紹了系統的河流監測系統的核心部分RTU的硬件設計流程，包括硬件的整體設計和硬件各模塊的設計;然后是軟件實現過程，包括軟件的整體設計，并詳細介紹了采集模塊和傳輸模塊的軟件業務流程。最后結合云端對整個系統的性能進行了綜合測試，證明了本文設計的河流監測系統能實現實時采集和無線上傳數據，并在云端展示的功能。

[關鍵詞]物聯網河流監測單片機嵌入式

1引言

隨著物聯網的發展，每個真實的物體都可以通過電子標簽連入互聯網，形成一個龐大的物聯網，最保守的預測認為在2045年將會有超過1千億的設備連接在互聯網上。因此物聯網未來將會改變和影響我們的工作生活各個方面。水是生命之源，隨著我國工業化進程的逐步加速，隨之而來的水污染問題也是不容忽視的。綠樹青山就是金山銀山，也就是水污染問題已經成為制約我國經濟發展和人民健康長壽的關鍵問題。而我國在在水污染治理這方面相較于發達國家起步晚且存在一定的差距。雖然市場上目前存在許多水質監測儀，能監測水質的綜合指標，但我國目前多數河流的監測都是采用儀器采集人工讀取的方式。這樣并不能完全做到實時監控河道情況，也增加了人員開銷，還不便于綜合數據后期對河道水質進行綜合分析。

為了解決實時智能監測河流中水的溫度、PH、電導率、溶解氧、濁度、氨氮、總磷、總氮、COD、葉綠素、藍綠藻等;以及河岸的岸線雨量、河道水位與流量。綜合了嵌入式技術以及物聯網技術，設計了一個基于嵌入式的低功耗河流監測系統。系統主要分為RTU（RemoteTerminalUnit）遠程終端設備和云端系統兩部分。RTU的主控模塊采用M6Y2C核心控制板和ARM控制芯片;采集模塊預留ADC接口，RS485接口以及I0接口三種類型的傳感器接口，外接傳感器來采集河流的水位、水量以及水質等信息;然后將采集到的數據暫存在存儲模塊中;并通過通信模塊將數據通過4G、2G或NB三種模式向云端發送數據;最終在云端可以查看RTU傳輸上來的各項河流數據。

2河流監測系統的硬件設計

RTU設備硬件要實現對水中的溫度、PH、電導率、溶解氧、濁度、氨氮、總磷、總氮、COD、葉綠素、藍綠藻等;以及河岸的岸線雨量、河道水位與流量進行監測，并通過傳輸模塊實現實時上傳到云端服務器上。因此本小節首先根據需求設計架構，再具體分析每個模塊的功能。

2.1RTU設備整體架構方案

RTU設備要實現對水中狀態進行監測就需要采集傳感器，要實現實時上傳到云端就需要設計傳輸模塊。在進行系統設計時要注意以下幾個要點：

（1）要根據待采集的水質特征選擇不同的傳感器，并統計不同傳感器的接口類型在RTU設備中預留一定數量的冗余采集接口;

（2）要確保RTU設備所采集到的數據能最大可能的傳送到云端服務器，因此在進行系統設計時要考慮到向云端傳輸數據模塊的冗余;

（3）選擇核心處理器時要考慮處理器能性能，在性能上能支撐同時處理多傳感器的數據的情況下盡量控制成本。下一小節中將具體介紹RTU系統的硬件模塊的設計;

（4）要充分的考慮模塊的供電冗余問題，保障模塊的運行穩定性。

2.2RTU設備的硬件節點設計

根據2.1章節的設計要求，RTU設備的硬件節點的整體架構如圖1所示。主要包含如下幾個重要的部分：

（1）主控模塊：主控模塊負責系統的流程控制，綜合考慮性能的成本，本文選用NXPi.MX6ULL，該主控SoC基于Cortex-A7核心，帶有8路串口接口、2路百兆以太網接口、2路ADC接口和豐富的存儲接口，能充分滿足本文的設計要求。

（2）接口部分：采集傳感器接口包括ADC接口，RS485接口以及IO接口。其中ADC接口用以外接模擬傳感器;RS485接口用以外接基于Modbus協議的傳感器，如水紋傳感器、水質傳感器;IO接口用來接開關量傳感器，如雨量傳感器。硬件設計上最多可支持外接傳感器為64個，且支持三種接口不同類型傳感器，充分考慮了傳感器接口冗余的問題，可擴張展性較好。網絡接口為RJ45接口，用以外接網絡攝像頭，實時監控河流狀態。

（3）存儲模塊用來本地暫時存儲RTU設備所采集到的各種數據然后通過傳輸模塊發送到云端，主要包括：傳感器數據、視頻圖片、以及本地視頻數據等，并且支持循環覆蓋最早的視頻。

（4）通訊模塊：通訊模塊分為傳輸模塊和Wi-Fi模塊。先介紹傳輸模塊，傳輸模塊是將RTU設備采集到的數據向云端進行傳輸。通信模塊可用4G、2G、NB三種模式向云端進行無線數據傳輸。在數據傳輸過程中做了健壯處理，數據首先采取4G模式進行無線傳輸，若傳輸失敗;則采用2G模式進行傳輸若傳輸失敗;則采用NB模式進行傳輸。Wi-Fi模塊用于本地局域網連接，嵌入式Wi-Fi模塊向RTU設備附近發射一個局域網，當設備出現問題遠程不能解決時，可本地登錄RTU設備的Web界面進行狀態瀏覽，查看錯誤代碼方便檢修，減少了設備運維過程中的復雜度。

（5）備用電池，雖然設備運行的地方前會先鋪設線路供電采用市電供電，但如若市電出現停電或者電壓不穩等供電故障的問題，則電源會自動切換為電池供電。為設備的穩定運行提供了雙保險。

3河流監測系統的軟件設計與實現本小節主要介紹：

3.1軟件模塊設計

系統軟件的設計框圖如圖2所示，從下到上依次為：硬件層、操作系統層（開發環境是基于Linux操作系統）、以及應用層。

硬件層主要包括第2小節中介紹的各模塊的硬件部分模塊這里就不再贅述;

開發環境是基于Linux操作系統的將Linux操作系統移植到單片機上面可以減少不必要的開發，將復雜的東西交給系統去處理。開發人員可以將放在關注點更多的放在軟件設計上而不必過多的關注底層硬件的東西;

應用層，應用層位于Linux操作系統之上，在邏輯上分為如下五個業務模塊：數據采集業務模塊、數據傳輸業務模塊、Web應用模塊、視頻模塊以及升級模塊。由于篇幅有限本文會詳細介紹兩個應用層的兩個核心業務模塊，分別是數據采集業務模塊和數據傳輸業務模塊。

3.2采集模塊業務模塊程序設計

采集負貴對中水的溫度、PH、電導率、溶解氧、濁度、氨氮、總磷、總氮、COD、葉綠素、藍綠藻等;以及河岸的岸線雨量、河道水位與流量進行監測，監測傳感器的業務流程圖如圖3所示。

以一次數據采集過程為例，模塊上電后流程分為如下幾步：

（1）主控模塊開始讀取傳感器的初始信息;

（2）然后監測傳感器信道是否空閑，如果正在傳輸數據則等待;

（3）若信道空閑則輪詢下接的所有傳感若傳感器未打開則繼續輪詢等待;

（4）若傳感器打開則定時采集數據時間

是否已到，本系統設置的采集周期是XXX，若采集周期未到則繼續輪詢等待;

（5）若采集周期時間已到則設置傳感器

通道模式為BUSY并采集傳感器數據，采集完成后將數據發送到代發區等待發送;

（6）對待發區數據進行采集，然后存儲在存儲模塊中。采集完成后將傳輸通道值設為空閑即IDLE狀態。

3.3傳輸模塊業務模塊程序設計

傳輸模塊負貴將存儲模塊暫存的采集到的傳感器數據，通過無線的方式發送到云端。發送模塊的軟件業務流程圖如圖4所示。

以一次發送數據的過程為例：

（1）首先讀取系統初始配置，本模塊中初始配置為先優先選擇4G模式發送數據，其次2G，最后是NBiot模式;

（2）做發送數據前的準備先和云平臺通信建立聯系;

（3）等待定時發送數據時間若時間未到則繼續等待。

（4）若定時時間到，即需要向云端傳輸數據則發送數據。

（5）若數據沒有成功傳送出去則依次再嘗試采用2G和NBiot模式傳送數據。若三次嘗試都失敗，則再次重新發送。

（6）若數據發送成功，則判定是否處于周期上報模式，若是則關閉和云端的無線通信通道，進入休眠，等待下一個傳送周期的時間到再喚醒重復傳送過程。

（7）若不是周期上報模式，則保持與云端的數據通信通道連接，保持監聽，需要及時向云端上傳數據。

4系統的性能測試

前面的第2和第3小節已經介紹了河流檢測系統RTU設備的軟硬件設計，本章接種我們將RTU設備通過網絡和云端結合并進行測試實驗分析。

4.1RTU實驗裝置

RTU設備的成品如圖5所示。采用24v直流電源供電。上端有四個傳輸接口，分別是4G接口，NB接口，WiFi接口以及預留的GNSS（GlobalNavigationSatelliteSystem）衛星導航定位模塊。下端是電源接口和三種不同類型的傳感器接口，分別是ADC接口，RS485接口以及I0接口用于外接采集傳感器。

4.2結合云端的采集傳送測試

將RTU設備放置于河邊實驗環境中，通過手機登錄云平臺查看數據可以查看采集到的各項數據，包括水的溫度、PH、電導率、溶解氧、濁度、氨氮、總磷、總氮、COD、葉綠素、藍綠藻等;以及河岸的岸線雨量、河道水位與流量。但文中由于篇幅有限，此處僅以兩張水溫和PH值的圖片為例，如圖6所示。

從圖6可以看出2019年3月15日從15：57-17：53這個時間段內每5分鐘云端收到一個河水的PH值，這段時間內河內的PH在7.0-7.1之間波動;從2019年3月13日從13：22-16：27這個時間段內每5分鐘云端收到一個河水的溫度值，河水的溫度在9.0-9.1之間波動。

通過測試結果可以看出本文設計的河流監測系統是可以實現對河流狀態的監控.通過RTU中的采集模塊外接各種功能的采集傳感器進行數據采集，然后數據暫存到存儲模塊中，并通過傳輸模塊定時向云平臺傳輸傳感器采集到的各項數據。最終通過云平臺進行展示。

5總結

文中通過對河流監測系統的RTU設備的硬件部分的功能分析，和軟件部分的程序設計，并結合云平臺性能測試證明，河流監測系統可以達到對河流的水質情況和河岸環境進行監控的目的。

將RTU設備下端的傳感器接口外接各種不同類型的傳感器，可以采集河水的溫度、PH、電導率、溶解氧、濁度、氨氮、總磷、總氮、COD、葉綠素、藍綠藻等;以及河岸的岸線雨量、河道水位與流量。將采集到的傳感器數據暫存到存儲模塊中，然后通過傳輸模塊以4G、2G或NBIoT模式與云端連接并進行數據傳輸。最終在云端進行數據的展示。同時RTU設備在設計時考慮了供電冗余問題，正常情況采用市電供電，當市電輸入不能支持設備運行時比如停電或者電壓不穩時，可以自動切換為電池供電，增強了系統的可靠性。同時RTU設備還預留了網絡攝像頭接口可以支持網絡攝像頭;預留了GNSS模塊接口，在環境復雜的情況下可以定位到RTU的具體位置;RTU設備還內置Wi-Fi模塊，當遠端不能解決模塊故障時，便于運維人員進行現場檢修，而不需要拆掉RTU設備，就能通過RTU設備發送出的Wi-Fi登錄Web界面查看故障原因，提高了運維人員運維效率。

綜上，本文設計的RTU河流監測設備可以實現對河流進行實時監測的目的，并做到了電源冗余，無線傳輸冗余，支持三類不同類型接口的傳感器，支持GNSS，支持本地Wi-Fi檢修等功能，具有創新性和較強工程應用價值。

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