基于物聯網的太湖水質檢測及預警系統研發

朱維琳,張超敏

(江蘇聯合職業技術學院 無錫機電分院,江蘇 無錫 214028)

1 引言

太湖流域附近的無錫、蘇州等城市淡水資源豐富,但由于其水質長期受到污染而淡水資源依然短缺。為保障湖岸居民用水安全,制定相關預防和處理方案已迫在眉睫。物聯網技術[1]應用于水污染防治的監測研究還處于起步階段,一方面缺乏實時獲取水環境動態變化的技術和手段,另一方面對于環境監測網站所獲取的當前數據及歷史數據的分析處理能力十分有限。

我國目前水環境發展情況研究的核心是水環境的數據信息,包含數據的每個步驟,即采集、傳送、處理包括展示等,第一步是從云平臺的數據里得到需要的平臺,接著是與智能化的相關控制技術相結合起來,最終完成大系統的智能決策[2]與控制要求。本研究充分利用3S、物聯網等有關技術,研發一種實時的檢測控制系統,做到對水環境系統數據的在線監控并進行相關的計算,在遇到突發狀況時可迅速反應和應對,從而為相關部門水環境治理提供相關技術支持。

2 系統整體設計

本研究結合國家水質監測的要求對湖泊和水庫的檢測參數進行系統設計,提出整體的性能指標,并結合國家相關的技術理論知識,對整體化的設計進行分層設計,最終確定整體設計方案。整個水質監測報警系統包括無線基站、傳感器節點、監控中心[3],系統的構成如圖1所示。

圖1 水質監測報警系統整體設計圖

監控中心的核心是服務器,其主要功能是在無線基站實時把傳感器節點得到的數據傳輸到服務器之后,對數據進行分析存儲,并實時反映被監控位置的狀態。傳感器采集現場的實時數據,通過MCU微處理器對數據進行分析處理后,再通過無線收發單元傳送到監控中心。被監控的場所和監控中心通過無線通信基站[4]實現數據的雙向無線通信,通過GPRS業務把數據上傳到互聯網,服務器可以從互聯網下載監控數據。

3 系統硬件設計

硬件設計包含監控平臺、GPRS無線通信基站、傳感器節點等。傳感器節點實現監控現場環境參數的采集,GPRS無線通信基站則用于監控數據的無線遠傳。其中,傳感器節點之間的無線通信通過射頻[5]一體化芯片SI4432實現,數據遠傳則通過GPRS模塊實現。硬件是軟件執行的平臺,良好的硬件性能是實現軟件功能的基礎。為了實現準確的參數測量,保證可靠的通信,硬件設計過程中須進行必要的電磁兼容設計。

GPRS[6]無線通信基站是水質檢測系統的重要組成部分,主要起到傳輸數據的作用,是節點傳感器與上位機之間數據交流的橋梁,其結構原理圖見圖2。SPI串口用于配置射頻收發電路,射頻收發電路采用的是SIM900A芯片。微處理器MCU仍選用C8051F410芯片,其他芯片的選型與傳感器總體結構設計中所選相同。GPRS無線通信模塊通過與MCU的外設接口相連,從而把相關數據傳輸給微處理器。

圖2 GPRS無線通信基站結構原理圖

4 系統軟件設計

對于整個系統而言,硬件電路和軟件兩者密不可分。軟件設計的好壞直接影響整個系統的運行。水污染防治預警系統軟件設計的核心功能有:傳感器節點與基站間的無線通信、GPRS無線通信數據的上傳、SI4432A[7]通信等。本研究設計主要在KEIL環境中來開發下位機軟件。

主站傳感器[8]肩負著數據采集的功能,通過SI4432無線收發模塊的廣播通信協議,主從站之間進行各種數據的傳輸,每個主站可與多個從站交換數據。主站不斷地將從站地址及對應配置信息廣播出來,如BY1800,第一個字節B表示從站編號,第二個字節表示是否更改周期,Y表示更改,N表示不更改;數據1800(秒)表示更改后的測量周期。主站工作流程設計圖見圖3,所有從站會在主站發送廣播從站地址及配置信息后,接收到該信息,但只有對應的從站接收到信息后,主站才會收到反饋信息,此時兩者之間建立聯系,從站緊接著發送測量數據信息,主站接收信息確認無誤后,繼續廣播下一個站點。

圖3 主站工作流程設計圖

5 Web網頁同MySQL數據庫的信息交互

本文設計的太湖水污染防治預警系統服務器采用新浪云的SAE平臺。Sina App Engine,簡稱SAE,是新浪云計算戰略的核心組成部分[9]。新浪云SAE平臺以PHP語言作為該平臺中所有應用的自主開發支持語言,用戶可以采用SVN、SDK或新浪云自身提供的Web版在線代碼編輯器進行程序的開發與調試。新浪云還為用戶提供了很多輔助的應用開發功能,大大減少了開發者的開發運營成本和開發風險。

太湖水質檢測與預警信息管理系統的主要部分是滿足監測需求、面向用戶的上位機信息管理系統。系統的關鍵在于上位機Web網頁界面與SAE平臺的MySQL數據庫[10]之間數據信息的交互,主要包括數據庫信息的提取、修改,提取是獲取監測數據,修改是改變測量參數。

在水質測量參數修改界面中輸入相應的信息,點擊確定按鈕,通過以下代碼來傳輸數據:

method="post"定義了測量參數信息以post方式傳輸,action="/xitong/1.php"鎖定后臺相關PHP程序,type="submit"定義了在form表單中創建的按鈕是實現數據提交功能的按鈕,點擊提交按鈕后,form表單內的內容被提交到后臺對應的PHP程序。所提交的測量參數數據樣式和數據庫中存儲的存在一定差異,需要對相關測量參數信息進行處理后再存入數據庫中。

后臺對應的PHP程序獲取到測量參數的修改信息,并對相關數據庫執行對應操作,關鍵代碼如下:

$Sensor_ID=$_POST[Sensor _IDg];

PHP程序通過$_POST函數獲取測量參數信息。首先新建一個字符串$ Sensor _ID;接著將頁面中輸入給'Sensor_ID'的傳感器節點號以POST的方法賦值給字符串$'Sensor_ID;最后再打開數據庫,執行對應的SQL語句,修改數據庫中相關的水質測量參數信息。

$sql=

"update Sensor_par set vperiod=′".$vperiod."′,celiangperiod=′".$celiangperiod."′,

Sensor_location=′".$ Sensor _location."′,historydata=′".$ historydata."′,

celiangdata_begin=′".$ celiangdata_begin."′,celiangdata_end=′".$ celiangdata_end."′ where Sensor_ID=".$ Sensor_ID."";

$con->runSql($sql);//執行SQL語句數據庫操作

上述語句就是水質測量參數的修改語句。

6 水質監測預警系統界面設計

水質監測預警系統界面設計包括水質監測測量參數設置界面設計、報警上下限界面設計和數據展示界面設計。參數設置界面的主要功能是輸入修改的參數,這些測量參數通過后臺PHP代碼傳輸到對應的數據庫并保存,如圖4所示。實時數據界面的形式如圖5所示,通過點擊信息管理系統中的歷史數據顯示界面的“實時數據顯示”,就可以采用超鏈接跳轉到對應的實時數據顯示界面。選取所需測量的參數的傳感器編號,傳感器檢測到的最新水質測量數據信息就可以自動實時顯示,也可以采用折線圖的形式來顯示不同水質測量節點數據的變化趨勢。設置每500 ms掃描一次,從而保證數據能快速動態地更新。

圖5 水質測量實時數據顯示界面

7 小結

基于物聯網的水污染防治預警系統的研究目前仍處于前期階段,無線傳感技術的持續創新和物聯網技術的不斷進步將推動這一領域向前發展。本研究暫時只完成了水污染防治預警系統的大體框架,基本能實現預期的主要功能,但整個水污染防治預警系統仍須繼續完善和改進。本研究在設計時沒有充分考慮系統的安全性,沒有對系統出現故障的時候工作情況進行分析,沒有考慮應如何防止故障的產生。同時,在能量問題上直接采用了電池模塊進行供電,存在一定的局限性。實際使用中,還需要考慮整個系統的續航能力和環保性,可以考慮采用太陽能、水能、風能等清潔能源進行供能。