鄧 韋，黃金鑫，王 馳

(南京信息職業(yè)技術學院，江蘇 南京 210023)

1 需求分析

不斷發(fā)生的水污染事件讓人們對水環(huán)境的保護越來越重視，合理利用和防止水環(huán)境污染顯得格外重要。傳統(tǒng)的水質監(jiān)測方法操作復雜度高、成本高、實時性差以及具有偶然性等缺點，很難大范圍普及，也無法準確反映整個水體水質的變化過程，因此，需要新的水質監(jiān)測系統(tǒng)來更好地實現(xiàn)對水環(huán)境的監(jiān)測。

本文從水體水質的pH、溶氧度、溫度等的監(jiān)控著手，設計了一套實時水質監(jiān)控系統(tǒng)。利用不斷發(fā)展的物聯(lián)網和云計算、云存儲技術，采用Android工控板進行數(shù)據采集和處理，再通過4G網絡上傳到阿里云IoT平臺，利用瀏覽器訪問云平臺即可遠程實時查詢信息和管理[1]。

2 系統(tǒng)設計

從功能結構上，系統(tǒng)可以分為水質采集模塊、遠程通信模塊、公共云平臺、應用終端4個部分。通過多個傳感器，將水的pH、溶氧度、溫度等信息采集到安卓工控板，進行多路數(shù)據統(tǒng)一處理和無線傳輸。采集到的數(shù)據通過內嵌的4G傳輸模塊，經過4G傳輸網傳輸?shù)絀nternet中的物聯(lián)網云端服務平臺，存儲于云端服務平臺的數(shù)據庫中，系統(tǒng)應用終端可以是微信公眾平臺和Web平臺。通過上述4個部分完成了水質pH、氧氣濃度信息從監(jiān)測點到監(jiān)測中心的傳輸，再到應用終端的查看，實現(xiàn)了一個完整的水質遠程實時檢測系統(tǒng)結構[2]。系統(tǒng)總體結構框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構框架

3 系統(tǒng)硬件設計

硬件系統(tǒng)主要包括pH、溶氧度等檢測模塊、控制處理模塊、4G無線通信模塊等。在需要檢測的水資源中，按照面積需求部署一個或多個傳感器，將水的pH、溶氧度等信息采集到安卓工控板，進行多路數(shù)據統(tǒng)一處理和無線傳輸。采集到的數(shù)據通過內嵌的4G傳輸模塊傳輸?shù)教幱贗nternet中的物聯(lián)網云端服務平臺。工作人員利用Web平臺訪問云端服務器，實現(xiàn)對所監(jiān)測區(qū)域水質的實時查詢、歷史記錄查詢等數(shù)據的分析工作[3]。系統(tǒng)硬件結構設計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件組成

3.1 傳感器

系統(tǒng)采用的pH數(shù)字傳感器和溶氧數(shù)字傳感器均為上海諾博環(huán)?？萍加邢薰旧a的新一代智能水質監(jiān)測數(shù)字傳感器。(1)pH傳感器，維護簡便、高精度，高穩(wěn)定性，抗干擾能力強，能精確測量溶液中的pH和溫度值，測量范圍為0～14 pH，1～100 ℃，測量精度為±0.02)pH，(±0.3)℃。(2)溶氧數(shù)字傳感器，精確測量溶液中的溶解氧含量(DO)值和溫度值，測量范圍為0.0～20.0 mg/L，1.0～100.0 ℃，精度為溶解氧(±0.5%)FS、溫度(±0.3)℃。

3.2 Android工控板和4G無線通信模塊

系統(tǒng)采用嵌入式控制主板USR-ECB400A，集成了4G無線通信模塊，提供長距離雙向數(shù)據通信。將各種傳感器采集到的信息進行多路數(shù)據統(tǒng)一處理后，按照指定的通信協(xié)議將數(shù)據遠程上傳到監(jiān)測中心云服務器，最后，將數(shù)據保存到后臺云數(shù)據庫中[4]。

3.3 傳感器與工控板之間的連接

系統(tǒng)中數(shù)字傳感器采用的RS485電平信號，嵌入式控制主板USR-ECB400A采用的是TTL電平信號，所有在兩者之間使用XY-K485板進行透傳，實現(xiàn)了TTL電平信號與RS485電平信號的互轉。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 系統(tǒng)實現(xiàn)功能

水質監(jiān)測系統(tǒng)能夠實現(xiàn)水體水質情況的24小時全天候智能化無人監(jiān)測、遠程實時在線監(jiān)測水質情況；可通過Web平臺對水源的pH、溶氧值等信息進行實時查詢、歷史數(shù)據查詢、生成趨勢變化曲線以及進行其他數(shù)據的分析。

4.2 軟件設計流程

系統(tǒng)定時進行水質監(jiān)測，其他時間處于休眠狀態(tài)。水質傳感器定時采集水質數(shù)據，并上傳至工控板；工控板對數(shù)據進行預處理后，通過無線傳輸至阿里云IoT平臺。系統(tǒng)軟件設計流程如圖3所示。

圖3 軟件設計流程

5 公共云平臺

系統(tǒng)采用阿里云IoT平臺作為云端數(shù)據的存儲處理中心。設備終端把采集到的pH、溶氧量值等信息通過Internet網絡以MQTT協(xié)議數(shù)據包格式上傳給平臺，并接收平臺的MQTT數(shù)據包指令。

在阿里云物聯(lián)網平臺中建立連接，需要在云端創(chuàng)建產品和對應設備。為了保證傳輸數(shù)據的安全性和可靠性，每個設備需要具備物聯(lián)網平臺頒發(fā)的憑證才能連接，憑證內容包含 ProductKey，DeviceName，DeviceSecret，在云服務器中可以找到對應信息。設備憑證是設備與物聯(lián)網平臺交流的重要依據，需要在工控板程序中進行相關加載。工作人員在物聯(lián)網平臺的設備管理端可以查看數(shù)據信息，實現(xiàn)對所監(jiān)測區(qū)域水質的實時查詢、歷史記錄查詢等數(shù)據的分析工作。物聯(lián)網平臺數(shù)據顯示如圖4所示。

圖4 物聯(lián)網平臺數(shù)據顯示

6 系統(tǒng)測試與應用

該系統(tǒng)在某市某公司的水源進行實驗。對水源的溶氧度值進行監(jiān)測后，利用應用終端Web平臺訪問云端服務器進行實時數(shù)據查詢，授權用戶可以查詢到所有終端數(shù)據。1小時內的數(shù)據統(tǒng)計如圖5所示。

7 結語

本文基于傳感器、4G、嵌入式等技術以及對阿里云平臺應用的研究，設計了基于阿里云平臺的實時水質監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據遠程傳輸、實時數(shù)據采集、數(shù)據管理分析、設備信息顯示等功能。此外，該系統(tǒng)具有低功耗、實時性、成本較低、可擴展性強、適用性廣等獨到優(yōu)勢，應用前景廣闊。

圖5 1小時內的數(shù)據統(tǒng)計