基于Air720模塊對水污染處理器數據采集及無線傳輸的研究

吳月崢 潘樂樂 薛寶奇 張青雨 武曉彤 沈艷霞 魏慧賢

摘 要：針對傳統水污染監測系統數據傳輸效率低、數據傳輸實時性差的問題，基于Air720模塊設計了一種水污染處理器數據采集及無線傳輸系統。該系統將信號處理技術與無線傳輸技術相結合，主要由采集終端、云服務器終端以及移動終端三個模塊組成。采集終端實現數據采集功能，通過使用云平臺實現信號處理與數據無線傳輸，文中詳細介紹了數據采集過程及通信實現方式。與傳統的水污染監測系統相比，所提系統極大地提高了數據的傳輸效率，保證了數據傳輸的實時性，為水污染處理器的遠程監測與自動控制系統的開發奠定了基礎。

關鍵詞：Air720;信號處理技術;無線傳輸技術;水污染處理器;遠程監測;自動控制

中圖分類號：TP271文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）10-00-03

0 引 言

隨著社會經濟的不斷發展，我國水污染情況已不容樂

觀[1]。在傳統水污染檢測與處理中，數據傳輸需要將檢測到的數據發送至管理中心的后方服務器上進行分析與處理，耗時費力，且數據傳輸多采用有線方式，實現復雜，成本高。隨著現代信息技術的快速發展與不斷完善[2]，物聯網技術得到了廣泛應用，數據的無線傳輸越來越顯示出其強大的優勢。將數據的無線傳輸方式運用于水處理檢測系統中，可大大減少耗能，增加數據報告終端的靈活性，打破有線傳輸的局限性，且數據的傳輸速率也得到了大幅提升，保證了數據的實時性與有效性。

電解箱是一種新型水污染處理設備，體積小、效率高，在區域性污水處理場合有廣闊的應用前景[3]。該設備中，水溫是影響污水處理的重要因素之一，因此本文采用Air720模塊提出一種水溫的數據采集和無線傳輸系統，詳細介紹了水溫的采集過程與通信實現。

1 系統基本架構

本文系統主要包括采集終端、云端服務器終端及移動終端。其中，采集終端主要使用模擬量水溫傳感器，云端服務器終端采用Air720模塊，移動終端為手機客戶端。系統基本架構如圖1所示。

采集終端實現對電解箱水溫的實時采集，Air720模塊將采集到的數據發送至云端服務器進行儲存，云端服務器將接收的數據按次序存入自身數據庫，并把最新數據顯示在服務器端的網頁界面上，移動端獲取頁面上的數據[4]。

云服務器終端的核心為Air720模塊，Air720是合宙通信近期推出的LTE Cat.4模塊，具備USB上網、標準AT以及Lua腳本二次開發等多種開發方式[5]。Air720模塊集成了多個工業接口，可同時接入多種設備，且支持多種驅動，使得數據的接收、處理以及發送能夠同時進行，且當收到的數據較多時，該模塊可將數據存儲在一個固定的存儲器模塊內。在網絡使用方面，Air720全面支持中國移動的網絡制式，可實現網絡之間的無縫隙切換。Air720使用的MIMO技術保證了數據的傳輸速率以及準確性[6]。利用通信協議接入OneNET平臺，從而在網頁和手機端實時觀察水溫數據。

2 數據采集

為準確、直接地測量水溫，數據采集模塊選用模擬量水溫傳感器，連續輸出模擬量的溫度，使得對水溫的探測更為準確直接。但模擬量水溫在傳輸過程中易受干擾，因此需要將模擬水溫轉化為數字水溫進行無線傳輸。

模數轉換需要經過采樣、量化和編碼過程，其原理如圖2所示。

2.1 采樣過程

2.2 量化過程

模擬水溫信號進行采樣過程后，連續模擬信號變為時間離散模擬信號，仍需要進行量化才能變成數字水溫信號。

量化分為均勻量化與非均勻量化兩個過程[8]，均勻量化的量化間隔是均勻的，即若采樣信號的取值范圍為a～b，量化的電平數為M，則量化間隔為。對于該種量化方式，由于污水處理過程中所采集到的信號并非恒定，信號強度往往會隨著時間變化而發生變化，因此當信號較小時，會造成信號的“量造比”較小，導致信號在傳輸過程中出現嚴重失真。為克服此缺點，本文系統使用非均勻量化的方式。

2.3 編碼過程

考慮系統中水溫的變化范圍較小，使用8位2進制即可表示水溫的所有范圍。因此，模數轉換的編碼過程采用逐次比較型編碼器進行PCM編碼，該編碼器可將輸入的模擬水溫脈沖編制出相應的8位二進制代碼，完全滿足系統需求。

3 無線傳輸

3.1 數據協議

為實現溫度采集功能，在OneNET平臺進行操作。OneNET云平臺提供公開協議產品和私有協議產品。其中，公開協議產品有HTTP，EDP，MQTT，MODBUS等多種協議可供選擇[9]，本文使用HTTP協議，協議格式如下：

POST /devices/1078739/datapoints？type=5 HTTP/1.1

api-key：bryNsFvy26sbj91Isu5mHXp332fwIvtc=

Host：api.heclouds.com

Contents-Length：10

，;pm2.5，89

第一行：“POST”（注意空格）為本文采用的HTTP方法，意思是新增資源信息。

“/devices/1078739”是設備API地址的后半部分。“/datapoints？type=5”是數據格式，只有3，4，5這三種，系統中采用數據格式3。

第二行：“api-key：”后面是設備API-key。

第三行：“Host”是訪問的網址，即設備API地址的前半部分。

第四行：數據長度。

第五、六行：皆為空行。

第七行：傳輸的數據。

HTTP方法描述見表1所列。

3.2 上位機通信核心主要流程

上位機與下位機實現數據傳輸的主要算法流程如圖3所示。

4 結果分析

當Air720連接到OneNET平臺時，將對數據進行傳輸，傳輸頻率為每5 s進行一次。數據通過在OneNET平臺上設置的數據流查看，同時可創建應用，使其能夠在手機查看，對所需數據進行相應的設置，即引入所需數據流。數據流如圖4所示，應用的創建如圖5所示。

5 結 語

我國的水資源極度缺乏，人均水資源占有量與世界人均水資源占有量相比更甚[10]，而且我國水資源污染嚴重，因此合理處理污染水以此開發新的水源具有重要意義。而傳統的污水監測處理系統效率低且精度不高，很難高質量地解決污水問題，且由于供電電壓不穩定，易造成機器損壞。本文通過使用Air720模塊、溫度傳感器等硬件，實現對水污染處理器的數據采集與快速、準確傳輸，以及對污水全天候、實時的動態監測，且系統操作簡單，便于安裝，適用性強，并可實現遠程監控。與傳統水污染監測系統相比，該系統極大地提高了數據傳輸效率，保證了數據傳輸的實時性，為水污染處理器的遠程監測與自動控制系統的開發奠定了基礎。

參 考 文 獻

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[5]合宙通信.Air720 4G LTE 開發板 - 合宙Luat，ASR 4G模塊[EB/OL].[2018-08-13] . http：//www.openluat.com/Product/4g/S720.html.

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