一種基于物聯網技術的多功能采集系統

周賀松

摘 要：隨著物聯網技術的飛速發展，越來越多的行業開始引入物聯網技術，以提高行業的智能化、自動化水平。按照物聯網典型的三層結構（感知層、網絡層、應用層）搭建一套完整的物聯網系統需耗費較大的人力、物力成本。針對物聯網系統開發門檻高、研制周期長的現象，設計了一種包含采集終端、云服務器、Web應用的多功能物聯網采集系統。該系統具備應用范圍廣、開發周期短、占用人員少、便于移植等優勢，目前已在智慧農業、智能電力、新能源電池監測等領域得到了一系列應用，取得了較好的經濟效益和示范效應。

關鍵詞：物聯網技術;采集系統;采集終端;云服務器;Web應用;智慧農業;智能電力;新能源電池監測

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）05-00-03

0 引 言

多功能采集系統示意圖如圖1所示。采集終端通過

RS 485或者I/O接口收集到傳感器數據后，按照TCP協議把數據發送到云服務器;云服務器接收到數據后，按照特有的格式進行數據存儲;Web應用響應用戶操作，通過HTTP協議從云服務器獲取數據并在網頁或者微信公眾號顯示。

1 采集終端

采集終端可以選擇太陽能或220 V市電。太陽能供電方式適用于室外監測場所，220 V供電方式適用于室內有市電的場合。如圖2所示，按照電路功能可以把采集終端分為電源電路、數據采集電路、數據處理和存儲電路、數據傳輸電路[1-3]。

1.1 電源電路

圖3所示為電源輸入電路，該電源是整個采集終端的供電電源入口。若采用太陽能供電，J4處接太陽能板（輸出電壓為5 V、功率為3 W），J1處接3.7 V的18650鋰電池，鋰電池充電管理芯片采用TP4056;若采用220 V市電供電，則需要通過專用的AC/DC模塊把220 V市電轉為5 V后再接到J1處。

圖4所示為MCU供電電路，該電路用于把3.1～5 V的輸入電壓轉換成MCU所需的3 V電壓。此處采用低功耗、低噪聲、低壓降、小封裝的SGM2019-3.0YN5G/TR芯片。

圖5所示為傳感器供電電路，用于把輸入電壓升壓至傳感器所需的供電電壓，升壓芯片為XL6019。為降低功耗，XL6019由MCU開啟，在不需要給傳感器供電時關閉。該電路提供5 V，14 V兩種輸出模式，可以通過在R45，R46處焊接對應的0 Ω電阻。

圖6所示為通信模組供電電路，用于提供無線通信模組所需的電源，穩壓芯片為SPX29302，該電路可以根據不同的通信模組選擇不同的輸入電壓，同樣該芯片由MCU進行控制以降低功耗[4-6]。

1.2 數據采集電路

本采集終端可以采集模擬量（電壓、電流）和數字量

（RS 485接口、TTL接口）。模擬量采集采用STM32F103C8T6內部的12位A/D，可以選擇電壓或者電流兩種采集模式。數字量采集提供TTL串口和RS 485接口兩種方式，如圖7所示。

1.3 數據處理及存儲電路

如圖8所示，采集終端的核心處理器為STM32F103C8T6，提供了RTC精準時鐘（可通過服務器遠程校時）;數據存儲芯片為8 MB的W25Q64;RTC時鐘由紐扣電池和板載電源無縫隙切換供電，保證RTC時鐘的可靠性和長時間工作能力;存儲器的電源由MCU控制，在不需要數據存儲時可以關閉存儲單元的電源;為避免出現死機現象，啟用STM32的內部看門狗，保證采集終端不死機。

按照工作模式，可以分為實時模式和定時模式。在實時模式下，可以每秒鐘采集1次數據，在電腦端顯示。在定時模式下，可以設置2～720 min采集一次數據，數據采集完畢后，把數據傳輸到遠程服務器。

1.4 數據傳輸電路

采集終端可根據信號覆蓋情況，選擇GPRS，LTE，WiFi三種通信方式進行數據遠程傳輸。為便于升級和維護，此處只為通信模塊提供電源和TTL通信接口。

WiFi轉接板型號為ATK-ESP8266，GPRS轉接板型號為SIM800L，LTE轉接板型號為SIM7600CE。單片機通過AT指令集和通信轉接板進行通信。

2 云服務器

云服務器不僅需要處理來自Web端的HTTP請求，而且需要處理來自采集終端的TCP請求。本系統的云服務器部署在阿里云的ECS云服務器，以Spring MVC + Hibernate持久層+UI快速開發庫為基礎框架，采用面向聲明的開發模式，基于泛型方式編寫極少代碼即可實現復雜的數據展示、數據編輯、表單處理等功能。如圖1所示，云服務器包含數據采集服務器、數據服務器、Web服務器。

2.1 數據采集服務器

數據采集服務器通過TCP協議從采集終端獲取數據，通過系統內部的加密處理算法，將物理數據解析成通用的普遍數據，由數據服務器存儲。

數據解析架構基于開源框架JEECG修改，能實現代碼自動生成和手工合成半智能開發模式，可以提高開發效率。

2.2 數據服務器

數據服務器對來自采集服務器的數據進行加工處理，并把處理后的數據保存到MySQL數據庫中。數據服務器主要完成數據預處理、數據存儲和數據查詢等功能。

（1）數據預處理：對接收的數據進行格式化處理，使得數據能保存到數據庫中;

（2）數據存儲：根據預處理后的數據屬性，把數據保存到不同的數據庫表中;

（3）數據查詢：進行數據庫數據查詢，并把查詢結果返回給Web服務器。

2.3 Web服務器

Web服務器為終端用戶提供Web訪問服務，搭建Web應用與數據庫服務器和數據采集服務器的信息交換橋梁。主要實現數據查詢轉發和指令轉發等功能。

（1）數據查詢轉發：響應用戶在Web端的操作，對數據服務器進行數據查詢;

（2）命令轉發：響應用戶在Web端的操作，通過數據采集服務器把相應指令下發到采集終端。

3 Web應用

Web應用用于數據的顯示和報表繪制。考慮到平臺兼容性，本系統選用微信公眾號的方式。開發時選用響應式框架，組件間的通信為異步通信，可有效保證用戶操作的流暢性;采用開源的流行工具，保證代碼的可控性和健壯性。按照功能可以細分為三個單元。

（1）通信單元：該單元的主要功能是與服務器進行雙向通信，將本地請求上傳至云服務器，接收云服務器的回執并將該回執發送給數據處理單元;

（2）數據處理單元：將本地產生的數據或服務器產生的數據加工整理后，轉交給前端單元或通信單元;

（3）前端單元：處理用戶輸入，發送給數據處理單元，接收數據處理單元發回的數據，更改展示狀態。

圖9～圖11分別為該系統在智慧農業、智能電力、新能源等領域的應用界面。

4 結 語

本文基于物聯網技術設計的多功能采集系統，為農業、電力等傳統行業插上了信息化和智能化的翅膀，為新能源等新興產業提供了一種遠程監控手段。

參考文獻

[1]董明明，孫萬蓉，陳梓馥，等.基于RTU油井遠程測控系統的數據采集與傳輸層軟件設計[J].物聯網技術，2012，2（2）：25-29.

[2]陳梓馥，孫萬蓉，董明明，等.基于ARM9的RTU設計[J].物聯網技術，2012，2（3）：54-58.

[3]孟萌.基于Arduino的物聯網數據采集器設計與實現[D].北京：北京工業大學，2016.

[4]楊永平.基于GPRS的嵌入式數據采集系統設計[D].大連：大連理工大學，2007.

[5]曾偉淵.基于 Web Service 的物聯網數據平臺的設計與實現[J].電子技術與軟件工程，2015（20）：193-194.

[6]許吉祥.基于物聯網的數據采集系統軟件設計[D].成都：電子科技大學，2013.

[7]石躍祥，鐘喆，李錦泓.一種新型智能水表抄表系統[J].物聯網技術，2014，4（6）：16-18.

[8]黃穎，張偉.基于物聯網的智慧農業監控系統[J].物聯網技術，2017，7（4）：33-34.

[9]吳曉強，張春友，侍紅巖.情景感知在農業物聯網中的應用研究

[J].物聯網技術，2019，9（1）：34-36.

[10]張玉杰，王軒.微服務架構的城市照明控制系統服務平臺設計

[J].物聯網技術，2019，9（1）：48-51.