基于阿里云IoT平臺(tái)的實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧 韋，黃金鑫，王 馳

(南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)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(duì)水環(huán)境的保護(hù)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(zhì)監(jiān)測(cè)方法操作復(fù)雜度高、成本高、實(shí)時(shí)性差以及具有偶然性等缺點(diǎn)，很難大范圍普及，也無法準(zhǔn)確反映整個(gè)水體水質(zhì)的變化過程，因此，需要新的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境的監(jiān)測(cè)。

本文從水體水質(zhì)的pH、溶氧度、溫度等的監(jiān)控著手，設(shè)計(jì)了一套實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)。利用不斷發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算、云存儲(chǔ)技術(shù)，采用Android工控板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，再通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳到阿里云IoT平臺(tái)，利用瀏覽器訪問云平臺(tái)即可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查詢信息和管理[1]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從功能結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)可以分為水質(zhì)采集模塊、遠(yuǎn)程通信模塊、公共云平臺(tái)、應(yīng)用終端4個(gè)部分。通過多個(gè)傳感器，將水的pH、溶氧度、溫度等信息采集到安卓工控板，進(jìn)行多路數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理和無線傳輸。采集到的數(shù)據(jù)通過內(nèi)嵌的4G傳輸模塊，經(jīng)過4G傳輸網(wǎng)傳輸?shù)絀nternet中的物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)平臺(tái)，存儲(chǔ)于云端服務(wù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)應(yīng)用終端可以是微信公眾平臺(tái)和Web平臺(tái)。通過上述4個(gè)部分完成了水質(zhì)pH、氧氣濃度信息從監(jiān)測(cè)點(diǎn)到監(jiān)測(cè)中心的傳輸，再到應(yīng)用終端的查看，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的水質(zhì)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[2]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要包括pH、溶氧度等檢測(cè)模塊、控制處理模塊、4G無線通信模塊等。在需要檢測(cè)的水資源中，按照面積需求部署一個(gè)或多個(gè)傳感器，將水的pH、溶氧度等信息采集到安卓工控板，進(jìn)行多路數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理和無線傳輸。采集到的數(shù)據(jù)通過內(nèi)嵌的4G傳輸模塊傳輸?shù)教幱贗nternet中的物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)平臺(tái)。工作人員利用Web平臺(tái)訪問云端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)所監(jiān)測(cè)區(qū)域水質(zhì)的實(shí)時(shí)查詢、歷史記錄查詢等數(shù)據(jù)的分析工作[3]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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)保科技有限公司生產(chǎn)的新一代智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)字傳感器。(1)pH傳感器，維護(hù)簡(jiǎn)便、高精度，高穩(wěn)定性，抗干擾能力強(qiáng)，能精確測(cè)量溶液中的pH和溫度值，測(cè)量范圍為0～14 pH，1～100 ℃，測(cè)量精度為±0.02)pH，(±0.3)℃。(2)溶氧數(shù)字傳感器，精確測(cè)量溶液中的溶解氧含量(DO)值和溫度值，測(cè)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(jù)通信。將各種傳感器采集到的信息進(jìn)行多路數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理后，按照指定的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程上傳到監(jiān)測(cè)中心云服務(wù)器，最后，將數(shù)據(jù)保存到后臺(tái)云數(shù)據(jù)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(hào)，嵌入式控制主板USR-ECB400A采用的是TTL電平信號(hào)，所有在兩者之間使用XY-K485板進(jìn)行透?jìng)鳎瑢?shí)現(xiàn)了TTL電平信號(hào)與RS485電平信號(hào)的互轉(zhuǎn)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水體水質(zhì)情況的24小時(shí)全天候智能化無人監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)水質(zhì)情況；可通過Web平臺(tái)對(duì)水源的pH、溶氧值等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、生成趨勢(shì)變化曲線以及進(jìn)行其他數(shù)據(jù)的分析。

4.2 軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)定時(shí)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，其他時(shí)間處于休眠狀態(tài)。水質(zhì)傳感器定時(shí)采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，并上傳至工控板；工控板對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，通過無線傳輸至阿里云IoT平臺(tái)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程

5 公共云平臺(tái)

系統(tǒng)采用阿里云IoT平臺(tái)作為云端數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)處理中心。設(shè)備終端把采集到的pH、溶氧量值等信息通過Internet網(wǎng)絡(luò)以MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)包格式上傳給平臺(tái)，并接收平臺(tái)的MQTT數(shù)據(jù)包指令。

在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中建立連接，需要在云端創(chuàng)建產(chǎn)品和對(duì)應(yīng)設(shè)備。為了保證傳輸數(shù)據(jù)的安全性和可靠性，每個(gè)設(shè)備需要具備物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)頒發(fā)的憑證才能連接，憑證內(nèi)容包含 ProductKey，DeviceName，DeviceSecret，在云服務(wù)器中可以找到對(duì)應(yīng)信息。設(shè)備憑證是設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)交流的重要依據(jù)，需要在工控板程序中進(jìn)行相關(guān)加載。工作人員在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的設(shè)備管理端可以查看數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)所監(jiān)測(cè)區(qū)域水質(zhì)的實(shí)時(shí)查詢、歷史記錄查詢等數(shù)據(jù)的分析工作。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示如圖4所示。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示

6 系統(tǒng)測(cè)試與應(yīng)用

該系統(tǒng)在某市某公司的水源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)水源的溶氧度值進(jìn)行監(jiān)測(cè)后，利用應(yīng)用終端Web平臺(tái)訪問云端服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢，授權(quán)用戶可以查詢到所有終端數(shù)據(jù)。1小時(shí)內(nèi)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖5所示。

7 結(jié)語

本文基于傳感器、4G、嵌入式等技術(shù)以及對(duì)阿里云平臺(tái)應(yīng)用的研究，設(shè)計(jì)了基于阿里云平臺(tái)的實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理分析、設(shè)備信息顯示等功能。此外，該系統(tǒng)具有低功耗、實(shí)時(shí)性、成本較低、可擴(kuò)展性強(qiáng)、適用性廣等獨(dú)到優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。

圖5 1小時(shí)內(nèi)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)