基于5G的濕地水質遠程監測系統設計

摘要 ：濕地水質數據監測是生態保護的一個重要數據來源，然而濕地保護區的人工監測數據采集危險性高、采集難度大、調查周期長。為解決上述問題，本文設計了基于5G的水質遠程監測系統，為環保部門提供濕地水質實時數據，保護生態環境提供數據支持。該系統以STM32f103為核心控制器，采用多種傳感器監測電導率、溶解氧、濁度、葉綠素、高錳酸鹽、氨氮。為了能對濕地水質數據的遠程檢測，本文通過5G無線通信模塊采集數據發送至監控中心服務器上。

關鍵詞： 5G;STM32 物聯網;遠程監測;水質監測

一、引言

在新時代科學發展觀的指導下，我國對環境保護和可持續發展的科學理念日漸重視與成熟，近十年國家環保部門連續印發了《國家環境保護標準“十三五”發展規劃》、《自然保護區生態環境保護成效評估標準（試行）》等相關文件，自上而下地著力解決環境污染及治理的問題。在國家相關文件的指導下，針對河流、湖泊及濱海濕地等領域的污染治理與生態恢復和水源地保護[1]及污水監測系統被研發使用[2-3]。

現今的人工智能以及遠程無線網絡通信等技術不斷更新，濕地污染治理受到國家重視，因此污水監測設備智能化也是大勢所趨[4-5]，基于無線網絡的水質監測系統——遠程監測系統也得到迅速發展。

自20世紀70年代起，西方一些發達國家由于其科技高速發展，在遠程檢測污水方面研究成果引領了全球的前進方向，先后開發了針對不同環境以及不同污染物元素的監測設備[6]。在亞洲，污水遠程監測技術領域，日本目前可以說首屈一指，大阪污水遠程監測系統就是一個非常典型的案例[7]。目前，部分發展中國家的污水遠程監測信息系統在其國內已普遍使用[8]。

我國環境污水監測儀器還處在發展初期。各地各部門都在積極的建設遠程信息化水質監測系統，隨著我國國力增強、科技進步，許多具有自主研發能力并能與國外知名企業相媲美的設備生產企業也發展起來，環境遠程監測的設備與系統逐漸向智能化、網絡化及自動化發展[10-15]。

為了解決我國環保部門監管難的情況，本文設計了水質遠程監測系統。該系統具有設計結構簡單，技術先進，安裝維護方便等特點。運用本系統監測濕地水質情況，進而結合相應的環境指標和減排節能的目標，制定出合理的保護措施。

二、系統硬件總體設計

系統由多個傳感器對水質數據采集后，把信號傳到核心處理器STM32進行處理，轉換數據格式，然后再通過串口連接5G模塊，通過5G網絡給監測中心傳送數據。用軟件實現數據的實時顯示與存儲等。系統結構框圖如圖1所示：

圖1? ? 系統結構框圖

（一）核心處理器STM32

本文控制電路核心部件是STM32系列里的STM32F103芯片，該單片機是ST公司基于ARM內核設計研發的32位單片機，可滿足研發者對高實時性、低功耗和經濟性的苛刻要求。

本設計選用LQFP封裝的芯片， 電源僅2.0～3.6V電壓供電即可。該芯片提供了豐富的片上資源及外接引腳，如：64KB的片內RAM，片上集成了A/D轉換器、D/A轉換器、串行總線、SPI總線、CAN總線、I2C總線、USB接口等。其工作頻率可達到72MHz，可以承受-40℃～85℃的溫度范圍。

要實現控制功能，STM32單片機最小系統與所有其他的單片機控制系統一樣，需要設計電源電路、軟硬件復位電路、時鐘電路、下載電路及I/O接口電路。本設計的下載/調試接口選用了SWD模式，該模式接線簡單下載速度快。更適合于開發應用的是可以實現在線調試，為開發者檢驗調試程序提供了方便的可視界面及操作環境。SWD模式的下載速度最高可達2MHz/s，接線僅需兩根[16]。采用SWD模式下載/調試適配器，一方面減少了接口電路占用的引腳，另一方面在線調試提高了開發效率。

（二）電源轉換電路

電源電路即供應給用電芯片電力的電源部分的電路設計，使用的電路樣式及特點，既有交流電源也有直流電源。由于STM32需要的電源指定為3.3V，而其他一些芯片需要5V或者12V，所以在設計外部電路時需要對供電電源進行升壓和降壓的操作。

（三）水質監測模塊

根據濕地保護標準中對水質監測的需要，水質監測模塊集成了電導率、溶解氧、濁度、葉綠素、高錳酸鹽、氨氮多個傳感器。傳感器的采集原理各不相同，但最終數據均轉換為電信號傳輸出來，本設計中數據輸出格式為標準的Mod-Bus協議，該通信協議傳輸穩定，準確率高，適用于模塊與主控間的數據傳遞。

（四） 5G模塊

5G模塊采用方為通訊公司的FT141型號模組，其工作電壓12V，工作電流1.5A。該模組提供的通信協議支持TCP/IP協議，外部接口有USB3.0接口及RS232接口。其強大的網絡功能可兼容中國移動、中國聯通及中國電信三大網絡運營商的無線網絡。本文應用RS232接口通過串口協議與主控模塊通信。

（五）報警電路

報警器的作用是系統工作異常時報警、參數指標異常時報警。由于時水上運行，遠離人工監測點，蜂鳴器需功率較大才能遠距離傳播聲音，因此采用的蜂鳴器的運行電流是較大的。單片機系統中提供的工作電流不足以驅動蜂鳴器工作，因而需要設計電流放大電路。在報警電路中布置一個PNP三極管驅動，其基極與STM32單片機GPIO管腳連接，通過單片機的高、低電平控制其通斷，蜂鳴器接于電源、三極管集電極之間，工作于放大后的驅動電流[17];如果GPIO引腳電平輸出為低電平時，則三極管則導通，蜂鳴器發出聲響，接于電路上的發光二極管被點亮。

三、物聯網

物聯網是現代工業一個重要的信息化應用網絡，是基于互聯網的一種延伸和擴展，其終端延伸到了人與物品、物品與物品間進行信息互換，是"信息化"時代的關鍵技術之一。在5G條件下，大量的數據無線傳輸成為可能，更突顯了物聯網的重要性。借助信號處理技術、智能感知技術以及人工智能技術，使其在工業領域有很大的應用前景。從整體架構上分析，物聯網分為3層：感知層、網絡層和應用層。感知層重功能是識別物體，采集信息，本次設計選擇的感知層是各種傳感器，上文中已有所介紹。網絡層由各種網絡、網絡管理系統和云計算平臺等組成，將從感知層獲取的信息進行傳送并處理。本文主要使用5G無線通信技術，應用層是物聯網和用戶的接口，選擇ONE NET物聯網平臺。

（一）設備接入流程

1.首先建立接入協議為EDP的產品，登錄ONE NET平臺，創建產品，記錄產品ID。

2.添加設備，為自己的設備設定名稱并記錄產品編號。

3.建立TCP連接，正確輸入EDP服務器地址域名及端口號，本設計中的端口號為：876。

4.發送設備編程，使用SDK實施EDP連接，向物聯網平臺服務器發送報文。

4.數據點上傳，編寫c語言程序，利用SDK中的接口函數實現數據上傳。

5.查看數據流，參照開發者指南在物聯網界面查看時間、地點、數據信息等。

6.利用物聯網平臺直接生成app，可下載安裝至安卓系統手機，移動端監測。

（二）數據傳輸

查看“我的電腦”右鍵單擊菜單中的“屬性”，在“設備管理器”中查看端口信息，如果USB轉TTL串口的驅動安裝正確，在插上USB轉串口工具后，會顯示驅動程序圖標。串口配置完畢，而后借助串口調試工具操作5G模塊與OneNet建立連接、數據傳輸。

發送命令：

圖2? ? AT指令

這樣便可完成數據的傳輸。

返回數據為CLOSED時表明ONE NET服務器主動關閉了TCP連接。

以上說明數據上傳OneNet成功，并且OneNet主動關閉了TCP連接，那么下次再傳數據就必須重新建立連接，重復以下動作：

1.和OneNet建立TCP連接，發送指令為：AT+CIPSTART= "TCP"，"183.230.40.33"，"80";

2.開啟透傳，發送指令為：AT+CIPSEND;

3.發送HTTP數據包;

4.發送透傳結束符。

這樣就可以實現數據持續上傳。

四、軟件設計

（一）下位機程序設計

系統的下位機程序部分包括數據采集、預警報警及5G數據傳輸的通信。系統總體程序流程如圖3所示。

數據的采集由主控向采集模塊發送采集指令，采集模塊根據不同類型傳感器轉換測量數據，以Mod-Bus協議傳輸給主控模塊，指控模塊通過AT指令控制5G模塊將數據發送指物聯網。

（二）上位機軟件設計

上位機軟件的編程工具是Libview，其具有良好的交互界面，可以實現快速快發。上位機軟件與服務器通過TCP/IP協議通信，從服務器讀取數據并顯示與交互界面。界面如圖4所示。

五、結束語

本文利用STM32f103主控芯片、5G模塊、水質檢測模塊實現了基于5G的遠程水質監測系統。從硬件設計到軟件設計，從下位機程序到上位機交互界面，實現了完整的全系統設計。該系統簡化了濕地保護人員的數據采集工作，高效、穩定地運行于濕地環境。

作者單位：白哲佳? ? 長春職業技術學院

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