基于樹(shù)莓派的遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭鵬飛，溫志渝，周 穎，劉海濤

(1.重慶大學(xué) 新型微納器件與系統(tǒng)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400044；2.國(guó)家級(jí)微納系統(tǒng)與新材料技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心， 重慶 400044)

近年來(lái)，工業(yè)化程度的不斷提高造成了環(huán)境污染。在諸多污染中，水體污染對(duì)人類(lèi)的健康帶來(lái)嚴(yán)重危害，并成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素。因此，開(kāi)展水質(zhì)資源的監(jiān)測(cè)與治理工作顯得尤為重要。水質(zhì)監(jiān)測(cè)是水資源環(huán)境保護(hù)及治理的基礎(chǔ)，而基于連續(xù)光譜分析的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)已成為現(xiàn)代水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重要發(fā)展方向[1-11]。

目前，多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的控制系統(tǒng)存在多種解決方案，但均存在性能單一、軟硬件資源匱乏、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、擴(kuò)展性低等缺點(diǎn)，難以適應(yīng)水質(zhì)光譜數(shù)據(jù)處理與傳輸?shù)膶?shí)際應(yīng)用需求[1]。樹(shù)莓派因其具有統(tǒng)一的嵌入式操作系統(tǒng)、板載豐富的硬件接口、強(qiáng)大的社區(qū)及文檔支持、高擴(kuò)展性、易移植等優(yōu)點(diǎn)[2,11]，可滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的功能要求，因此可作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制核心。目前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞娇煞譃橛芯€(xiàn)傳輸、無(wú)線(xiàn)傳輸兩種。采用串行總線(xiàn)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要鋪設(shè)大量的電纜線(xiàn)，因此布線(xiàn)困難、施工難度大、線(xiàn)路易受破壞和腐蝕、維護(hù)成本高、監(jiān)測(cè)范圍有限。而無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸具有智能化程度高、信息時(shí)效強(qiáng)、覆蓋區(qū)域廣、可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，已成為遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)控的普遍實(shí)現(xiàn)方式。

目前國(guó)內(nèi)諸多研究機(jī)構(gòu)均已開(kāi)展了基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究，包括基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和基于GPRS無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。在ZigBee的研究方面，李鑫星等[4]提出基于JN5239 的ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊的無(wú)線(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)定時(shí)收集現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的各路傳感數(shù)據(jù)，達(dá)到了水質(zhì)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性與數(shù)據(jù)精度的要求。黃健清等[5]提出基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用MSP430F149 單片機(jī)作為處理核心，由nRF905 射頻芯片及外圍電路組成無(wú)線(xiàn)通信模塊，完成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集與處理、無(wú)線(xiàn)傳輸，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。而GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸已穩(wěn)定應(yīng)用在各種環(huán)境監(jiān)測(cè)中[6]。基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸距離近、復(fù)雜度低、密集度高，難以滿(mǎn)足偏遠(yuǎn)及缺乏網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋地區(qū)的單個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的使用要求。GPRS技術(shù)是在GSM基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，具有覆蓋范圍廣、能高速傳輸和永久在線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于遠(yuǎn)程監(jiān)控中高頻率、小數(shù)據(jù)量、間歇性的數(shù)據(jù)傳輸。此外，GPRS技術(shù)還可節(jié)省組網(wǎng)費(fèi)用，無(wú)地理范圍限制，因此適用于大部分行業(yè)的應(yīng)用需求[3]。

綜上所述，本文針對(duì)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋較弱和交通不便地區(qū)的水質(zhì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的需求，提出以樹(shù)莓派+GPRS為核心的多參數(shù)水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可滿(mǎn)足大范圍區(qū)域遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求，并可有效實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)儀器的智能化和網(wǎng)絡(luò)化。

1 遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文針對(duì)當(dāng)前水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)化、監(jiān)測(cè)儀器智能化的要求，為解決交通不便地區(qū)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于樹(shù)莓派的無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)來(lái)訪(fǎng)問(wèn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀,通過(guò)將 GPRS 技術(shù)集成到水質(zhì)設(shè)備中,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)回傳功能，如圖1所示。一旦監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出報(bào)警信息,遠(yuǎn)程中心與相應(yīng)移動(dòng)設(shè)備接收數(shù)據(jù)信息后可及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。

該系統(tǒng)主要包括以水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備為核心的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心兩個(gè)部分。節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)記錄水體環(huán)境參數(shù)濃度等信息，解析源于監(jiān)控中心的命令并做出應(yīng)答。監(jiān)控中心具有負(fù)責(zé)和各節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程通信的功能，建立用于數(shù)據(jù)存貯的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、管理來(lái)自各節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)管理人員可通過(guò)上位機(jī)軟件訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)中心與控制監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，以便于數(shù)據(jù)的及時(shí)有效獲取及對(duì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)做出應(yīng)對(duì)措施。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)框圖

2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)設(shè)備主要由傳感模塊、控制模塊與數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。傳感模塊以微型光譜儀作為水質(zhì)信息的檢測(cè)核心，負(fù)責(zé)采集透射過(guò)反應(yīng)室攜帶有水體信息的光譜數(shù)據(jù)?？刂颇K以樹(shù)莓派作為核心單元，負(fù)責(zé)控制監(jiān)測(cè)設(shè)備的正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)的采集、處理與傳輸。GPRS傳輸模塊在硬件上以USB轉(zhuǎn)串口線(xiàn)連接至樹(shù)莓派USB接口，負(fù)責(zé)完成節(jié)點(diǎn)設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的通信。節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)硬件框圖如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)硬件框圖

2.1 監(jiān)測(cè)傳感模塊

監(jiān)測(cè)傳感模塊的核心傳感單元采用重慶大學(xué)微系統(tǒng)中心研制的紫外-可見(jiàn)微型光譜儀[8-9]，波長(zhǎng)范圍在200～780 nm，分辨率為2 nm，可滿(mǎn)足多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的使用要求。水質(zhì)監(jiān)測(cè)原理是依據(jù)朗伯比爾定律，在某一波段內(nèi)光程差不變的條件下，被測(cè)物質(zhì)的濃度與其在特征波長(zhǎng)處的吸光度成正比。在進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)時(shí)，儀器組成構(gòu)件將待測(cè)水樣與試劑注入反應(yīng)監(jiān)測(cè)室,鹵鎢燈光源從反應(yīng)監(jiān)測(cè)室一側(cè)入射，另一側(cè)攜帶水質(zhì)信息的光束通過(guò)光纖耦合的方式與光譜儀完成連接，控制模塊負(fù)責(zé)完成與光譜儀之間的數(shù)據(jù)通訊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)參考光譜與吸收光譜的獲取。

2.2 控制模塊

本文以樹(shù)莓派(raspberry pi)作為系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理、傳輸?shù)暮诵膯卧?。?shù)莓派由英國(guó)樹(shù)莓派基金會(huì)推出，其最初是作為一種可靠的、低成本的微電腦，為鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)編程語(yǔ)言提供的開(kāi)發(fā)工具。自2012年推出以來(lái)，歷經(jīng)樹(shù)莓派A、B、B+、2B、3B多個(gè)版本的更新，在嵌入式開(kāi)發(fā)領(lǐng)域發(fā)展迅猛。樹(shù)莓派3B采用系統(tǒng)級(jí)芯片BCM2837(Soc)，搭載統(tǒng)一的基于jessie的Linux開(kāi)源操作系統(tǒng)[10-12]，支持C、C++、Python等語(yǔ)言。一方面，樹(shù)莓派相對(duì)于其他控制板具有豐富的社區(qū)支持，提供了開(kāi)源的軟硬件文檔及相關(guān)例程，更容易快速學(xué)習(xí)，省略了此前搭建嵌入式linux系統(tǒng)平臺(tái)時(shí)的繁瑣步驟，縮短了開(kāi)發(fā)周期；另一方面，該系統(tǒng)提供了軟件更新、漏洞修復(fù)以及安全維護(hù)等方面的支持，為系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠服務(wù)。樹(shù)莓派3B硬件資源豐富，具有40針的GPIO接口，板載多種SPI/串口及藍(lán)牙等通信接口方式，滿(mǎn)足了水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器內(nèi)部各組成部件對(duì)硬件能力的需求(如光譜儀、注射泵、多位閥、蠕動(dòng)泵等模塊的控制與通信)。此外，該片上系統(tǒng)板為構(gòu)建一個(gè)完整的監(jiān)控系統(tǒng)提供了更多的實(shí)現(xiàn)可能，如數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、設(shè)備配置、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。樹(shù)莓派3B硬件資源配置如表1所示。

2.3 傳輸模塊接口電路設(shè)計(jì)

樹(shù)莓派通用串口被儀器其他組件所占用，但儀器處于工作狀態(tài)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與其他串口組件無(wú)時(shí)間沖突。為解決這種占用問(wèn)題，在接口電路中對(duì)串口進(jìn)行擴(kuò)展，電路如圖3所示。本文通過(guò)選用CD4502差分四通道數(shù)字控制模擬開(kāi)關(guān)控制串口輸出，MAX3232完成樹(shù)莓派接口電平至RS232串口電平的轉(zhuǎn)換。工作原理為：在應(yīng)用軟件的不同應(yīng)用子程序中編程控制樹(shù)莓派GPIO引腳信號(hào)的輸出，進(jìn)而完成對(duì)模擬開(kāi)關(guān)輸出通道的選擇。真值表如表2所示。

表1 樹(shù)莓派3B硬件資源配置

圖3 串口擴(kuò)展接口電路

表2 CD4502控制信號(hào)與輸出通道真值

2.4 GPRS傳輸模塊

本文選用廈門(mén)才茂GPRS-DTU，令其工作在NONE激活方式下，即DTU自動(dòng)根據(jù)預(yù)設(shè)號(hào)碼進(jìn)行撥號(hào)并主動(dòng)連接用戶(hù)中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心，建立數(shù)據(jù)鏈路。DTU自動(dòng)接收來(lái)自串口的數(shù)據(jù)并封裝成數(shù)據(jù)包，發(fā)送到用戶(hù)中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心。在硬件接口方面，采用USB轉(zhuǎn)串口方式將GPRS模塊RS232串口連接至樹(shù)莓派擴(kuò)展板串口擴(kuò)展接口，不同串口采用不同的串口標(biāo)識(shí)符，以便程序調(diào)用推送數(shù)據(jù)。該GPRS模塊在TCP模式下利用DTU 把從串口接收來(lái)的數(shù)據(jù)封裝成 TCP 的數(shù)據(jù)包發(fā)送到中心服務(wù)器。采用TCP 協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)包是有序號(hào)的，接收方收到數(shù)據(jù)包后返回一個(gè)確認(rèn)信息才算發(fā)送成功。如果超過(guò)一定時(shí)間發(fā)送方未收到確認(rèn)信息，則認(rèn)為接收方未收到數(shù)據(jù)而自動(dòng)重發(fā)。

3 控制軟件設(shè)計(jì)

3.1 lwiring pi庫(kù)函數(shù)

與STM32單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用相類(lèi)似，對(duì)于樹(shù)莓派GPIO的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，可采用庫(kù)函數(shù)的方式，將底層寄存器通過(guò)函數(shù)進(jìn)行封裝，開(kāi)發(fā)者通過(guò)安裝相關(guān)的庫(kù)文件完成對(duì)相應(yīng)的GPIO的操作。相較于傳統(tǒng)嵌入式linux開(kāi)發(fā)需編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序再調(diào)用的情況，其縮短了開(kāi)發(fā)周期，提高了工作效率。目前存在兩種常用庫(kù)函數(shù)：基于C++語(yǔ)言的lwiring pi庫(kù)與基于python語(yǔ)言的python GPIO庫(kù)，可根據(jù)實(shí)際工程需要針對(duì)性選擇相應(yīng)的函數(shù)庫(kù)完成項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。本文采用C++語(yǔ)言為基礎(chǔ)的lwiring pi庫(kù)函數(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，相關(guān)庫(kù)函數(shù)如表3所示。

3.2 樹(shù)莓派3B串口配置

樹(shù)莓派版本升級(jí)后，樹(shù)莓派3B CPU內(nèi)部存在PL011 uart與mini uart。PL011uart即硬件串口，由硬件實(shí)現(xiàn)，有單獨(dú)的波特率時(shí)鐘源，性能高、傳輸穩(wěn)定。mini串口性能低，功能簡(jiǎn)單，沒(méi)有波特率專(zhuān)用的時(shí)鐘源而是由CPU內(nèi)核時(shí)鐘提供，因此mini串口有個(gè)致命的弱點(diǎn)：波特率受到內(nèi)核時(shí)鐘的影響。PL011uart在pi 3b中默認(rèn)分配給藍(lán)牙通信模塊進(jìn)行通信，mini uart默認(rèn)分配給引腳pin14/15。相比老版本樹(shù)莓派而言，PL011uart默認(rèn)分配給引腳pin14/15。因此，在應(yīng)用時(shí)需將藍(lán)牙占用的硬件串口與分配給IO引腳的mini串口進(jìn)行對(duì)換，在此儀器應(yīng)用時(shí)可不利用藍(lán)牙功能。

相關(guān)配置代碼如下：

1) 在/boot/overlays/ 目錄下添加文件pi3-miniuart-bt-overlay.dtb ；

2) 交換映射關(guān)系：編輯/boot/config.txt添加dtoverlay=pi3-miniuart-bt并保存文件，重啟樹(shù)莓派使之生效；

3) 禁用串口控制臺(tái)功能：sudo systemctl stop serial-getty@ttyAMA0.service

sudo systemctl disable serial-getty@ttyAMA0.service

4) 配置串口參數(shù)：編輯/boot目錄下的cmdline.txt文件修改為：dwc_otg.lpm_enable=0 console=serial1,115200 console=tty1 root=/dev/mmcblk0p2 kgdboc=serial1,115200 rootfstype=ext4 elevator=deadline fsck.repair=yes rootwait

表3 lwiring pi 相關(guān)庫(kù)函數(shù)

3.3 數(shù)據(jù)處理及報(bào)警軟件設(shè)計(jì)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)處的軟件部分采用QT creator集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，以C++語(yǔ)言為基礎(chǔ)，完成儀器的控制、數(shù)據(jù)處理與傳輸報(bào)警等功能。光譜數(shù)據(jù)處理部分完成對(duì)微型光譜儀傳輸?shù)亩嘟M光譜數(shù)據(jù)的獲取、儲(chǔ)存、去噪、扣除暗噪聲等預(yù)處理步驟后，針對(duì)采集特征波長(zhǎng)點(diǎn)的參考光強(qiáng)與透射光強(qiáng)值求出其吸光度值，與所建立的標(biāo)準(zhǔn)濃度/吸光度曲線(xiàn)進(jìn)行比較，判斷濃度是否超標(biāo),若超出閾值范圍則存貯報(bào)警信息并發(fā)送。節(jié)點(diǎn)光譜數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)光譜數(shù)據(jù)處理流程

3.4 節(jié)點(diǎn)控制軟件設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)需求角度考慮，水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)定時(shí)傳送監(jiān)測(cè)水質(zhì)參數(shù)信息及參數(shù)超標(biāo)信息兩種形式完成對(duì)監(jiān)控中心的主動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸。圖5為樹(shù)莓派控制模塊與GPRS模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸方式。主控模塊在出現(xiàn)報(bào)警或者其他中斷信息后將發(fā)送AT命令至無(wú)線(xiàn)GPRS模塊。根據(jù)其配置模式，一則含有水質(zhì)參數(shù)超標(biāo)的短消息將被發(fā)送至關(guān)聯(lián)手機(jī)號(hào)，詳細(xì)超標(biāo)數(shù)據(jù)也將發(fā)送至監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.5 監(jiān)控端軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件的工作模式主要分為被動(dòng)監(jiān)聽(tīng)和主動(dòng)監(jiān)聽(tīng)兩種。軟件運(yùn)行在被動(dòng)監(jiān)聽(tīng)模式下時(shí)，在開(kāi)機(jī)初始化配置后一直保持?jǐn)?shù)據(jù)連接，監(jiān)聽(tīng)下位機(jī)傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，分析字符串；當(dāng)監(jiān)控端軟件處于主動(dòng)監(jiān)聽(tīng)模式下時(shí)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)儀器的遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)主動(dòng)讀取的功能。在監(jiān)控軟件中選擇相應(yīng)數(shù)據(jù)端口，通過(guò)發(fā)送在線(xiàn)清洗、比色杯排空、監(jiān)測(cè)池排空、指定回傳歷史數(shù)據(jù)等操作命令實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程操作。節(jié)點(diǎn)樹(shù)莓派處理單元通過(guò)解析串口接收的控制指令完成相應(yīng)的操作。此種模式可對(duì)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的故障做出及時(shí)應(yīng)對(duì)處理。主動(dòng)監(jiān)聽(tīng)與被動(dòng)監(jiān)聽(tīng)的區(qū)別在于需要通過(guò)遠(yuǎn)程發(fā)送命令、節(jié)點(diǎn)解析指令的方式等待數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行指令。

圖5 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸方式

本文設(shè)計(jì)了用于記錄水體參數(shù)信息的數(shù)據(jù)表，采用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)編制軟件創(chuàng)建。該數(shù)據(jù)庫(kù)是用來(lái)存儲(chǔ)各水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)膩?lái)自監(jiān)控中心的水體數(shù)據(jù)信息，包括采集水質(zhì)數(shù)據(jù)的DTU ID，水質(zhì)數(shù)據(jù)采集時(shí)間，水質(zhì)參數(shù)類(lèi)型(化學(xué)需氧量、總磷、氨氮、六價(jià)鉻離子等)，水質(zhì)參數(shù)的數(shù)值，水質(zhì)數(shù)據(jù)是否報(bào)警。在此創(chuàng)建兩個(gè)數(shù)據(jù)表：水質(zhì)參數(shù)類(lèi)型表(如圖6所示)和水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)值表(如圖7所示)。水質(zhì)參數(shù)類(lèi)型表中包括“水體參數(shù)類(lèi)型”和 “水體參數(shù)類(lèi)型ID”兩個(gè)字段；水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)值表中包括“水質(zhì)參數(shù)的數(shù)值” “水質(zhì)數(shù)據(jù)采集時(shí)間” “水質(zhì)數(shù)據(jù)是否報(bào)警” “水質(zhì)參數(shù)測(cè)得值” “水質(zhì)參數(shù)閾值”“采集水質(zhì)數(shù)據(jù)的DTU ID” “水質(zhì)參數(shù)類(lèi)型ID”這些字段。兩個(gè)數(shù)據(jù)表之間通過(guò)“水質(zhì)參數(shù)類(lèi)型ID”這一字段相關(guān)聯(lián)。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)信息的存貯與訪(fǎng)問(wèn)如圖8所示。節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊與遠(yuǎn)程中心建立TCP/IP連接，將節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存貯至數(shù)據(jù)庫(kù)，而監(jiān)控中心設(shè)備通過(guò)上位機(jī)軟件打開(kāi)并訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取中斷事件的信息。報(bào)警信息如表4所示。

圖6 水體參數(shù)類(lèi)型表

圖7 水體參數(shù)數(shù)據(jù)表

表4 報(bào)警信息樣表

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)正常工作時(shí)，一旦有中斷事件發(fā)生，水體參數(shù)超標(biāo)信息數(shù)據(jù)將被主控模塊記錄并存儲(chǔ)，待監(jiān)控中心端TCP/IP程序打開(kāi)TCP/IP套接字，完成TCP/IP初始化配置后，發(fā)送信息請(qǐng)求，監(jiān)聽(tīng)并等待監(jiān)控端服務(wù)器的連接。建立通信關(guān)系后，數(shù)據(jù)將通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)。監(jiān)控系統(tǒng)主流程如圖9所示，監(jiān)控中心軟件界面如圖10所示。

圖9 監(jiān)控系統(tǒng)主流程

圖10 監(jiān)控中心軟件界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)因樹(shù)莓派具有豐富的硬件接口，可擴(kuò)展性強(qiáng)，可將其擴(kuò)展為環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，將溫、濕度信息傳輸至監(jiān)控中心。GPRS-DTU 在水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)控中充分發(fā)揮了其技術(shù)成熟、系統(tǒng)穩(wěn)定、實(shí)施費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，解決了無(wú)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。特別是在移動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的使用方面，本系統(tǒng)大大降低了實(shí)施成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 魏康林.基于微型光譜儀的多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀關(guān)鍵技術(shù)研究[D].重慶:重慶大學(xué),2012.

[2] JAMES F,WEERATUNGE M.Development of a user-friendly,low-cost home energy monitoring and recording system[J].Energy,2016,111:32-46.

[3] 周蘇怡.基于微型光譜儀的多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀自檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[D].重慶:重慶大學(xué),2016.

[4] 李鑫星,王聰,田野,等.基于Zigbee的多參數(shù)水質(zhì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2015,46(12):168-173.

[5] 黃建清,王衛(wèi)星,姜晟,等.基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,4(2):183-190.

[6] 吳秋蘭,梁勇.基于GPRS的無(wú)線(xiàn)水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程,2007,33(2):280-282.

[7] WEI Kanglin,WEN Zhiyu.Research Advances in Water Quality Monitoring Technology Based on UV-Vis Spectrum Analysis[J].Spectroscopy and Spectral Analysis,2011,31(4):1074-1077.

[8] 于志強(qiáng),溫志渝,謝瑛珂,等.基于樹(shù)莓派的多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].重慶:重慶大學(xué),2015.

[9] 韓孝貞.多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀控制與數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].重慶:重慶大學(xué),2014.

[10] DAVID M,PEDRO T.Use of Low-Cost Acquisition Systems with an Embedded Linux Device for Volcanic Monitoring [J].seneors,2015,15(10):20436-20462.

[11] XU Zhaozhuo,PU Fangling.Raspberry Pi Based Intelligent Wireless Sensor Node for Localized Torrential Rain Monitoring[J].Journal of Sensors,2016,10:1-11.

[12] ANNA C B,PRINZ V K T.A novel nest-monitoring camera system using a Raspberry Pi micro-computer[J].Journal of Field Ornithology,2016,87(4):427-435.