一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多功能采集系統(tǒng)

周賀松

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的行業(yè)開始引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以提高行業(yè)的智能化、自動化水平。按照物聯(lián)網(wǎng)典型的三層結(jié)構(gòu)（感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層）搭建一套完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需耗費較大的人力、物力成本。針對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)門檻高、研制周期長的現(xiàn)象，設(shè)計了一種包含采集終端、云服務(wù)器、Web應(yīng)用的多功能物聯(lián)網(wǎng)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備應(yīng)用范圍廣、開發(fā)周期短、占用人員少、便于移植等優(yōu)勢，目前已在智慧農(nóng)業(yè)、智能電力、新能源電池監(jiān)測等領(lǐng)域得到了一系列應(yīng)用，取得了較好的經(jīng)濟效益和示范效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);采集系統(tǒng);采集終端;云服務(wù)器;Web應(yīng)用;智慧農(nóng)業(yè);智能電力;新能源電池監(jiān)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(tǒng)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(shù)據(jù)后，按照TCP協(xié)議把數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器;云服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后，按照特有的格式進行數(shù)據(jù)存儲;Web應(yīng)用響應(yīng)用戶操作，通過HTTP協(xié)議從云服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)并在網(wǎng)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(jiān)測場所，220 V供電方式適用于室內(nèi)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(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)處理和存儲電路、數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)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(yīng)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(wěn)壓芯片為SPX29302，該電路可以根據(jù)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(shù)據(jù)采集電路

本采集終端可以采集模擬量（電壓、電流）和數(shù)字量

（RS 485接口、TTL接口）。模擬量采集采用STM32F103C8T6內(nèi)部的12位A/D，可以選擇電壓或者電流兩種采集模式。數(shù)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(shù)據(jù)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(wù)器遠程校時）;數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲時可以關(guān)閉存儲單元的電源;為避免出現(xiàn)死機現(xiàn)象，啟用STM32的內(nèi)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(shù)據(jù)，在電腦端顯示。在定時模式下，可以設(shè)置2～720 min采集一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完畢后，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程服務(wù)器。

1.4 數(shù)據(jù)傳輸電路

采集終端可根據(jù)信號覆蓋情況，選擇GPRS，LTE，WiFi三種通信方式進行數(shù)據(jù)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(zhuǎn)接板型號為ATK-ESP8266，GPRS轉(zhuǎn)接板型號為SIM800L，LTE轉(zhuǎn)接板型號為SIM7600CE。單片機通過AT指令集和通信轉(zhuǎn)接板進行通信。

2 云服務(wù)器

云服務(wù)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(tǒng)的云服務(wù)器部署在阿里云的ECS云服務(wù)器，以Spring MVC + Hibernate持久層+UI快速開發(fā)庫為基礎(chǔ)框架，采用面向聲明的開發(fā)模式，基于泛型方式編寫極少代碼即可實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)編輯、表單處理等功能。如圖1所示，云服務(wù)器包含數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、Web服務(wù)器。

2.1 數(shù)據(jù)采集服務(wù)器

數(shù)據(jù)采集服務(wù)器通過TCP協(xié)議從采集終端獲取數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)內(nèi)部的加密處理算法，將物理數(shù)據(jù)解析成通用的普遍數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)服務(wù)器存儲。

數(shù)據(jù)解析架構(gòu)基于開源框架JEECG修改，能實現(xiàn)代碼自動生成和手工合成半智能開發(fā)模式，可以提高開發(fā)效率。

2.2 數(shù)據(jù)服務(wù)器

數(shù)據(jù)服務(wù)器對來自采集服務(wù)器的數(shù)據(jù)進行加工處理，并把處理后的數(shù)據(jù)保存到MySQL數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)服務(wù)器主要完成數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)查詢等功能。

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理：對接收的數(shù)據(jù)進行格式化處理，使得數(shù)據(jù)能保存到數(shù)據(jù)庫中;

（2）數(shù)據(jù)存儲：根據(jù)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)屬性，把數(shù)據(jù)保存到不同的數(shù)據(jù)庫表中;

（3）數(shù)據(jù)查詢：進行數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)查詢，并把查詢結(jié)果返回給Web服務(wù)器。

2.3 Web服務(wù)器

Web服務(wù)器為終端用戶提供Web訪問服務(wù)，搭建Web應(yīng)用與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的信息交換橋梁。主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢轉(zhuǎn)發(fā)和指令轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

（1）數(shù)據(jù)查詢轉(zhuǎn)發(fā)：響應(yīng)用戶在Web端的操作，對數(shù)據(jù)服務(wù)器進行數(shù)據(jù)查詢;

（2）命令轉(zhuǎn)發(fā)：響應(yīng)用戶在Web端的操作，通過數(shù)據(jù)采集服務(wù)器把相應(yīng)指令下發(fā)到采集終端。

3 Web應(yīng)用

Web應(yīng)用用于數(shù)據(jù)的顯示和報表繪制?？紤]到平臺兼容性，本系統(tǒng)選用微信公眾號的方式。開發(fā)時選用響應(yīng)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(wù)器進行雙向通信，將本地請求上傳至云服務(wù)器，接收云服務(wù)器的回執(zhí)并將該回執(zhí)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理單元;

（2）數(shù)據(jù)處理單元：將本地產(chǎn)生的數(shù)據(jù)或服務(wù)器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)加工整理后，轉(zhuǎn)交給前端單元或通信單元;

（3）前端單元：處理用戶輸入，發(fā)送給數(shù)據(jù)處理單元，接收數(shù)據(jù)處理單元發(fā)回的數(shù)據(jù)，更改展示狀態(tài)。

圖9～圖11分別為該系統(tǒng)在智慧農(nóng)業(yè)、智能電力、新能源等領(lǐng)域的應(yīng)用界面。

4 結(jié) 語

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計的多功能采集系統(tǒng)，為農(nóng)業(yè)、電力等傳統(tǒng)行業(yè)插上了信息化和智能化的翅膀，為新能源等新興產(chǎn)業(yè)提供了一種遠程監(jiān)控手段。

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