一種基于無線通信的河道水質監(jiān)測方法

曹云輝 張鑫偉 魯曉東

摘 要：河道水質的自動化監(jiān)測是河道治理智能化的基礎。由于河道狹長，水質監(jiān)測節(jié)點分布廣，人工采樣效率低下。因此，設計一種短距離無線通信和GSM網絡相結合的數(shù)據(jù)傳輸方法，使分散的局域采樣點數(shù)據(jù)通過GPRS接口自動集中上傳到設定的遠程服務器，最后由前端的APP實現(xiàn)對各采樣數(shù)據(jù)點的處理和可視化，實現(xiàn)了河道水質實時遠程監(jiān)測，提高了管理效率。

關鍵詞：無線通信;河道水質;云平臺

中圖分類號：X832? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）12-0136-03

1引言

舟山地處海島，四面環(huán)海，但卻是浙江省淡水資源最缺乏的地區(qū)，生產生活用水嚴重不足，年人均占水量是浙江省人均的四分之一。而隨著近十幾年來人們生產生活產生的廢水肆意排放，河道自我凈化速度已無法彌補水源的受污染程度，進一步加劇了水資源短缺。因此河道水質檢測顯得尤為重要，在河道水質監(jiān)測當中數(shù)據(jù)上傳云端實現(xiàn)智能化監(jiān)測更是現(xiàn)代化城市的重中之重。目前的水質監(jiān)測通訊方案主要分為有線和無線兩種，其中無線通訊方案因其使用靈活且無需龐大的岸上設施等優(yōu)點，受到廣泛的使用。

無線通訊方案的選擇繁多[1-2]，如Lora無線通訊技術[3]，這是一種遠距離的無線電技術，兼顧了低功耗和遠距離兩個特點，傳輸距離最遠可達15Km，但其缺點是城市中高樓林立會使其傳輸距離大打折扣，并且為了能夠實現(xiàn)遠距離傳輸，Lora是以犧牲傳輸速率實現(xiàn)的，因此其傳輸速率相較于其他通訊方案較低。還有的使用北斗通訊技術[4]，這是利用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)獨有的短報文功能，通過衛(wèi)星將水質信息發(fā)送至地面站再傳輸至服務器。使用北斗通信系統(tǒng)首先其數(shù)據(jù)的安全性更高并且在獲取水質信息的同時也得到了每個節(jié)點精準的位置信息，并且由于通信是使用衛(wèi)星因此不需要其他的傳輸網關并且沒有距離的限制甚至可以實現(xiàn)多個城市間、整條河所有流域的水質信息統(tǒng)計。但這個方案也存弊端，首先是成本較高，并且運行時功耗較高對供電環(huán)境有較高要求。

因此本文基于上述通訊方案的優(yōu)缺點，設計了一種短距離無線通信和GSM網絡相結合的河道水質監(jiān)測方法，在數(shù)據(jù)采集節(jié)點上使用短距離的無線射頻模塊，而后在一個固定范圍內部署一個搭載GPRS模塊的網關。利用短距離無線射頻模塊低功耗和高速率的特點實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)的上報，利用GPRS模塊無距離限制傳輸?shù)奶攸c將水質數(shù)據(jù)轉發(fā)至服務器，兩者相結合組成一個樹狀網絡結構，實現(xiàn)高效的河道水質監(jiān)測。

2系統(tǒng)方案設計

2.1系統(tǒng)基本結構

系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集節(jié)點、GPRS網關和云平臺三部分，如圖1所示。

其中數(shù)據(jù)采集節(jié)點布置于河道內，通過搭載各類傳感器采集河道水質信息，并將采集的水質信息通過射頻模塊發(fā)送給GPRS網關。GPRS網關作為中繼，將數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)的水質信息，通過GSM發(fā)送至云平臺。采用射頻模塊加GPRS模塊的組合方式，僅一個GPRS網關便可收集一個區(qū)域內N個數(shù)據(jù)節(jié)點通過2.4G射頻信號傳來的水質數(shù)據(jù)，并上傳至云平臺。組成一個樹狀網絡結構，如圖2所示，從而實現(xiàn)一條河流的分河段布置網關全流域的數(shù)據(jù)采集。最后，云平臺作為系統(tǒng)的最上層，將對信息進行處理并顯示在網頁端和APP端，實現(xiàn)底層的數(shù)據(jù)采集。

3系統(tǒng)硬件設計

3.1數(shù)據(jù)采集節(jié)點

數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件框架如圖3所示，使用STM32F103C8T6為主控，該芯片基于Cortex-M3內核最高工作頻率可達72MHz[5]，配備64K存儲器，板載兩個雙通道12位模數(shù)轉換器（ADC），可以實現(xiàn)對模擬量傳感器的電壓值采集并轉換為數(shù)字量。PH傳感器使用上海雷磁E-201-C型復合電極，測量范圍0-14PH，精度0.001PH。TDS傳感器[6]使用中江電子有限公司的模擬TDS傳感器，測量范圍0～1000ppm，測量精度5%F.S.。兩個傳感器均為模擬量，通過ADC進行采樣。溫度傳感器使用數(shù)字量DS18B20，采用單總線協(xié)議，測量范圍-55℃～+125℃。

3.2 GPRS網關

GPRS由于僅用于數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，因此使用較為經濟的STC8A8K64S4。使用NRF24L01模塊用于接收數(shù)據(jù)節(jié)點數(shù)據(jù)，模塊使用2.4GHz頻段通過SPI于MCU通信，數(shù)據(jù)收發(fā)時電流約為10mA，待機或掉電模式下功耗將更低。GPRS模塊使用SIM800C四頻GSM/GPRS模塊嵌入式的TCP/IP協(xié)議，使用AT指令便可完成服務器鏈接和數(shù)據(jù)的發(fā)送。硬件框架如圖4所示。

4軟件設計

4.1 傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點

數(shù)據(jù)采集節(jié)點搭載了各類傳感器如溫度傳感器DS18B20、PH傳感器、TDS傳感器，其中溫度傳感器為數(shù)字量傳感器，通過單總線協(xié)議發(fā)送指令獲取溫度信息。而PH傳感器、TDS傳感器和溶解氧傳感器均為模擬量傳感器，通過單片機的ADC模塊采集各個傳感器的電壓值，并根據(jù)各個傳感器的轉換公式計算出結果。最后將這些數(shù)據(jù)打包通過NRF24L01模塊發(fā)送給GPRS網關。程序流程圖如圖5所示。

4.2 GPRS通信系統(tǒng)

GPRS模塊使用AT指令，如表1所示，通過單片機串口進行控制，在發(fā)送數(shù)據(jù)前首先需要通過AT指令設置GPRS模塊工作模式并連接云平臺。

GPRS網關程序流程如圖6所示。首先進行系統(tǒng)初始化，發(fā)送AT指令控制GPRS模塊進入工作狀態(tài)并連接云平臺準備發(fā)送數(shù)據(jù)。當網關接收到由數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)后，發(fā)送AT指令使GPRS模塊進入透傳模式并將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺。

4.3云平臺

Node-Red[7]是由IBM開發(fā)的一款開源物聯(lián)網云平臺項目，因其新穎的圖形化低代碼編程方式，全平臺通用等特點發(fā)展成為一種通用的物聯(lián)網編程工具。GPRS網關通過Node-Red平臺的TCP端口將數(shù)據(jù)上傳，平臺接收后使用解析函數(shù)對數(shù)據(jù)進行解析，并將數(shù)據(jù)通過Web顯示控件顯示。

5系統(tǒng)測試

學院文心湖為檢測對象，檢測節(jié)點1與檢測節(jié)點2相距100米距離，檢測時間段分布在13時至14時。在指定位置放好檢測器，檢測器在水中工作起來。通過搭載的GPRS模塊將水質監(jiān)測傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，通過云平臺有兩種方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。一個是Web網頁端如圖7所示，該時段節(jié)點1和節(jié)點2測定的數(shù)據(jù)，節(jié)點1測得湖水平均水溫14.8攝氏度、平均PH值為6.3、TDS（溶解性固體總量）131<300mg/L，由此可見該區(qū)域湖水的雜質含量較少，未出現(xiàn)水質污染的情況。

6結語

通過將短距離無線通信和GSM網絡相結合的方式，將實時的水質信息通過GSM移動通訊網絡傳輸至終端服務器，實現(xiàn)了低成本、大范圍的水質監(jiān)測。目前GSM網絡覆蓋十分廣泛，因此可以實現(xiàn)整個城市河網或一條河流上中下游全流域的水質監(jiān)測，為自動化的河道水質健康監(jiān)測和管理提供強有力的保障。此外，GPRS網關可以進一步的優(yōu)化，如選擇功耗更低的NB-IoT技術[8]，使節(jié)點對供電要求更低且成本更低。

參考文獻：

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