基于5G的濕地水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 ：濕地水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)是生態(tài)保護(hù)的一個(gè)重要數(shù)據(jù)來(lái)源，然而濕地保護(hù)區(qū)的人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集危險(xiǎn)性高、采集難度大、調(diào)查周期長(zhǎng)。為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于5G的水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為環(huán)保部門(mén)提供濕地水質(zhì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供數(shù)據(jù)支持。該系統(tǒng)以STM32f103為核心控制器，采用多種傳感器監(jiān)測(cè)電導(dǎo)率、溶解氧、濁度、葉綠素、高錳酸鹽、氨氮。為了能對(duì)濕地水質(zhì)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程檢測(cè)，本文通過(guò)5G無(wú)線通信模塊采集數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心服務(wù)器上。

關(guān)鍵詞： 5G;STM32 物聯(lián)網(wǎng);遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè);水質(zhì)監(jiān)測(cè)

一、引言

在新時(shí)代科學(xué)發(fā)展觀的指導(dǎo)下，我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)理念日漸重視與成熟，近十年國(guó)家環(huán)保部門(mén)連續(xù)印發(fā)了《國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》、《自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)成效評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)（試行）》等相關(guān)文件，自上而下地著力解決環(huán)境污染及治理的問(wèn)題。在國(guó)家相關(guān)文件的指導(dǎo)下，針對(duì)河流、湖泊及濱海濕地等領(lǐng)域的污染治理與生態(tài)恢復(fù)和水源地保護(hù)[1]及污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被研發(fā)使用[2-3]。

現(xiàn)今的人工智能以及遠(yuǎn)程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)不斷更新，濕地污染治理受到國(guó)家重視，因此污水監(jiān)測(cè)設(shè)備智能化也是大勢(shì)所趨[4-5]，基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)——遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也得到迅速發(fā)展。

自20世紀(jì)70年代起，西方一些發(fā)達(dá)國(guó)家由于其科技高速發(fā)展，在遠(yuǎn)程檢測(cè)污水方面研究成果引領(lǐng)了全球的前進(jìn)方向，先后開(kāi)發(fā)了針對(duì)不同環(huán)境以及不同污染物元素的監(jiān)測(cè)設(shè)備[6]。在亞洲，污水遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，日本目前可以說(shuō)首屈一指，大阪污水遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是一個(gè)非常典型的案例[7]。目前，部分發(fā)展中國(guó)家的污水遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)在其國(guó)內(nèi)已普遍使用[8]。

我國(guó)環(huán)境污水監(jiān)測(cè)儀器還處在發(fā)展初期。各地各部門(mén)都在積極的建設(shè)遠(yuǎn)程信息化水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，隨著我國(guó)國(guó)力增強(qiáng)、科技進(jìn)步，許多具有自主研發(fā)能力并能與國(guó)外知名企業(yè)相媲美的設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)也發(fā)展起來(lái)，環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的設(shè)備與系統(tǒng)逐漸向智能化、網(wǎng)絡(luò)化及自動(dòng)化發(fā)展[10-15]。

為了解決我國(guó)環(huán)保部門(mén)監(jiān)管難的情況，本文設(shè)計(jì)了水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)先進(jìn)，安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)。運(yùn)用本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)濕地水質(zhì)情況，進(jìn)而結(jié)合相應(yīng)的環(huán)境指標(biāo)和減排節(jié)能的目標(biāo)，制定出合理的保護(hù)措施。

二、系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由多個(gè)傳感器對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)采集后，把信號(hào)傳到核心處理器STM32進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，然后再通過(guò)串口連接5G模塊，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)給監(jiān)測(cè)中心傳送數(shù)據(jù)。用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1? ? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jī)是ST公司基于ARM內(nèi)核設(shè)計(jì)研發(fā)的32位單片機(jī)，可滿足研發(fā)者對(duì)高實(shí)時(shí)性、低功耗和經(jīng)濟(jì)性的苛刻要求。

本設(shè)計(jì)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(nèi)RAM，片上集成了A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)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(dá)到72MHz，可以承受-40℃～85℃的溫度范圍。

要實(shí)現(xiàn)控制功能，STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)與所有其他的單片機(jī)控制系統(tǒng)一樣，需要設(shè)計(jì)電源電路、軟硬件復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、下載電路及I/O接口電路。本設(shè)計(jì)的下載/調(diào)試接口選用了SWD模式，該模式接線簡(jiǎn)單下載速度快。更適合于開(kāi)發(fā)應(yīng)用的是可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試，為開(kāi)發(fā)者檢驗(yàn)調(diào)試程序提供了方便的可視界面及操作環(huán)境。SWD模式的下載速度最高可達(dá)2MHz/s，接線僅需兩根[16]。采用SWD模式下載/調(diào)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(diào)試提高了開(kāi)發(fā)效率。

（二）電源轉(zhuǎn)換電路

電源電路即供應(yīng)給用電芯片電力的電源部分的電路設(shè)計(jì)，使用的電路樣式及特點(diǎn)，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(shè)計(jì)外部電路時(shí)需要對(duì)供電電源進(jìn)行升壓和降壓的操作。

（三）水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊

根據(jù)濕地保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的需要，水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊集成了電導(dǎo)率、溶解氧、濁度、葉綠素、高錳酸鹽、氨氮多個(gè)傳感器。傳感器的采集原理各不相同，但最終數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸出來(lái)，本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)輸出格式為標(biāo)準(zhǔn)的Mod-Bus協(xié)議，該通信協(xié)議傳輸穩(wěn)定，準(zhǔn)確率高，適用于模塊與主控間的數(shù)據(jù)傳遞。

（四） 5G模塊

5G模塊采用方為通訊公司的FT141型號(hào)模組，其工作電壓12V，工作電流1.5A。該模組提供的通信協(xié)議支持TCP/IP協(xié)議，外部接口有USB3.0接口及RS232接口。其強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能可兼容中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通及中國(guó)電信三大網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。本文應(yīng)用RS232接口通過(guò)串口協(xié)議與主控模塊通信。

（五）報(bào)警電路

報(bào)警器的作用是系統(tǒng)工作異常時(shí)報(bào)警、參數(shù)指標(biāo)異常時(shí)報(bào)警。由于時(shí)水上運(yùn)行，遠(yuǎn)離人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)，蜂鳴器需功率較大才能遠(yuǎn)距離傳播聲音，因此采用的蜂鳴器的運(yùn)行電流是較大的。單片機(jī)系統(tǒng)中提供的工作電流不足以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作，因而需要設(shè)計(jì)電流放大電路。在報(bào)警電路中布置一個(gè)PNP三極管驅(qū)動(dòng)，其基極與STM32單片機(jī)GPIO管腳連接，通過(guò)單片機(jī)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(qū)動(dòng)電流[17];如果GPIO引腳電平輸出為低電平時(shí)，則三極管則導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出聲響，接于電路上的發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。

三、物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代工業(yè)一個(gè)重要的信息化應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，是基于互聯(lián)網(wǎng)的一種延伸和擴(kuò)展，其終端延伸到了人與物品、物品與物品間進(jìn)行信息互換，是"信息化"時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)之一。在5G條件下，大量的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸成為可能，更突顯了物聯(lián)網(wǎng)的重要性。借助信號(hào)處理技術(shù)、智能感知技術(shù)以及人工智能技術(shù)，使其在工業(yè)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。從整體架構(gòu)上分析，物聯(lián)網(wǎng)分為3層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層重功能是識(shí)別物體，采集信息，本次設(shè)計(jì)選擇的感知層是各種傳感器，上文中已有所介紹。網(wǎng)絡(luò)層由各種網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計(jì)算平臺(tái)等組成，將從感知層獲取的信息進(jìn)行傳送并處理。本文主要使用5G無(wú)線通信技術(shù)，應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，選擇ONE NET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

（一）設(shè)備接入流程

1.首先建立接入?yún)f(xié)議為EDP的產(chǎn)品，登錄ONE NET平臺(tái)，創(chuàng)建產(chǎn)品，記錄產(chǎn)品ID。

2.添加設(shè)備，為自己的設(shè)備設(shè)定名稱并記錄產(chǎn)品編號(hào)。

3.建立TCP連接，正確輸入EDP服務(wù)器地址域名及端口號(hào)，本設(shè)計(jì)中的端口號(hào)為：876。

4.發(fā)送設(shè)備編程，使用SDK實(shí)施EDP連接，向物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器發(fā)送報(bào)文。

4.數(shù)據(jù)點(diǎn)上傳，編寫(xiě)c語(yǔ)言程序，利用SDK中的接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。

5.查看數(shù)據(jù)流，參照開(kāi)發(fā)者指南在物聯(lián)網(wǎng)界面查看時(shí)間、地點(diǎn)、數(shù)據(jù)信息等。

6.利用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)直接生成app，可下載安裝至安卓系統(tǒng)手機(jī)，移動(dòng)端監(jiān)測(cè)。

（二）數(shù)據(jù)傳輸

查看“我的電腦”右鍵單擊菜單中的“屬性”，在“設(shè)備管理器”中查看端口信息，如果USB轉(zhuǎn)TTL串口的驅(qū)動(dòng)安裝正確，在插上USB轉(zhuǎn)串口工具后，會(huì)顯示驅(qū)動(dòng)程序圖標(biāo)。串口配置完畢，而后借助串口調(diào)試工具操作5G模塊與OneNet建立連接、數(shù)據(jù)傳輸。

發(fā)送命令：

圖2? ? AT指令

這樣便可完成數(shù)據(jù)的傳輸。

返回?cái)?shù)據(jù)為CLOSED時(shí)表明ONE NET服務(wù)器主動(dòng)關(guān)閉了TCP連接。

以上說(shuō)明數(shù)據(jù)上傳OneNet成功，并且OneNet主動(dòng)關(guān)閉了TCP連接，那么下次再傳數(shù)據(jù)就必須重新建立連接，重復(fù)以下動(dòng)作：

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

2.開(kāi)啟透?jìng)?，發(fā)送指令為：AT+CIPSEND;

3.發(fā)送HTTP數(shù)據(jù)包;

4.發(fā)送透?jìng)鹘Y(jié)束符。

這樣就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)持續(xù)上傳。

四、軟件設(shè)計(jì)

（一）下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的下位機(jī)程序部分包括數(shù)據(jù)采集、預(yù)警報(bào)警及5G數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ拧Ｏ到y(tǒng)總體程序流程如圖3所示。

數(shù)據(jù)的采集由主控向采集模塊發(fā)送采集指令，采集模塊根據(jù)不同類型傳感器轉(zhuǎn)換測(cè)量數(shù)據(jù)，以Mod-Bus協(xié)議傳輸給主控模塊，指控模塊通過(guò)AT指令控制5G模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送指物聯(lián)網(wǎng)。

（二）上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件的編程工具是Libview，其具有良好的交互界面，可以實(shí)現(xiàn)快速快發(fā)。上位機(jī)軟件與服務(wù)器通過(guò)TCP/IP協(xié)議通信，從服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)并顯示與交互界面。界面如圖4所示。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文利用STM32f103主控芯片、5G模塊、水質(zhì)檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)了基于5G的遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。從硬件設(shè)計(jì)到軟件設(shè)計(jì)，從下位機(jī)程序到上位機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了完整的全系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)簡(jiǎn)化了濕地保護(hù)人員的數(shù)據(jù)采集工作，高效、穩(wěn)定地運(yùn)行于濕地環(huán)境。

作者單位：白哲佳? ? 長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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