基于物联网的太湖水质检测及预警系统研发

朱维琳,张超敏

(江苏联合职业技术学院 无锡机电分院,江苏 无锡 214028)

1 引言

太湖流域附近的无锡、苏州等城市淡水资源丰富,但由于其水质长期受到污染而淡水资源依然短缺。为保障湖岸居民用水安全,制定相关预防和处理方案已迫在眉睫。物联网技术[1]应用于水污染防治的监测研究还处于起步阶段,一方面缺乏实时获取水环境动态变化的技术和手段,另一方面对于环境监测网站所获取的当前数据及历史数据的分析处理能力十分有限。

我国目前水环境发展情况研究的核心是水环境的数据信息,包含数据的每个步骤,即采集、传送、处理包括展示等,第一步是从云平台的数据里得到需要的平台,接着是与智能化的相关控制技术相结合起来,最终完成大系统的智能决策[2]与控制要求。本研究充分利用3S、物联网等有关技术,研发一种实时的检测控制系统,做到对水环境系统数据的在线监控并进行相关的计算,在遇到突发状况时可迅速反应和应对,从而为相关部门水环境治理提供相关技术支持。

2 系统整体设计

本研究结合国家水质监测的要求对湖泊和水库的检测参数进行系统设计,提出整体的性能指标,并结合国家相关的技术理论知识,对整体化的设计进行分层设计,最终确定整体设计方案。整个水质监测报警系统包括无线基站、传感器节点、监控中心[3],系统的构成如图1所示。

图1 水质监测报警系统整体设计图

监控中心的核心是服务器,其主要功能是在无线基站实时把传感器节点得到的数据传输到服务器之后,对数据进行分析存储,并实时反映被监控位置的状态。传感器采集现场的实时数据,通过MCU微处理器对数据进行分析处理后,再通过无线收发单元传送到监控中心。被监控的场所和监控中心通过无线通信基站[4]实现数据的双向无线通信,通过GPRS业务把数据上传到互联网,服务器可以从互联网下载监控数据。

3 系统硬件设计

硬件设计包含监控平台、GPRS无线通信基站、传感器节点等。传感器节点实现监控现场环境参数的采集,GPRS无线通信基站则用于监控数据的无线远传。其中,传感器节点之间的无线通信通过射频[5]一体化芯片SI4432实现,数据远传则通过GPRS模块实现。硬件是软件执行的平台,良好的硬件性能是实现软件功能的基础。为了实现准确的参数测量,保证可靠的通信,硬件设计过程中须进行必要的电磁兼容设计。

GPRS[6]无线通信基站是水质检测系统的重要组成部分,主要起到传输数据的作用,是节点传感器与上位机之间数据交流的桥梁,其结构原理图见图2。SPI串口用于配置射频收发电路,射频收发电路采用的是SIM900A芯片。微处理器MCU仍选用C8051F410芯片,其他芯片的选型与传感器总体结构设计中所选相同。GPRS无线通信模块通过与MCU的外设接口相连,从而把相关数据传输给微处理器。

图2 GPRS无线通信基站结构原理图

4 系统软件设计

对于整个系统而言,硬件电路和软件两者密不可分。软件设计的好坏直接影响整个系统的运行。水污染防治预警系统软件设计的核心功能有:传感器节点与基站间的无线通信、GPRS无线通信数据的上传、SI4432A[7]通信等。本研究设计主要在KEIL环境中来开发下位机软件。

主站传感器[8]肩负着数据采集的功能,通过SI4432无线收发模块的广播通信协议,主从站之间进行各种数据的传输,每个主站可与多个从站交换数据。主站不断地将从站地址及对应配置信息广播出来,如BY1800,第一个字节B表示从站编号,第二个字节表示是否更改周期,Y表示更改,N表示不更改;数据1800(秒)表示更改后的测量周期。主站工作流程设计图见图3,所有从站会在主站发送广播从站地址及配置信息后,接收到该信息,但只有对应的从站接收到信息后,主站才会收到反馈信息,此时两者之间建立联系,从站紧接着发送测量数据信息,主站接收信息确认无误后,继续广播下一个站点。

图3 主站工作流程设计图

5 Web网页同MySQL数据库的信息交互

本文设计的太湖水污染防治预警系统服务器采用新浪云的SAE平台。Sina App Engine,简称SAE,是新浪云计算战略的核心组成部分[9]。新浪云SAE平台以PHP语言作为该平台中所有应用的自主开发支持语言,用户可以采用SVN、SDK或新浪云自身提供的Web版在线代码编辑器进行程序的开发与调试。新浪云还为用户提供了很多辅助的应用开发功能,大大减少了开发者的开发运营成本和开发风险。

太湖水质检测与预警信息管理系统的主要部分是满足监测需求、面向用户的上位机信息管理系统。系统的关键在于上位机Web网页界面与SAE平台的MySQL数据库[10]之间数据信息的交互,主要包括数据库信息的提取、修改,提取是获取监测数据,修改是改变测量参数。

在水质测量参数修改界面中输入相应的信息,点击确定按钮,通过以下代码来传输数据:

method="post"定义了测量参数信息以post方式传输,action="/xitong/1.php"锁定后台相关PHP程序,type="submit"定义了在form表单中创建的按钮是实现数据提交功能的按钮,点击提交按钮后,form表单内的内容被提交到后台对应的PHP程序。所提交的测量参数数据样式和数据库中存储的存在一定差异,需要对相关测量参数信息进行处理后再存入数据库中。

后台对应的PHP程序获取到测量参数的修改信息,并对相关数据库执行对应操作,关键代码如下:

$Sensor_ID=$_POST[Sensor _IDg];

PHP程序通过$_POST函数获取测量参数信息。首先新建一个字符串$ Sensor _ID;接着将页面中输入给'Sensor_ID'的传感器节点号以POST的方法赋值给字符串$'Sensor_ID;最后再打开数据库,执行对应的SQL语句,修改数据库中相关的水质测量参数信息。

$sql=

"update Sensor_par set vperiod=′".$vperiod."′,celiangperiod=′".$celiangperiod."′,

Sensor_location=′".$ Sensor _location."′,historydata=′".$ historydata."′,

celiangdata_begin=′".$ celiangdata_begin."′,celiangdata_end=′".$ celiangdata_end."′ where Sensor_ID=".$ Sensor_ID."";

$con->runSql($sql);//执行SQL语句数据库操作

上述语句就是水质测量参数的修改语句。

6 水质监测预警系统界面设计

水质监测预警系统界面设计包括水质监测测量参数设置界面设计、报警上下限界面设计和数据展示界面设计。参数设置界面的主要功能是输入修改的参数,这些测量参数通过后台PHP代码传输到对应的数据库并保存,如图4所示。实时数据界面的形式如图5所示,通过点击信息管理系统中的历史数据显示界面的“实时数据显示”,就可以采用超链接跳转到对应的实时数据显示界面。选取所需测量的参数的传感器编号,传感器检测到的最新水质测量数据信息就可以自动实时显示,也可以采用折线图的形式来显示不同水质测量节点数据的变化趋势。设置每500 ms扫描一次,从而保证数据能快速动态地更新。

图5 水质测量实时数据显示界面

7 小结

基于物联网的水污染防治预警系统的研究目前仍处于前期阶段,无线传感技术的持续创新和物联网技术的不断进步将推动这一领域向前发展。本研究暂时只完成了水污染防治预警系统的大体框架,基本能实现预期的主要功能,但整个水污染防治预警系统仍须继续完善和改进。本研究在设计时没有充分考虑系统的安全性,没有对系统出现故障的时候工作情况进行分析,没有考虑应如何防止故障的产生。同时,在能量问题上直接采用了电池模块进行供电,存在一定的局限性。实际使用中,还需要考虑整个系统的续航能力和环保性,可以考虑采用太阳能、水能、风能等清洁能源进行供能。