基于樹莓派的遠程水質監測系統設計

郭鵬飛，溫志渝，周 穎，劉海濤

(1.重慶大學 新型微納器件與系統國防重點學科實驗室， 重慶 400044；2.國家級微納系統與新材料技術國際聯合研究中心， 重慶 400044)

近年來，工業化程度的不斷提高造成了環境污染。在諸多污染中，水體污染對人類的健康帶來嚴重危害，并成為制約我國經濟社會發展的重要因素。因此，開展水質資源的監測與治理工作顯得尤為重要。水質監測是水資源環境保護及治理的基礎，而基于連續光譜分析的多參數水質監測技術已成為現代水質監測的重要發展方向[1-11]。

目前，多參數水質監測儀的控制系統存在多種解決方案，但均存在性能單一、軟硬件資源匱乏、開發周期長、擴展性低等缺點，難以適應水質光譜數據處理與傳輸的實際應用需求[1]。樹莓派因其具有統一的嵌入式操作系統、板載豐富的硬件接口、強大的社區及文檔支持、高擴展性、易移植等優點[2,11]，可滿足監測節點的功能要求，因此可作為監測系統的控制核心。目前監測數據傳輸的方式可分為有線傳輸、無線傳輸兩種。采用串行總線、現場總線的水質自動監測系統需要鋪設大量的電纜線，因此布線困難、施工難度大、線路易受破壞和腐蝕、維護成本高、監測范圍有限。而無線網絡傳輸具有智能化程度高、信息時效強、覆蓋區域廣、可擴展性好等優點，已成為遠程水質監控的普遍實現方式。

目前國內諸多研究機構均已開展了基于無線網絡傳輸技術的水質監測系統研究，包括基于ZigBee協議的無線傳感監測網絡和基于GPRS無線數據傳輸的無線監測網絡。在ZigBee的研究方面，李鑫星等[4]提出基于JN5239 的ZigBee無線模塊的無線水質監測系統，通過無線網絡定時收集現場測得的各路傳感數據，達到了水質監測實時性與數據精度的要求。黃健清等[5]提出基于無線傳感網絡(WSN)的水產養殖監測系統，采用MSP430F149 單片機作為處理核心，由nRF905 射頻芯片及外圍電路組成無線通信模塊，完成節點數據采集與處理、無線傳輸，實現水質環境參數的實時監測。而GPRS無線傳輸已穩定應用在各種環境監測中[6]。基于ZigBee的無線傳感網絡傳輸距離近、復雜度低、密集度高，難以滿足偏遠及缺乏網絡信號覆蓋地區的單個水質監測節點的使用要求。GPRS技術是在GSM基礎上發展起來的一種無線通信技術，具有覆蓋范圍廣、能高速傳輸和永久在線的優點，特別適用于遠程監控中高頻率、小數據量、間歇性的數據傳輸。此外，GPRS技術還可節省組網費用，無地理范圍限制，因此適用于大部分行業的應用需求[3]。

綜上所述，本文針對網絡信號覆蓋較弱和交通不便地區的水質在線監測的需求，提出以樹莓派+GPRS為核心的多參數水質遠程監控系統。該系統可滿足大范圍區域遠程水質監測的應用需求，并可有效實現節點監測儀器的智能化和網絡化。

1 遠程水質監測系統總體設計

本文針對當前水質監測網絡化、監測儀器智能化的要求，為解決交通不便地區的水質監測問題，設計了基于樹莓派的無線遠程水質監測系統。應用互聯網來訪問水質監測儀,通過將 GPRS 技術集成到水質設備中,實現遠程水質監測及數據回傳功能，如圖1所示。一旦監測節點發出報警信息,遠程中心與相應移動設備接收數據信息后可及時采取應對措施。

該系統主要包括以水質檢測設備為核心的監測節點和遠程監控數據中心兩個部分。節點負責監測記錄水體環境參數濃度等信息，解析源于監控中心的命令并做出應答。監控中心具有負責和各節點遠程通信的功能，建立用于數據存貯的網絡服務器，實時監測、管理來自各節點的水質數據。系統管理人員可通過上位機軟件訪問數據中心與控制監測節點，以便于數據的及時有效獲取及對監測節點做出應對措施。

圖1 監控系統框圖

2 節點硬件設計

節點監測設備主要由傳感模塊、控制模塊與數據傳輸模塊組成。傳感模塊以微型光譜儀作為水質信息的檢測核心，負責采集透射過反應室攜帶有水體信息的光譜數據。控制模塊以樹莓派作為核心單元，負責控制監測設備的正常運行，實現光譜數據的采集、處理與傳輸。GPRS傳輸模塊在硬件上以USB轉串口線連接至樹莓派USB接口，負責完成節點設備與遠程監控中心的通信。節點監測硬件框圖如圖2所示。

圖2 節點監測硬件框圖

2.1 監測傳感模塊

監測傳感模塊的核心傳感單元采用重慶大學微系統中心研制的紫外-可見微型光譜儀[8-9]，波長范圍在200～780 nm，分辨率為2 nm，可滿足多參數水質監測的使用要求。水質監測原理是依據朗伯比爾定律，在某一波段內光程差不變的條件下，被測物質的濃度與其在特征波長處的吸光度成正比。在進行水質監測時，儀器組成構件將待測水樣與試劑注入反應監測室,鹵鎢燈光源從反應監測室一側入射，另一側攜帶水質信息的光束通過光纖耦合的方式與光譜儀完成連接，控制模塊負責完成與光譜儀之間的數據通訊，進而實現參考光譜與吸收光譜的獲取。

2.2 控制模塊

本文以樹莓派(raspberry pi)作為系統控制與數據處理、傳輸的核心單元。樹莓派由英國樹莓派基金會推出，其最初是作為一種可靠的、低成本的微電腦，為鼓勵學生學習編程語言提供的開發工具。自2012年推出以來，歷經樹莓派A、B、B+、2B、3B多個版本的更新，在嵌入式開發領域發展迅猛。樹莓派3B采用系統級芯片BCM2837(Soc)，搭載統一的基于jessie的Linux開源操作系統[10-12]，支持C、C++、Python等語言。一方面，樹莓派相對于其他控制板具有豐富的社區支持，提供了開源的軟硬件文檔及相關例程，更容易快速學習，省略了此前搭建嵌入式linux系統平臺時的繁瑣步驟，縮短了開發周期；另一方面，該系統提供了軟件更新、漏洞修復以及安全維護等方面的支持，為系統長期穩定運行提供了可靠服務。樹莓派3B硬件資源豐富，具有40針的GPIO接口，板載多種SPI/串口及藍牙等通信接口方式，滿足了水質監測儀器內部各組成部件對硬件能力的需求(如光譜儀、注射泵、多位閥、蠕動泵等模塊的控制與通信)。此外，該片上系統板為構建一個完整的監控系統提供了更多的實現可能，如數據處理、存儲、設備配置、實時監控等功能。樹莓派3B硬件資源配置如表1所示。

2.3 傳輸模塊接口電路設計

樹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時數據傳輸與其他串口組件無時間沖突。為解決這種占用問題，在接口電路中對串口進行擴展，電路如圖3所示。本文通過選用CD4502差分四通道數字控制模擬開關控制串口輸出，MAX3232完成樹莓派接口電平至RS232串口電平的轉換。工作原理為：在應用軟件的不同應用子程序中編程控制樹莓派GPIO引腳信號的輸出，進而完成對模擬開關輸出通道的選擇。真值表如表2所示。

表1 樹莓派3B硬件資源配置

圖3 串口擴展接口電路

表2 CD4502控制信號與輸出通道真值

2.4 GPRS傳輸模塊

本文選用廈門才茂GPRS-DTU，令其工作在NONE激活方式下，即DTU自動根據預設號碼進行撥號并主動連接用戶中心服務器的數據中心，建立數據鏈路。DTU自動接收來自串口的數據并封裝成數據包，發送到用戶中心服務器的數據中心。在硬件接口方面，采用USB轉串口方式將GPRS模塊RS232串口連接至樹莓派擴展板串口擴展接口，不同串口采用不同的串口標識符，以便程序調用推送數據。該GPRS模塊在TCP模式下利用DTU 把從串口接收來的數據封裝成 TCP 的數據包發送到中心服務器。采用TCP 協議發送數據時，發送方發送的數據包是有序號的，接收方收到數據包后返回一個確認信息才算發送成功。如果超過一定時間發送方未收到確認信息，則認為接收方未收到數據而自動重發。

3 控制軟件設計

3.1 lwiring pi庫函數

與STM32單片機開發應用相類似，對于樹莓派GPIO的應用開發，可采用庫函數的方式，將底層寄存器通過函數進行封裝，開發者通過安裝相關的庫文件完成對相應的GPIO的操作。相較于傳統嵌入式linux開發需編寫驅動程序再調用的情況，其縮短了開發周期，提高了工作效率。目前存在兩種常用庫函數：基于C++語言的lwiring pi庫與基于python語言的python GPIO庫，可根據實際工程需要針對性選擇相應的函數庫完成項目開發。本文采用C++語言為基礎的lwiring pi庫函數進行開發，相關庫函數如表3所示。

3.2 樹莓派3B串口配置

樹莓派版本升級后，樹莓派3B CPU內部存在PL011 uart與mini uart。PL011uart即硬件串口，由硬件實現，有單獨的波特率時鐘源，性能高、傳輸穩定。mini串口性能低，功能簡單，沒有波特率專用的時鐘源而是由CPU內核時鐘提供，因此mini串口有個致命的弱點：波特率受到內核時鐘的影響。PL011uart在pi 3b中默認分配給藍牙通信模塊進行通信，mini uart默認分配給引腳pin14/15。相比老版本樹莓派而言，PL011uart默認分配給引腳pin14/15。因此，在應用時需將藍牙占用的硬件串口與分配給IO引腳的mini串口進行對換，在此儀器應用時可不利用藍牙功能。

相關配置代碼如下：

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

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

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

sudo systemctl disable serial-getty@ttyAMA0.service

4) 配置串口參數：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 相關庫函數

3.3 數據處理及報警軟件設計

水質監測節點處的軟件部分采用QT creator集成開發環境，以C++語言為基礎，完成儀器的控制、數據處理與傳輸報警等功能。光譜數據處理部分完成對微型光譜儀傳輸的多組光譜數據的獲取、儲存、去噪、扣除暗噪聲等預處理步驟后，針對采集特征波長點的參考光強與透射光強值求出其吸光度值，與所建立的標準濃度/吸光度曲線進行比較，判斷濃度是否超標,若超出閾值范圍則存貯報警信息并發送。節點光譜數據處理流程如圖4所示。

圖4 節點光譜數據處理流程

3.4 節點控制軟件設計

從系統需求角度考慮，水質監測節點通過定時傳送監測水質參數信息及參數超標信息兩種形式完成對監控中心的主動數據傳輸。圖5為樹莓派控制模塊與GPRS模塊之間的數據傳輸方式。主控模塊在出現報警或者其他中斷信息后將發送AT命令至無線GPRS模塊。根據其配置模式，一則含有水質參數超標的短消息將被發送至關聯手機號，詳細超標數據也將發送至監控中心數據庫。

3.5 監控端軟件設計

監控軟件的工作模式主要分為被動監聽和主動監聽兩種。軟件運行在被動監聽模式下時，在開機初始化配置后一直保持數據連接，監聽下位機傳輸至數據庫的水質數據，分析字符串；當監控端軟件處于主動監聽模式下時，主要實現對節點監測儀器的遠程控制與數據主動讀取的功能。在監控軟件中選擇相應數據端口，通過發送在線清洗、比色杯排空、監測池排空、指定回傳歷史數據等操作命令實現對水質監測節點的遠程操作。節點樹莓派處理單元通過解析串口接收的控制指令完成相應的操作。此種模式可對節點出現的故障做出及時應對處理。主動監聽與被動監聽的區別在于需要通過遠程發送命令、節點解析指令的方式等待數據監測節點執行指令。

圖5 節點數據傳輸方式

本文設計了用于記錄水體參數信息的數據表，采用Microsoft Access數據庫編制軟件創建。該數據庫是用來存儲各水質監測節點通過GPRS無線傳輸的來自監控中心的水體數據信息，包括采集水質數據的DTU ID，水質數據采集時間，水質參數類型(化學需氧量、總磷、氨氮、六價鉻離子等)，水質參數的數值，水質數據是否報警。在此創建兩個數據表：水質參數類型表(如圖6所示)和水質參數數據值表(如圖7所示)。水質參數類型表中包括“水體參數類型”和 “水體參數類型ID”兩個字段；水質參數數據值表中包括“水質參數的數值” “水質數據采集時間” “水質數據是否報警” “水質參數測得值” “水質參數閾值”“采集水質數據的DTU ID” “水質參數類型ID”這些字段。兩個數據表之間通過“水質參數類型ID”這一字段相關聯。遠程監控中心數據庫的數據信息的存貯與訪問如圖8所示。節點通過無線模塊與遠程中心建立TCP/IP連接，將節點監測數據存貯至數據庫，而監控中心設備通過上位機軟件打開并訪問數據庫，獲取中斷事件的信息。報警信息如表4所示。

圖6 水體參數類型表

圖7 水體參數數據表

表4 報警信息樣表

監測節點正常工作時，一旦有中斷事件發生，水體參數超標信息數據將被主控模塊記錄并存儲，待監控中心端TCP/IP程序打開TCP/IP套接字，完成TCP/IP初始化配置后，發送信息請求，監聽并等待監控端服務器的連接。建立通信關系后，數據將通過無線網絡存儲至數據庫。監控系統主流程如圖9所示，監控中心軟件界面如圖10所示。

圖9 監控系統主流程

圖10 監控中心軟件界面

4 結束語

本文研究的水質監測節點因樹莓派具有豐富的硬件接口，可擴展性強，可將其擴展為環境監測節點，將溫、濕度信息傳輸至監控中心。GPRS-DTU 在水質遠程監控中充分發揮了其技術成熟、系統穩定、實施費用低等優點，解決了無網絡覆蓋區域的數據遠傳。特別是在移動水質監測的使用方面，本系統大大降低了實施成本。

參考文獻：

[1] 魏康林.基于微型光譜儀的多參數水質檢測儀關鍵技術研究[D].重慶:重慶大學,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水質檢測儀自檢系統設計與實驗[D].重慶:重慶大學,2016.

[4] 李鑫星,王聰,田野,等.基于Zigbee的多參數水質在線監測系統[J].農業機械學報,2015,46(12):168-173.

[5] 黃建清,王衛星,姜晟,等.基于無線傳感器網絡的水產養殖水質監測系統開發與試驗[J].農業工程學報,2013,4(2):183-190.

[6] 吳秋蘭,梁勇.基于GPRS的無線水文自動測報系統的設計[J].計算機工程,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,溫志渝,謝瑛珂,等.基于樹莓派的多參數水質檢測儀控制系統設計[D].重慶:重慶大學,2015.

[9] 韓孝貞.多參數水質檢測儀控制與數據處理軟件系統設計[D].重慶:重慶大學,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.