面向水務監測系統的數據處理單元設計與實現

丁承君，田軍強

（1.河北工業大學 機械學院，天津 300130；2.泰華宏業（天津）機器人研究院有限責任公司，天津 300400）

0 引言

自然環境與人類生存密切相關，隨著工業的高速發展，環境污染的問題開始凸顯且愈來愈嚴重。水污染則是環境污染中最主要的問題，由于水是我們日常生活中不可或缺的一部分，水污染直接影響著我們健康狀態。因此，水務監測正在成為我們目前亟待解決的重大問題。近幾年，隨著“物聯網”和“云計算”概念的提出，物聯網與環境監測融合已成為環境監測與管理新的發展趨勢[1]。將不同功能的傳感器集成后設置在某一區域不同位置，對該區域的環境參數、設備狀態以及視頻監控信息采集后，經由網絡設備實時傳輸到云平臺進行統一的存儲和分析，實現管理部門對某一大范圍區域的環境信息進行實時監控分析。目前的水務監測系統國內外的發展差異較大。國外的監測系統操作簡單，有較強的實用性，但是其采用的監測設備結構復雜，價格昂貴，難以適應我國廣流域的水域情況。而國內水務監測技術起步晚，自動監測儀器和數據分析技術相對落后，隨著科技的不斷進步，在某一范圍內能夠建立起比較完善的水務監測網。但在監測數據準確性和上傳的實時性方面仍存在問題。

本文針對水務監測方面多參數監測和數據準確性的問題，設計了適用的數據處理單元。在硬件方面設計多種傳感器適用接口，保證水務監測傳感器的接入，另外設計調節傳感器信號的電路來提高檢測精度，在軟件方面設計數字濾波技術來對數據進行平滑處理，降低偶然因素引起的數據變異，提高整個水務監測系統對某一大范圍區域內水務整體情況的準確性分析。根據不同用戶的需要，可增加不同監測指標的傳感器，進一步完善對水環境監測多方位、多方面的監測。

1 智慧水務監測系統

本文設計的智慧水務監測系統采用的是典型3層物聯網應用系統層次模型，由下到上依次是感知層、傳輸層和應用層[5]。在這個3層模型中，感知層是這個監測系統的水環境參數采集任務，主要是由各類傳感器組成；數據處理單元處于中間的傳輸層，完成對感知層數據的分析處理、上傳，實現與應用層的通信。智慧水務監測系統架構如圖1所示。

1）感知層

該層是智慧水務監測系統基礎數據的來源，主要由傳感器、攝像頭等感知物理環境信息的元器件組成，實現對環境信息的獲取。感知層相當于整個系統的“眼睛”、“鼻子”，通過水質、液位、總磷檢測等傳感器實現對一區域的河流、湖泊的情況實時感知，然后在傳感網絡中通過現場總線短距離傳輸技術傳遞數據。該層的關鍵技術包括水環境參數檢測技術、短距離無線通信技術等。

2）傳輸層

圖1 智慧水務監測系統架構

該層實現對感知層的數據預分析、處理，本地備份和上傳的功能。采集數據進行數字濾波處理，降低干擾后進行分析。按照環保標準設置閾值，一旦數據超過閾值，實現報警，直至應用層做出相關處理或采集數據恢復正常水平。

傳輸協議采用即時通信的MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）協議，該協議建立在TCP/IP網絡協議之上，可連接數量巨大的傳感器節點，適用于低帶寬通訊環境，并且具有發布、訂閱兩種模式，提供一種一對多的消息發布，為改變多節點采集頻率提供技術支持。

3）應用層

該層對傳輸上來的傳感器數據進一步計算、處理和知識挖掘，實現對物理世界中監測點周圍環境狀態的實時認知、達到精準管理和科學決策。應用層的核心功能是對海量數據的分析處理，將數據處理匯總之后簡單直觀的GIS地圖顯示出來。在水利方面，相關水務監測的各種傳感器屬于感知層，這些傳感器收集到某一區域河流湖泊的水文情況，由數據處理單元經過數字濾波技術預處理后，上傳到上層服務器。上層服務器的處理及其他工作屬于應用層，它主要匯總上傳的信息，根據相關標準設定預警值，不同污染級別對應不同顏色，提高對水務污染程度的辨識度，提醒相關工作人員，以便問題能得到及時反映和處理。

2 數據處理單元的硬件設計

2.1 數據處理單元硬件總體結構

為保證數據處理單元具有較高的數據處理能力以及廣泛的接入能力，采用高性能、低功耗、低成本的freescale ARM9 i.MAX287處理器，設計有4～20mA接口、485接口、232接口、ADC接口、CAN總線接口、以太網接口、GPIO接口、UART接口、3G/4G模塊、RAM模塊等各種類型的接口，滿足水環境監測的各類傳感器接入、連網和調試等功能。

圖2 數據處理單元硬件總體結構

2.2 主要接口硬件設計

2.2.1 PH傳感器檢測電路

本系統采用的PH傳感器為上海雷磁公司的E-201-CF型PH復合電極傳感器，該傳感器的輸出信號為微弱電壓信號，需要對該信號進行放大處理后進行模數轉換。由于傳感器內阻較高，采用輸入阻抗較高的運算放大器TLC4502CD來進行信號放大。該傳感器電極液PH為7，在檢測堿性待測液時，傳感器輸出信號值為負值，而負值信號無法進行模數轉換，且高阻運算放大器TLC4502CD為+5V的單電源供電，輸入的電壓信號不能為負值，所以必須對PH傳感器輸出信號正值化。采用基準電壓芯片LM385BZ-2.5產生2.5V的基準電壓，使用一個高精度電阻和一個可調電阻對2.5V電壓分壓得到所需要的電壓，設置一個電壓跟隨器，提高負載能力，降低前后級電路之間的影響，實現PH傳感器對0～14范圍PH值的高精度檢測。設計的PH傳感器電壓調節放大電路如圖3所示。正值化后輸出的電壓信號直接進行模數轉換，區分度低，檢測精度就會降低，因此需進行放大處理后進行模數轉換。

2.2.2 總磷檢測儀檢測電路

本系統選用的總磷檢測儀為DH311N1型，由說明書可知，其輸出信號為微弱的電流信號，一方面根據數據處理單元整體的電流電壓特點，一方面為保證檢測結果的精度，采用低偏置電流差分運算放大器OPA129來實現電流電壓的轉化。為防止引入干擾信號，在輸入端進行RC濾波，經過實驗所得濾波電阻R29選用1K阻值，濾波電容C34選用0.1uF，濾波效果最佳；同時為防止輸入端可能出現的危險電壓信號，因此選用TVS二極管在輸入端進行保護。為防止系統漂移誤差過大，采用T型反饋網絡來提高放大倍數，對R25、R26、R27、R28重要電阻選擇高精度、溫度漂移參數小于50ppm的金屬膜電阻。根據上述要求，設計的電流轉電壓電路如圖4所示。

圖3 PH傳感器電壓調節放大電路

圖4 電流轉電壓電路

轉換后的電壓值在進行模數轉換時檢測區分度小，誤差較大，因此對該信號進行二次放大，降低檢測誤差。本數據單元采用freescale ARM9 i.MAX287處理器自帶ADC，其最大采集電壓為3.3V，根據此要求則放大后的電壓接近但不大于3.3V，所以二次放大電路采用±5V雙電源供電的INA128放大芯片。根據G=1+50k/Rg的增益公式可知將Rg調節至17K的時候滿足要求。二次放大電路如圖5所示。

圖5 二次放大電路

2.2.3 3G/4G通信電路

3G/4G通信模塊采用龍尚科技的U8300C模塊，該通信模塊采用先進的、集成度極高的設計方案，將射頻、基帶、音頻等集成到一起，完成無線發射、接收、基帶信號處理以及音頻信號處理功能。在接口處設計濾波處理，提供3.3V電壓供電的時候需要滿足大電流輸出，因為在4G模塊啟動連接是電流峰值可以達到2A。U8300C在提供高速數據接入的同時，可提供短信、通訊簿等功能，同時支持AT命令擴展，可以實現用戶個性化定制方案。3G/4G通信電路如圖6所示。

圖6 3G/4G通信電路

3 數據處理單元的軟件設計

數據處理單元采用嵌入式Linux操作系統，它能將物聯通信設備接入工業現場標準化的多個異構網絡，具有廣泛的接入能力，支持底層現場設備所使用的多種類型的工業通信和現場總線協議，同時支持TCP/IP等互聯網協議，以連通上層信息管理系統，完成消息管理傳輸功能，以及保證其他在嵌入式操作系統上的應用程序正常運行。

由于監測的水域范圍較廣，監測點附近環境復雜，所以不可控因素較多，為了能夠的到準確的檢測結果，在軟件設計上采用改進的限幅平均濾波技術實現對采集數據的預處理。

根據監測點設置的位置，做監測數據實驗，由實驗結果設定前后采樣允許的采樣偏差D，當監測點設置后，每次上傳的數據先進行限幅處理，去除偶然因素引起的干擾，產生數據突然波動，影響后續的數據分析和挖掘，對環境的總體判斷會產生誤差。為提高對環境情況的精確性把控，對采集的數據先進行限幅處理后，再進行遞推平均濾波進行處理。假設傳感器采集的監測數據為x1，x2，…，xn-1，xn，…，xm，xm-1，…，先限幅處理x2-x1＜D，x3-x2＜D，x4-x3＜D，…，xn-xn-1＜D，…，xmxm-1＜D，…，上述一系列不等式成立，即滿足限幅要求，將滿足要求的數據再遞推平均處理，給定標準隊列長度為n，限幅處理后的數據首次處理結果：

第2次數據處理采用遞推平均值法，保持隊列長度不變，采用先進先出的規則，直接將x1踢出隊列，由xn+1頂替，其余的數據不變。同樣第3次數據處理，即踢出x2，由xn+2頂替，保持隊列內其余數據的位置不變。則每次遞推，隊列數據只需變化一次。

由式(1)～式(3)分析可知，每次數據處理是重復累加的數據過多，利用如式(4)進行改進：

這樣就可大大提高數據處理效率；同時隊列的長度也對數據處理的效率有直接影響。在本次設計中隊列長度取n=25。

4 系統測試

為了整個系統實現對各個傳感器的采集數據的接收，在實驗室環境下搭建水務環境監測平臺進行測試。實驗用水采用向湖水加入一定量的食鹽和少量含磷營養液，采集氣候為實驗室環境。某一時刻上傳的數據結果如表1所示。

2018年6月20日上午7:30～11:30時間段上傳的溫度數據經過改進的限幅滑動平均濾波之后的曲線如圖7所示。在曲線圖中氣溫數據平滑，能夠清晰準確地反映監

表1 水務監測系統測試數據

測點溫度變化情況。

圖7 氣溫曲線圖

5 結論

針對智慧水務監測系統多參數監測和采集數據準確性的問題，設計數據處理單元。為保證數據處理單元廣泛的適用性，設計水務監測的各類傳感器接口，同時在硬件上還采用合適的調節電路提高檢測精度，在軟件上設計改進的限幅平均濾波技術降低采集數據的偶然誤差，來增加采集上傳的數據的準確性。最后在實驗室搭建模擬水環境的實驗可以成功的接收多傳感器的采集數據，由實驗結果可分析出數據的準確性較高。下一步將該系統與GIS地圖結合，根據同一流域采集的數據大小不同即污染程度不同來實現污染源的溯源。