基于物聯網和大數據的水域天網監測系統①

丁越昌,李 攀,林真友,曹文旭

1(西南科技大學 信息工程學院,綿陽 621010)

2(西南科技大學 經濟管理學院,綿陽 621010)

當前,我國工業、生活廢水排放問題明顯,廢水不僅會污染水域,破壞生態平衡,也會危害動植物健康.并且,我國存在許多需要監測水質但難以實行的區域,如公共流域、生態區、水產業、農業等,但目前主要依靠人工采樣、大型設備等方式進行監測,這些方式存在監測范圍小、效率低、成本高等許多問題,無法滿足我國污水水域的數量多、范圍廣的需求.

目前國內董浩等學者研究了一種實現水質實時監測、進出水自動控制、二次利用水量統計的水質監測系統[1];國外則較少學者研究此類課題,有Arif U.Alam等學者設計了一種測量pH、溫度、游離氯的集成測量設備[2],但他們都并未研究多節點分布監測、云端大數據分析等內容.隨著物聯網、大數據、云計算等高新技術迅速發展,萬物智能互聯已經變得觸手可及,智慧概念[3]融入了生活方方面面.

綜合上述,本項目立意于“互聯網+環境”的環境治理和可持續發展狀況,綜合運用傳感采集、無線通訊、物聯網、大數據挖掘處理與可視化等技術,致力構建“水域天網”,希望改善依靠傳統方式監測范圍小、效率低,或難安裝、成本高等問題,改善我國廢水排放量大,且很多流域難以監測的現狀,簡化水質監測過程,提高單位經濟效益與我國水質監測與治理進程.

1 系統架構和原理

1.1 系統架構設計

系統整體框架如圖1所示,包含感知層、網絡傳輸層、應用層.感知層由傳感器與ZigBee組成,負責采集一定范圍的指標數據.網絡傳輸層包括ZigBee無線傳感網絡、RS485通信、GPRS/4G通信、TCP/IP通信、HTTP傳輸,是一種多重復合的數據傳輸路徑.應用層即云端大數據平臺[4],實現設備定位監控,設備添加,數據通信,大數據處理、挖掘分析、儲存,圖表分析展示等功能.

圖1 系統整體設計結構圖

1.2 系統工作原理分析

水質數據由各傳感器采集后,傳輸到ZigBee的數據采集通道[5].ZigBee對數據進行濾波、轉換等處理后,通過無線組網技術,實現數據在多個節點間無線傳輸.協調器負責接收組網中各節點的信息,將數據處理成一定格式報文后,通過RS485傳輸給STM32嵌入式系統.嵌入式系統將信息處理分析后,進行可視化顯示,并判定指標情況,若異常則驅動LED和蜂鳴器報警;然后嵌入式系統將數據處理成報文格式,利用USART2,發送包含控制指令和數據的報文給GPRS/4G模塊,控制模塊激活和聯網,與云端服務器進行數據交互.云端服務器接收數據后,先保存在數據庫,再利用Python科學框架和算法進行大數據處理分析,分析結果由前端圖表和UI大屏界面通過HTTP協議、TCP/IP協議調用,進行可視化分析.

2 硬件設計

2.1 傳感器選型和接口設計

E-201-PH電極,采用玻球測量法測量pH,其接口電路設計成以模擬電壓輸出,并設計了DS18B20溫度傳感器總線接口,用于測量液體溫度值,也用作溫度補償算法.

GE-TS渾濁度探頭,帶溫度補償,以0～4.5 V模擬信號輸出,因ZigBee的ADC只能識別3.3 V以內,所以接口電路需將0～4.5 V模擬電壓分壓后,才能輸入ZigBee的ADC通道.

電導率傳感器為TDS探頭,以串口TTL信號輸出,所以需要利用ZigBee的串口給TDS模塊發送指令,使其返回一定格式的數據,再將數據提取、計算,來得到電導率數據.

2.2 STM32嵌入式系統設計

STM32自帶AD/DA轉換和多個串口,支持低功耗模式,所以本系統選用STM32作為終端系統.圖2是STM32 BOOT啟動模式電路.STM32需要使用RS485與協調器進行數據傳輸.其接收協調器數據并處理完后,在LCD屏幕上顯示,并判斷指標是否異常,然后通過串口2發送報文給GPRS模塊,來控制模塊連接網絡,與云端實現數據交互.

圖2 STM32 BOOT啟動模式電路

嵌入式系統設計包括最小系統和外圍電路兩部分,最小系統設計有3.3 V供電模塊、復位電路、12 MHz時鐘電路、BOOT模式選擇電路.外圍電路主要有EEPROM儲存模塊、LCD顯示屏、LED、蜂鳴器、按鍵、串口、GPRS/4G模塊,以實現本文要求的功能.設計原理圖如圖3所示(參考了正點原子).

2.3 ZigBee節點設計

TI CC2530自帶8路8～14位ADC,可引出多個I/O口拓展,可實現多節點組網傳輸,且功耗極低,所以本系統采用TI CC2530芯片作為ZigBee.

ZigBee硬件設計包括CC2530核心模塊和外圍電路.核心模塊設計了復位電路、32 MHz時鐘、3.3 V供電模塊,并引出RF接口外接功放天線來增加傳輸距離.外圍電路主要有LCD顯示屏、LED、串口、下載口、IO口引出.傳感器接口選擇P0.7作為DS18B20通信接口;P0.5作為ADC通道,讀取渾濁度、PH傳感

器信號(如圖4);P0.2 (RX)、P0.3 (TX)作為串口,采用CH340模塊通信(如圖5),來讀取電導率數據.CC2530核心模塊設計[6]原理圖如圖6所示.

本系統可采集溫度、渾濁度、電導率、pH值4個指標,而ZigBee的多節點組網特性,使其可根據實際需求,拓展增加其他指標和監測節點,所以該電路在設計時,引出了許多常用I/O接口,以提高其靈活性.

圖3 嵌入式系統原理圖

圖4 傳感器連接通道

3 軟件設計

3.1 數據采集與處理

水質傳感器采集到的信號經過轉換電路后,轉換為標準模擬信號、TTL信號等可讀取形式,然后由ZigBee通過ADC通道讀取.經測試發現,采集時可能出現無規律的干擾信號,且因采集的信號不是快速變化的,所以系統應采用防脈沖干擾平均濾波法進行濾波.濾波后,利用AD轉換公式將AD值轉換為電壓值,再利用經過擬合優化的轉換模型,將電壓值轉換為對應指標值;電導率采集則由ZigBee通過串口給傳感器發送一定格式的指令,使其返回一定格式報文,然后提取出報文中的數據,進行計算即可.ZigBee讀取和處理數據的程序流程如圖7.

3.2 數據傳輸層設計

對于一片流域,監測點選取需要考慮的因素有水域的距離、面積、水質變化梯度等.因此,在考慮功耗、水域面積、節約成本、范圍靈活等因素后,本系統網絡結構選擇了樹狀網絡拓撲.另外,我們研究了水域范圍特點,并據此修改了硬件布局和功放 ,同時優化組網的搜索、傳輸跳轉機制,使傳輸距離達到了350～650 m,這個距離比較適合水質變化梯度特點.

圖6 ZigBee核心模塊原理圖

圖7 ZigBee數據采集、處理、發送數據程序流程

樹狀拓撲結構包括一個協調器(Co-ordinator),以及一系列路由器(Router)和終端節點(End Device).協調器連接一系列路由器和終端節點,協調器下的子路由也可以連接一系列路由和終端節點[7],這樣可重復多個層級,每個層級由一個路由器主管和中轉,負責監視一塊區域,最后將數據匯總到協調器.此結構科學合理,可支持約300個網絡節點,支持拓展其他監測點和指標,適用于大部分水域范圍,基本滿足城市內的監測點要求,可搭建“水域天網系統”.樹形拓撲的結構如下圖8所示.

ZigBee在激活后,按如下順序執行相應程序:硬件和軟件初始化、運行系統、網絡初始化、加入網絡、完成組網.實現組網后,進入輪詢狀態,等待發送和接收事件,其組網的程序流程如圖9所示.

本系統的數據傳輸報文設計如圖10所示,Rx:為路由器編號,Ex:為終端節點編號.路由器R1負責傳輸自身采集的數據,也負責中轉其分支節點E1、E2的報文;其他路由和節點同理.協調器負責接收所有節點和路由的報文,并封裝報文格式,發給STM32,由STM32通過GPRS/4G網絡的TCP連接上傳云端,其部分代碼如圖11.

圖8 ZigBee樹形拓撲的結構

3.3 云端大數據平臺設計

云端大數據平臺是系統構架中的應用支持層,核心功能包括用戶注冊,設備添加、定位,數據通信,數據處理、分析、展示等.另外,云端使用分布式儲存技術,以支持多用戶多設備注冊;設計了PC端、移動端的頁面兼容;設定了多種接口和協議(TCP/IP、HTTP、MODBUS等),以提高兼容性、靈活性,方便更多其他的用戶和設備,按照協議接入使用云端,組建天網監測.云端通過調用百度地圖API定位和繪制熱力分布圖統一觀測各個區域(如圖12、圖13),支持選擇不同的監測區域,來詳細查看當地水質情況.

圖9 ZigBee樹形組網程序實現流程

圖10 數據傳輸報文格式

圖11 連接IP端口和發送數據部分代碼

大數據分析采用Python的Pandas、Numpy等技術,進行數據挖掘建模[8],利用回歸分析和貝葉斯算法[9],分析數據的分布點特征和關聯因素,分析影響因素規律,進而分析水質變化原因,推算影響因素指標.UI界面基于ONENET平臺搭建,繪制多種統計圖表,設計UI大屏統一展示,前端通過HTTP、TCP協議調用分析結果,將數據趨勢、統計情況、天氣等情況統一分析并展示,更科學、精準地分析水質情況和有害因素,達到提前預警和加快反應的效果.物聯網、大數據、UI大屏統一監測管理屬于新技術前沿.

4 系統實現與測試

為測試數據準確性,本實驗配置了3份pH標準溶液,其他指標采用現有儀器測量,作為參考標準值,來進行數據測試對比.測量pH值界面如圖14所示,各指標測量值與標準值對比結果如表1所示.

該系統運行測試在校內幾個湖泊進行.經實際測試,系統工作功耗低至22～38 mA,各節點正常采集、傳輸數據,并在屏幕顯示;整體數據傳輸路徑正常,丟包率0.88%;數據庫存儲、調用正常;云端大數據分析、UI大屏、統計圖表正常運行;各功能模塊均測試正常,系統整體測試通過.系統性能測試及分析如表2所示,云端大數據平臺效果如圖12、圖13所示.

圖12 農夫山泉純凈水pH和溫度測量

圖13 云端UI大屏和統計圖表界面

在實際大型流域場景中,本系統可如圖15的示例,進行布置監測.在該流域示例中,可以分別在上游、中游、下游布置一套系統.如有一些有實際特殊需求的位置,可根據實際情況增加指標和監測點.

5 結語

本項目基于多種水質傳感器、ZigBee無線傳感網絡、嵌入式系統、GPRS/4G、云端、大數據挖掘分析等技術手段,設計了一種基于物聯網和大數據的分布式水域天網監測系統.系統方案推論設計合理,系統結構合理,功能完善,實現了一種新型的低成本、節能低功耗、靈活易拓展、適用性普及性強的監測系統.多重數據傳輸路徑,使數據傳輸更高效穩定,且適合水質梯度變化特點,有效擴大監測范圍,可用于江流、廠業區、城市水路、水產品養殖業、農業、風景園林生態區等.

圖14 云端平臺監控界面2

表1 測試數據對比表

表2 系統性能測試表

經各功能模塊和整體系統聯調測試,系統實現了污水狀態多地分布式監控、預警、大數據UI大屏分析、多種科學圖表可視化,能科學地分析水質情況,分析有害因素,加快預警和反應速度,簡化水質監測過程.本項目在改善我國污水排放量大、水域多且難以監測等問題,提高單位經濟效益與我國水質監測治理進程方面,有著廣闊的發展前景與實際應用價值.

圖15 某流域搭建監測區示例