一種基于無線通信的河道水質監測方法

曹云輝 張鑫偉 魯曉東

摘 要：河道水質的自動化監測是河道治理智能化的基礎。由于河道狹長，水質監測節點分布廣，人工采樣效率低下。因此，設計一種短距離無線通信和GSM網絡相結合的數據傳輸方法，使分散的局域采樣點數據通過GPRS接口自動集中上傳到設定的遠程服務器，最后由前端的APP實現對各采樣數據點的處理和可視化，實現了河道水質實時遠程監測，提高了管理效率。

關鍵詞：無線通信;河道水質;云平臺

中圖分類號：X832? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）12-0136-03

1引言

舟山地處海島，四面環海，但卻是浙江省淡水資源最缺乏的地區，生產生活用水嚴重不足，年人均占水量是浙江省人均的四分之一。而隨著近十幾年來人們生產生活產生的廢水肆意排放，河道自我凈化速度已無法彌補水源的受污染程度，進一步加劇了水資源短缺。因此河道水質檢測顯得尤為重要，在河道水質監測當中數據上傳云端實現智能化監測更是現代化城市的重中之重。目前的水質監測通訊方案主要分為有線和無線兩種，其中無線通訊方案因其使用靈活且無需龐大的岸上設施等優點，受到廣泛的使用。

無線通訊方案的選擇繁多[1-2]，如Lora無線通訊技術[3]，這是一種遠距離的無線電技術，兼顧了低功耗和遠距離兩個特點，傳輸距離最遠可達15Km，但其缺點是城市中高樓林立會使其傳輸距離大打折扣，并且為了能夠實現遠距離傳輸，Lora是以犧牲傳輸速率實現的，因此其傳輸速率相較于其他通訊方案較低。還有的使用北斗通訊技術[4]，這是利用北斗衛星導航系統獨有的短報文功能，通過衛星將水質信息發送至地面站再傳輸至服務器。使用北斗通信系統首先其數據的安全性更高并且在獲取水質信息的同時也得到了每個節點精準的位置信息，并且由于通信是使用衛星因此不需要其他的傳輸網關并且沒有距離的限制甚至可以實現多個城市間、整條河所有流域的水質信息統計。但這個方案也存弊端，首先是成本較高，并且運行時功耗較高對供電環境有較高要求。

因此本文基于上述通訊方案的優缺點，設計了一種短距離無線通信和GSM網絡相結合的河道水質監測方法，在數據采集節點上使用短距離的無線射頻模塊，而后在一個固定范圍內部署一個搭載GPRS模塊的網關。利用短距離無線射頻模塊低功耗和高速率的特點實現數據采集節點的數據的上報，利用GPRS模塊無距離限制傳輸的特點將水質數據轉發至服務器，兩者相結合組成一個樹狀網絡結構，實現高效的河道水質監測。

2系統方案設計

2.1系統基本結構

系統主要分為數據采集節點、GPRS網關和云平臺三部分，如圖1所示。

其中數據采集節點布置于河道內，通過搭載各類傳感器采集河道水質信息，并將采集的水質信息通過射頻模塊發送給GPRS網關。GPRS網關作為中繼，將數據采集節點發的水質信息，通過GSM發送至云平臺。采用射頻模塊加GPRS模塊的組合方式，僅一個GPRS網關便可收集一個區域內N個數據節點通過2.4G射頻信號傳來的水質數據，并上傳至云平臺。組成一個樹狀網絡結構，如圖2所示，從而實現一條河流的分河段布置網關全流域的數據采集。最后，云平臺作為系統的最上層，將對信息進行處理并顯示在網頁端和APP端，實現底層的數據采集。

3系統硬件設計

3.1數據采集節點

數據采集節點硬件框架如圖3所示，使用STM32F103C8T6為主控，該芯片基于Cortex-M3內核最高工作頻率可達72MHz[5]，配備64K存儲器，板載兩個雙通道12位模數轉換器（ADC），可以實現對模擬量傳感器的電壓值采集并轉換為數字量。PH傳感器使用上海雷磁E-201-C型復合電極，測量范圍0-14PH，精度0.001PH。TDS傳感器[6]使用中江電子有限公司的模擬TDS傳感器，測量范圍0～1000ppm，測量精度5%F.S.。兩個傳感器均為模擬量，通過ADC進行采樣。溫度傳感器使用數字量DS18B20，采用單總線協議，測量范圍-55℃～+125℃。

3.2 GPRS網關

GPRS由于僅用于數據的接收和發送，因此使用較為經濟的STC8A8K64S4。使用NRF24L01模塊用于接收數據節點數據，模塊使用2.4GHz頻段通過SPI于MCU通信，數據收發時電流約為10mA，待機或掉電模式下功耗將更低。GPRS模塊使用SIM800C四頻GSM/GPRS模塊嵌入式的TCP/IP協議，使用AT指令便可完成服務器鏈接和數據的發送。硬件框架如圖4所示。

4軟件設計

4.1 傳感器數據采集節點

數據采集節點搭載了各類傳感器如溫度傳感器DS18B20、PH傳感器、TDS傳感器，其中溫度傳感器為數字量傳感器，通過單總線協議發送指令獲取溫度信息。而PH傳感器、TDS傳感器和溶解氧傳感器均為模擬量傳感器，通過單片機的ADC模塊采集各個傳感器的電壓值，并根據各個傳感器的轉換公式計算出結果。最后將這些數據打包通過NRF24L01模塊發送給GPRS網關。程序流程圖如圖5所示。

4.2 GPRS通信系統

GPRS模塊使用AT指令，如表1所示，通過單片機串口進行控制，在發送數據前首先需要通過AT指令設置GPRS模塊工作模式并連接云平臺。

GPRS網關程序流程如圖6所示。首先進行系統初始化，發送AT指令控制GPRS模塊進入工作狀態并連接云平臺準備發送數據。當網關接收到由數據采集節點發送的數據后，發送AT指令使GPRS模塊進入透傳模式并將接收的數據發送至云平臺。

4.3云平臺

Node-Red[7]是由IBM開發的一款開源物聯網云平臺項目，因其新穎的圖形化低代碼編程方式，全平臺通用等特點發展成為一種通用的物聯網編程工具。GPRS網關通過Node-Red平臺的TCP端口將數據上傳，平臺接收后使用解析函數對數據進行解析，并將數據通過Web顯示控件顯示。

5系統測試

學院文心湖為檢測對象，檢測節點1與檢測節點2相距100米距離，檢測時間段分布在13時至14時。在指定位置放好檢測器，檢測器在水中工作起來。通過搭載的GPRS模塊將水質監測傳感器的數據發送到基站，通過云平臺有兩種方式實現數據顯示。一個是Web網頁端如圖7所示，該時段節點1和節點2測定的數據，節點1測得湖水平均水溫14.8攝氏度、平均PH值為6.3、TDS（溶解性固體總量）131<300mg/L，由此可見該區域湖水的雜質含量較少，未出現水質污染的情況。

6結語

通過將短距離無線通信和GSM網絡相結合的方式，將實時的水質信息通過GSM移動通訊網絡傳輸至終端服務器，實現了低成本、大范圍的水質監測。目前GSM網絡覆蓋十分廣泛，因此可以實現整個城市河網或一條河流上中下游全流域的水質監測，為自動化的河道水質健康監測和管理提供強有力的保障。此外，GPRS網關可以進一步的優化，如選擇功耗更低的NB-IoT技術[8]，使節點對供電要求更低且成本更低。

參考文獻：

[1] 張娜，楊永輝.基于物聯網的水質監測系統設計與實現[J].現代電子技術，2019，42（24）：38-41.

[2] 李鑫星，王聰，田野，等.基于ZigBee的多參數水質在線檢測系統[J].農業機械學報，2015，46（S1）：168-173.

[3] 邱曙光，龐成鑫，賈佳.基于LoRa技術的河道水質在線監測節點設計[J].電子器件，2020，43（03）：691-697.

[4] 姚躍，虞麗娟，曹守啟，等.基于北斗通信的河道水質監測系統設計[J].計量學報，2020，41（10）：1291-1296.

[5] 吳迪，楊昊.在線多參數水質監測系統的設計與開發[J].中國計量大學學報，2018，29（03）：259-264.

[6] 張璐璐，孔國利.基于DSP和ZigBee的農田灌溉水質監測控制系統設計[J].農機化研究，2021，43（12）：229-232.

[7] 謝作如，林淼焱.用Node-RED讓物聯網數據可視化[J].中國信息技術教育，2019（11）：78-81.

[8] 葛金鑫，楊慧中.基于NB-IoT的低功耗窨井水質在線監測系統[J].現代電子技術，2021，44（06）：28-33.