基于OneNet平台的水质远程监测系统设计

侯杰林，张青春，符　骏

(淮阴工学院 自动化学院，江苏 淮安 223003)



基于OneNet平台的水质远程监测系统设计

侯杰林，张青春*，符骏

(淮阴工学院 自动化学院，江苏 淮安 223003)

摘要：为了满足目前水环境质量实时监测的客观需要，针对现阶段水质监测中采用GPRS DTU设备进行远程监测时存在着需定期支付服务器租金增加使用成本、服务器接入方式单一增加开发难度等问题，设计了一种基于OneNet开放平台的无线远程监测系统。该系统采用微处理器、GPRS通信、GPS定位和云服务等技术，解决了以上问题，实现了对水质的实时无线远程监测。同时凭借OneNet平台在监测网络领域的数据存储、数据安全和大数据分析等平台级服务，能够适应未来水质监测的发展趋势。

关键词：远程监测；OneNet；GPRS

0引言

2015年4月16日国务院印发了《水污染防治行动计划》，旨在污水处理、工业废水与全面控制污染物排放等多方面进行强力监管。随着现阶段无线远程传感监测技术的快速发展，水环境监测已经从传统的人工定时现场采集向远程在线监测的方式转变。在众多的监测系统设计中，通常购买GPRS DTU设备用于数据的远距离传输[1]，然而这种设计存在以下问题：第一，需租用GPRS DTU生产厂家的服务器，要定期支付租用费，增加了使用成本；第二，GPRS DTU厂家提供的服务器绝大多数不开源且接入方式单一，不利于技术开发人员的设计开发；第三，监测时需使用特定软件，不具有开放性，不方便监管人员随时随地对水质进行监测。为了解决以上在水质监测方面存在的问题，同时又适应未来物联网时代的发展趋势，本文提出了基于中国移动物联网开放平台的水质无线远程监测系统。

1系统总体设计方案

监测系统的总体结构图如图1所示，由无线传感节点、OneNet平台和监测中心三大部分组成[2]。其中无线传感节点用于对水质进行采样分析与处理，并将得到的数据通过GPRS上传到OneNet平台。OneNet平台对接收到的数据进行处理和存储。监测中心可以通过网页或者其它能够访问互联网的上位机对OneNet平台进行访问，从而实现对指定区域的水质状况进行实时监测。

图1　无线监测系统总体结构图

2系统硬件设计

监测系统硬件结构框图如图2所示，主要由数据采集模块、GPRS通信模块和电源模块3个模块组成。其中水质数据采集模块主要将水质传感器所监测到的模拟信号进行分析与处理，然后将数据通过TTL串口发送到GPRS通信模块。GPRS通信模块再将接收到的数据上传至OneNet平台。

图2　无线传感节点的组成框图

2.1水质数据采集模块

水质数据采集模块采用ATmega328P核心处理器对传感器模块采集到的数据进行分析、处理和存储[3]。其内部时钟频率为20MHz；有23个输入/输出线和8个模数转换器输入端口；电源电压为1.8V～5.5V；接口类型有I2C、SPI、USART三种类型。采用先进的RISC体系结构，具有高性能、低功耗、高耐力非易失性内存段、上电复位和可编程布朗出检测等特点[4]。

传感器参考环保部门制定的水质检测标准，对水环境中的PH值、水温、溶解氧等方面进行采样检测。如温度传感器，采用的是DS18B20传感探头，其输出数字信号与温度成线性关系，通过一条杜邦线与ATmega328P处理器数字输入接口连接。

2.2GPRS通信模块

GPRS通信模块采用SIM808，该模块采用SMT封装形式，其性能稳定，性价比高。SIM808采用标准接口，GSM、GPRS工作频率为PCS1900MHz、GSM850、DCS1800、EGSM900，内嵌TCP/IP协议，可以低功耗实现数据和信息的传输[5]。同时SIM808还具有全球卫星定位GPS功能，适用于各类GPS定位导航系统。

3系统软件设计

系统软件的设计主要由无线传感节点软件的设计和监测中心软件设计组成。

3.1无线传感节点的软件设计

无线传感节点的软件设计流程图如图3所示。

图3　无线传感节点程序流程图

无线传感节点开机后，先对模块进行初始化，设定数据采集的I/O接口、模块的休眠时间等。之后对设备进行GPS定位，并将定位后的数据放入寄存器中等待GPRS发送[6]。接着ATmega328P微处理器对SIM808模块进行GPRS初始化，其发送指令如下：

Serial.print("AT+CGCLASS=”B” ");

Serial.print("AT+CGDCONT=1,”IP”,”CMNET” ");

Serial.print("AT+CGATT=1 ");

Serial.print("AT+CIPCSGP=1,”CMNET” ");

Serial.print("AT+CLPORT=”TCP”,”2000” ");

GPRS初始化结束后，将寄存器中的水质数据通过GPRS发送OneNet平台中。

GPRS与OneNet平台之间的通信分为RestFul API和EDP两种方式，其中RestFul API 基于HTTP 协议和json数据格式，适合平台资源管理、平台与平台之间数据对接、使用短连接上报终端数据及时间序列化数据存储等场景。EDP方式基于TCP协议，该协议只保证将传输数据包发送到指定设备，而不保证传输中存在的顺序问题，事务机制需要在上层实现；若客户端同时发起两次请求，服务器返回时，不保障返回报文的顺序。EDP协议一般适合于数据的长连接上报、透传、转发、存储及数据主动下发等场景。该系统采用短连接的方式进行终端数据上报，因此采用RestFul API传输的方式[7]。以GPS的RestFul API传输方法为例，其数据包格式如下：

POST /devices/*设备ID*/datapoints HTTP/1.1

api-key: *APIey*

Host: api.heclouds.com

Content-Length: *json数据包长度*

// 此处必须空一行。

{"datastreams":[{"id":"location","datapoints":[{"value":{"lon":*经度*,"lat":*维度*}}]}]}

SIM808模块按照HTTP协议与OneNet平台之间建立连接，之后ATmega328P微处理器将要发送的数据封装成json数据包上传至SIM808模块，SIM808模块以GPRS的方式将数据包发送到OneNet平台。从而完成对水质的采集、处理与传输等一系列过程。

3.2监测中心软件设计

监测中心软件设计基于中国移动物联网开放平台，又称OneNet平台，不仅提供免费服务而且适配各种网络环境和协议类型，支持各类传感器和智能硬件的快速接入，提供丰富的API和应用模板以支持各类行业应用和智能硬件的开发，能够很好地实现GPRS DTU设备厂家提供的服务器的所有功能，并且还能够满足监测网络领域的协议适配、数据存储、数据安全及大数据分析等平台级服务需求，为技术开发人员提供了很好的开发环境，降低了开发成本和用户的使用成本[8]。多种数据访问形式能够随时随地对水质状况进行实时远程监测。只需依据OneNet平台基本框架，按照其提供的丰富的API文档和接入文档创建一个对水质远程监测项目，便可建立起对指定区域的水质状况进行实时的远程监测的监管显示平台。

图4　资源管理层次机构

OneNet平台的资源管理层次机构如图4所示[9]。在OneNet平台下有用户、设备、APIKey、设备应用及触发器及数据流等组织结构。每个用户账户下，数据的管理以项目的形式进行封装，每个用户可以创建多个项目，每个用户可以对设备、APIKey、应用、触发器这些资源进行管理，用户可以在一个项目下创建多个设备、APIKey、应用及触发器，在单个设备下，用户可以创建多个数据流。同时，OneNet平台提供的触发器，在监测区域的水质状况超出国家水质标准时，会向预设目的地发送报警，从而增强环保部门以及其它相关部门的监管能力。

4试验结果

将无线传感节点放在淮阴工学院的池塘内，对其水质进行远程监测，试验结果如图5～8所示。从图5中可以看出，无线传感节点的GPS定位系统成功定位在淮阴工学院；图6中可以看到其水温维持在5.32℃；图7中可以看出其PH值为7.44；图8中可以看到水的溶解氧为5.4mg/L，可以知道池塘里的水处于Ⅲ类水质范围内。

图6　水温折线图

图7　PH值折线图

图8　溶解氧折线图

5结论

通过试验结果可以看出，系统结合水环境监测的客观需求，基于中移物联网有限公司打造的OneNet免费开放平台，能够很好地实现水质数据的实时采集和传输。该系统多种数据访问形式能够方便监管人员随时随地了解水质监测情况，同时免费开放的服务平台，降低了技术开发的难度、成本以及用户的使用成本，并且凭借OneNet平台在监测网络领域的设备连接、协议适配、数据存储、数据安全及大数据分析等平台级服务，将会适应未来大范围、跨区域的水质监测的发展趋势。

参考文献：

[1] 王兵利,张萍,熊刚.基于GPRS的农田气象信息监测系统[J].农机化研究,2015 (01):105-108.

[2] 樊建强,刘攀.基于GPRS数据通信的的水质自动监测系统设计[J].信息技术与信息化,2015(09):58-60.

[3] 王峰,王健,郭忠文.基于uC/OS-Ⅱ的嵌入式无线传感器网络平台的设计[J].计算机科学,2010,37(06):136-141.

[4] 高磊,屈媛,张建国,等.基于Arduino的智能家居环境监测系统设计[J].数字技术与应用,2015(06):154-154.

[5] 黎山峰,杨雷,孙建军.面向智慧社区的环境监测系统设计与实现[J].计算机测量与控制,2015,23(05):1785-1788.

[6] 张维文,孙耀杰,王彬宇.基于Android和SIM900A模块位置实时监控系统的设计与实现[J].中国矿业,2014(S2):362-365.

[7] 中国移动通信集团.从连接开始-中国移动物联网开放平台[EB/OL].[2016-01-01].http://open.iot.10086.cn.

[8] 中国移动通信集团.概述-中国移动物联网开放平台[EB/OL].[2016-01-05].http://open.iot.10086.cn/apidoc/accaaa/74.html.

[9] 中国移动通信集团.资源管理层次结构-中国移动物联网开放平台[EB/OL].[2016-01-08].http://open.iot.10086.cn/apidoc/accbbb/80.html.

(责任编辑：尹晓琦)

Design of Wireless Remote Monitoring System for Water Quality Based on OneNet Platform

HOU Jie-lin, ZHANG Qing-chun*, FU Jun

(Faculty of Automation, Huaiyin Institute of Technology,Huai'an Jiangsu 223003,China)

Abstract:In order to meet the objective need of real-time monitoring the quality of water environment, and solve problems in the use of DTU GPRS equipment for water quality remote monitoring at the present stage, which are the need to pay the rent of the server regularly increasing the cost of use and the difficulty of development based on single server access method, a wireless remote monitoring system based on OneNet open platform was designed. The system integrated many technologies such as microprocessor, GPRS communication, GPS positioning and cloud services. It not only solved above problems and achieved the real-time wireless remote monitoring on water quality, but also met the future development trend of water quality monitoring with the data storage in the field of monitoring network, data security, platform level data analysis services based on OneNet open platform.

Key words:remote monitoring;OneNet;GPRS

收稿日期：2016-02-20

作者简介：侯杰林(1990-)，男，江苏泰州人， 在读硕士，主要从事化工企业废水质量的远程监测研究；*为通讯作者。

中图分类号：TP393

文献标识码：A

文章编号：1009-7961(2016)03-0010-04