面向水务监测系统的数据处理单元设计与实现

丁承君，田军强

（1.河北工业大学 机械学院，天津 300130；2.泰华宏业（天津）机器人研究院有限责任公司，天津 300400）

0 引言

自然环境与人类生存密切相关，随着工业的高速发展，环境污染的问题开始凸显且愈来愈严重。水污染则是环境污染中最主要的问题，由于水是我们日常生活中不可或缺的一部分，水污染直接影响着我们健康状态。因此，水务监测正在成为我们目前亟待解决的重大问题。近几年，随着“物联网”和“云计算”概念的提出，物联网与环境监测融合已成为环境监测与管理新的发展趋势[1]。将不同功能的传感器集成后设置在某一区域不同位置，对该区域的环境参数、设备状态以及视频监控信息采集后，经由网络设备实时传输到云平台进行统一的存储和分析，实现管理部门对某一大范围区域的环境信息进行实时监控分析。目前的水务监测系统国内外的发展差异较大。国外的监测系统操作简单，有较强的实用性，但是其采用的监测设备结构复杂，价格昂贵，难以适应我国广流域的水域情况。而国内水务监测技术起步晚，自动监测仪器和数据分析技术相对落后，随着科技的不断进步，在某一范围内能够建立起比较完善的水务监测网。但在监测数据准确性和上传的实时性方面仍存在问题。

本文针对水务监测方面多参数监测和数据准确性的问题，设计了适用的数据处理单元。在硬件方面设计多种传感器适用接口，保证水务监测传感器的接入，另外设计调节传感器信号的电路来提高检测精度，在软件方面设计数字滤波技术来对数据进行平滑处理，降低偶然因素引起的数据变异，提高整个水务监测系统对某一大范围区域内水务整体情况的准确性分析。根据不同用户的需要，可增加不同监测指标的传感器，进一步完善对水环境监测多方位、多方面的监测。

1 智慧水务监测系统

本文设计的智慧水务监测系统采用的是典型3层物联网应用系统层次模型，由下到上依次是感知层、传输层和应用层[5]。在这个3层模型中，感知层是这个监测系统的水环境参数采集任务，主要是由各类传感器组成；数据处理单元处于中间的传输层，完成对感知层数据的分析处理、上传，实现与应用层的通信。智慧水务监测系统架构如图1所示。

1）感知层

该层是智慧水务监测系统基础数据的来源，主要由传感器、摄像头等感知物理环境信息的元器件组成，实现对环境信息的获取。感知层相当于整个系统的“眼睛”、“鼻子”，通过水质、液位、总磷检测等传感器实现对一区域的河流、湖泊的情况实时感知，然后在传感网络中通过现场总线短距离传输技术传递数据。该层的关键技术包括水环境参数检测技术、短距离无线通信技术等。

2）传输层

图1 智慧水务监测系统架构

该层实现对感知层的数据预分析、处理，本地备份和上传的功能。采集数据进行数字滤波处理，降低干扰后进行分析。按照环保标准设置阈值，一旦数据超过阈值，实现报警，直至应用层做出相关处理或采集数据恢复正常水平。

传输协议采用即时通信的MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）协议，该协议建立在TCP/IP网络协议之上，可连接数量巨大的传感器节点，适用于低带宽通讯环境，并且具有发布、订阅两种模式，提供一种一对多的消息发布，为改变多节点采集频率提供技术支持。

3）应用层

该层对传输上来的传感器数据进一步计算、处理和知识挖掘，实现对物理世界中监测点周围环境状态的实时认知、达到精准管理和科学决策。应用层的核心功能是对海量数据的分析处理，将数据处理汇总之后简单直观的GIS地图显示出来。在水利方面，相关水务监测的各种传感器属于感知层，这些传感器收集到某一区域河流湖泊的水文情况，由数据处理单元经过数字滤波技术预处理后，上传到上层服务器。上层服务器的处理及其他工作属于应用层，它主要汇总上传的信息，根据相关标准设定预警值，不同污染级别对应不同颜色，提高对水务污染程度的辨识度，提醒相关工作人员，以便问题能得到及时反映和处理。

2 数据处理单元的硬件设计

2.1 数据处理单元硬件总体结构

为保证数据处理单元具有较高的数据处理能力以及广泛的接入能力，采用高性能、低功耗、低成本的freescale ARM9 i.MAX287处理器，设计有4～20mA接口、485接口、232接口、ADC接口、CAN总线接口、以太网接口、GPIO接口、UART接口、3G/4G模块、RAM模块等各种类型的接口，满足水环境监测的各类传感器接入、连网和调试等功能。

图2 数据处理单元硬件总体结构

2.2 主要接口硬件设计

2.2.1 PH传感器检测电路

本系统采用的PH传感器为上海雷磁公司的E-201-CF型PH复合电极传感器，该传感器的输出信号为微弱电压信号，需要对该信号进行放大处理后进行模数转换。由于传感器内阻较高，采用输入阻抗较高的运算放大器TLC4502CD来进行信号放大。该传感器电极液PH为7，在检测碱性待测液时，传感器输出信号值为负值，而负值信号无法进行模数转换，且高阻运算放大器TLC4502CD为+5V的单电源供电，输入的电压信号不能为负值，所以必须对PH传感器输出信号正值化。采用基准电压芯片LM385BZ-2.5产生2.5V的基准电压，使用一个高精度电阻和一个可调电阻对2.5V电压分压得到所需要的电压，设置一个电压跟随器，提高负载能力，降低前后级电路之间的影响，实现PH传感器对0～14范围PH值的高精度检测。设计的PH传感器电压调节放大电路如图3所示。正值化后输出的电压信号直接进行模数转换，区分度低，检测精度就会降低，因此需进行放大处理后进行模数转换。

2.2.2 总磷检测仪检测电路

本系统选用的总磷检测仪为DH311N1型，由说明书可知，其输出信号为微弱的电流信号，一方面根据数据处理单元整体的电流电压特点，一方面为保证检测结果的精度，采用低偏置电流差分运算放大器OPA129来实现电流电压的转化。为防止引入干扰信号，在输入端进行RC滤波，经过实验所得滤波电阻R29选用1K阻值，滤波电容C34选用0.1uF，滤波效果最佳；同时为防止输入端可能出现的危险电压信号，因此选用TVS二极管在输入端进行保护。为防止系统漂移误差过大，采用T型反馈网络来提高放大倍数，对R25、R26、R27、R28重要电阻选择高精度、温度漂移参数小于50ppm的金属膜电阻。根据上述要求，设计的电流转电压电路如图4所示。

图3 PH传感器电压调节放大电路

图4 电流转电压电路

转换后的电压值在进行模数转换时检测区分度小，误差较大，因此对该信号进行二次放大，降低检测误差。本数据单元采用freescale ARM9 i.MAX287处理器自带ADC，其最大采集电压为3.3V，根据此要求则放大后的电压接近但不大于3.3V，所以二次放大电路采用±5V双电源供电的INA128放大芯片。根据G=1+50k/Rg的增益公式可知将Rg调节至17K的时候满足要求。二次放大电路如图5所示。

图5 二次放大电路

2.2.3 3G/4G通信电路

3G/4G通信模块采用龙尚科技的U8300C模块，该通信模块采用先进的、集成度极高的设计方案，将射频、基带、音频等集成到一起，完成无线发射、接收、基带信号处理以及音频信号处理功能。在接口处设计滤波处理，提供3.3V电压供电的时候需要满足大电流输出，因为在4G模块启动连接是电流峰值可以达到2A。U8300C在提供高速数据接入的同时，可提供短信、通讯簿等功能，同时支持AT命令扩展，可以实现用户个性化定制方案。3G/4G通信电路如图6所示。

图6 3G/4G通信电路

3 数据处理单元的软件设计

数据处理单元采用嵌入式Linux操作系统，它能将物联通信设备接入工业现场标准化的多个异构网络，具有广泛的接入能力，支持底层现场设备所使用的多种类型的工业通信和现场总线协议，同时支持TCP/IP等互联网协议，以连通上层信息管理系统，完成消息管理传输功能，以及保证其他在嵌入式操作系统上的应用程序正常运行。

由于监测的水域范围较广，监测点附近环境复杂，所以不可控因素较多，为了能够的到准确的检测结果，在软件设计上采用改进的限幅平均滤波技术实现对采集数据的预处理。

根据监测点设置的位置，做监测数据实验，由实验结果设定前后采样允许的采样偏差D，当监测点设置后，每次上传的数据先进行限幅处理，去除偶然因素引起的干扰，产生数据突然波动，影响后续的数据分析和挖掘，对环境的总体判断会产生误差。为提高对环境情况的精确性把控，对采集的数据先进行限幅处理后，再进行递推平均滤波进行处理。假设传感器采集的监测数据为x1，x2，…，xn-1，xn，…，xm，xm-1，…，先限幅处理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，即满足限幅要求，将满足要求的数据再递推平均处理，给定标准队列长度为n，限幅处理后的数据首次处理结果：

第2次数据处理采用递推平均值法，保持队列长度不变，采用先进先出的规则，直接将x1踢出队列，由xn+1顶替，其余的数据不变。同样第3次数据处理，即踢出x2，由xn+2顶替，保持队列内其余数据的位置不变。则每次递推，队列数据只需变化一次。

由式(1)～式(3)分析可知，每次数据处理是重复累加的数据过多，利用如式(4)进行改进：

这样就可大大提高数据处理效率；同时队列的长度也对数据处理的效率有直接影响。在本次设计中队列长度取n=25。

4 系统测试

为了整个系统实现对各个传感器的采集数据的接收，在实验室环境下搭建水务环境监测平台进行测试。实验用水采用向湖水加入一定量的食盐和少量含磷营养液，采集气候为实验室环境。某一时刻上传的数据结果如表1所示。

2018年6月20日上午7:30～11:30时间段上传的温度数据经过改进的限幅滑动平均滤波之后的曲线如图7所示。在曲线图中气温数据平滑，能够清晰准确地反映监

表1 水务监测系统测试数据

测点温度变化情况。

图7 气温曲线图

5 结论

针对智慧水务监测系统多参数监测和采集数据准确性的问题，设计数据处理单元。为保证数据处理单元广泛的适用性，设计水务监测的各类传感器接口，同时在硬件上还采用合适的调节电路提高检测精度，在软件上设计改进的限幅平均滤波技术降低采集数据的偶然误差，来增加采集上传的数据的准确性。最后在实验室搭建模拟水环境的实验可以成功的接收多传感器的采集数据，由实验结果可分析出数据的准确性较高。下一步将该系统与GIS地图结合，根据同一流域采集的数据大小不同即污染程度不同来实现污染源的溯源。