物联网技术在河流监测系统中的应用

1、物联网技术在河流监测系统中的应用摘要：本文研究的重点为RTU局部，首先详细介绍了系统的河流监测系统的核心局部RTU的硬件设计流程，包括硬件的整体设计和硬件各模块的设计;然后是软件实现过程，包括软件的整体设计，并详细介绍了采集模块和传输模块的软件业务流程。最后结合云端对整个系统的性能进行了综合测试，证明了本文设计的河流监测系统能实现实时采集和无线上传数据，并在云端展示的功能。关键词物联网河流监测单片机嵌入式1引言随着物联网的开展，每个真实的物体都可以通过电子标签连入互联网，形成一个庞大的物联网，最保守的预测认为在2045年将会有超过1千亿的设备连接在互联网上。因此物联网未来将会改变和影响我们的工

2、作生活各个方面。水是生命之源，随着我国工业化进程的逐步加速，随之而来的水污染问题也是不容无视的。绿树青山就是金山银山，也就是水污染问题已经成为制约我国经济开展和人民健康长寿的关键问题。而我国在在水污染治理这方面相较于兴旺国家起步晚且存在一定的差距。虽然市场上目前存在许多水质监测仪，能监测水质的综合指标，但我国目前多数河流的监测都是采用仪器采集人工读取的方式。这样并不能完全做到实时监控河道情况，也增加了人员开销，还不便于综合数据后期对河道水质进行综合分析。为了解决实时智能监测河流中水的温度、PH、电导率、溶解氧、浊度、氨氮、总磷、总氮、COD、叶绿素、蓝绿藻等;以及河岸的岸线雨量、河道水位与流量

3、。综合了嵌入式技术以及物联网技术，设计了一个基于嵌入式的低功耗河流监测系统。系统主要分为RTURemoteTerminalUnit远程终端设备和云端系统两局部。RTU的主控模块采用M6Y2C核心控制板和ARM控制芯片;采集模块预留ADC接口，RS485接口以及I0接口三种类型的传感器接口，外接传感器来采集河流的水位、水量以及水质等信息;然后将采集到的数据暂存在存储模块中;并通过通信模块将数据通过4G、2G或NB三种模式向云端发送数据;最终在云端可以查看RTU传输上来的各项河流数据。2河流监测系统的硬件设计RTU设备硬件要实现对水中的温度、PH、电导率、溶解氧、浊度、氨氮、总磷、总氮、COD、叶

4、绿素、蓝绿藻等;以及河岸的岸线雨量、河道水位与流量进行监测，并通过传输模块实现实时上传到云端效劳器上。因此本小节首先根据需求设计架构，再具体分析每个模块的功能。2.1RTU设备整体架构方案RTU设备要实现对水中状态进行监测就需要采集传感器，要实现实时上传到云端就需要设计传输模块。在进行系统设计时要注意以下几个要点：1要根据待采集的水质特征选择不同的传感器，并统计不同传感器的接口类型在RTU设备中预留一定数量的冗余采集接口;2要确保RTU设备所采集到的数据能最大可能的传送到云端效劳器，因此在进行系统设计时要考虑到向云端传输数据模块的冗余;3选择核心处理器时要考虑处理器能性能，在性能上能支撑同时处

5、理多传感器的数据的情况下尽量控制本钱。下一小节中将具体介绍RTU系统的硬件模块的设计;4要充分的考虑模块的供电冗余问题，保障模块的运行稳定性。2.2RTU设备的硬件节点设计根据2.1章节的设计要求，RTU设备的硬件节点的整体架构如图1所示。主要包含如下几个重要的局部：1主控模块：主控模块负责系统的流程控制，综合考虑性能的本钱，本文选用NXPi.MX6ULL，该主控SoC基于Cortex-A7核心，带有8路串口接口、2路百兆以太网接口、2路ADC接口和丰富的存储接口，能充分满足本文的设计要求。2接口局部：采集传感器接口包括ADC接口，RS485接口以及IO接口。其中ADC接口用以外接模拟传感器;

6、RS485接口用以外接基于Modbus协议的传感器，如水纹传感器、水质传感器;IO接口用来接开关量传感器，如雨量传感器。硬件设计上最多可支持外接传感器为64个，且支持三种接口不同类型传感器，充分考虑了传感器接口冗余的问题，可扩张展性较好。网络接口为RJ45接口，用以外接网络摄像头，实时监控河流状态。3存储模块用来本地暂时存储RTU设备所采集到的各种数据然后通过传输模块发送到云端，主要包括：传感器数据、视频图片、以及本地视频数据等，并且支持循环覆盖最早的视频。4通讯模块：通讯模块分为传输模块和Wi-Fi模块。先介绍传输模块，传输模块是将RTU设备采集到的数据向云端进行传输。通信模块可用4G、2G

7、、NB三种模式向云端进行无线数据传输。在数据传输过程中做了健壮处理，数据首先采取4G模式进行无线传输，假设传输失败;那么采用2G模式进行传输假设传输失败;那么采用NB模式进行传输。Wi-Fi模块用于本地局域网连接，嵌入式Wi-Fi模块向RTU设备附近发射一个局域网，当设备出现问题远程不能解决时，可本地登录RTU设备的Web界面进行状态浏览，查看错误代码方便检修，减少了设备运维过程中的复杂度。5备用电池，虽然设备运行的地方前会先铺设线路供电采用市电供电，但如假设市电出现停电或者电压不稳等供电故障的问题，那么电源会自动切换为电池供电。为设备的稳定运行提供了双保险。3河流监测系统的软件设计与实现本小

8、节主要介绍：3.1软件模块设计系统软件的设计框图如图2所示，从下到上依次为：硬件层、操作系统层开发环境是基于Linux操作系统、以及应用层。硬件层主要包括第2小节中介绍的各模块的硬件局部模块这里就不再赘述;開发环境是基于Linux操作系统的将Linux操作系统移植到单片机上面可以减少不必要的开发，将复杂的东西交给系统去处理。开发人员可以将放在关注点更多的放在软件设计上而不必过多的关注底层硬件的东西;应用层，应用层位于Linux操作系统之上，在逻辑上分为如下五个业务模块：数据采集业务模块、数据传输业务模块、Web应用模块、视频模块以及升级模块。由于篇幅有限本文会详细介绍两个应用层的两个核心业务模

9、块，分别是数据采集业务模块和数据传输业务模块。3.2采集模块业务模块程序设计采集负贵对中水的温度、PH、电导率、溶解氧、浊度、氨氮、总磷、总氮、COD、叶绿素、蓝绿藻等;以及河岸的岸线雨量、河道水位与流量进行监测，监测传感器的业务流程图如图3所示。以一次数据采集过程为例，模块上电后流程分为如下几步：1主控模块开始读取传感器的初始信息;2然后监测传感器信道是否空闲，如果正在传输数据那么等待;3假设信道空闲那么轮询下接的所有传感假设传感器未翻开那么继续轮询等待;4假设传感器翻开那么定时采集数据时间是否已到，本系统设置的采集周期是XXX，假设采集周期未到那么继续轮询等待;5假设采集周期时间已到那么设

10、置传感器通道模式为BUSY并采集传感器数据，采集完成后将数据发送到代发区等待发送;6对待发区数据进行采集，然后存储在存储模块中。采集完成后将传输通道值设为空闲即IDLE状态。3.3传输模块业务模块程序设计传输模块负贵将存储模块暂存的采集到的传感器数据，通过无线的方式发送到云端。发送模块的软件业务流程图如图4所示。以一次发送数据的过程为例：1首先读取系统初始配置，本模块中初始配置为先优先选择4G模式发送数据，其次2G，最后是NBiot模式;2做发送数据前的准备先和云平台通信建立联系;3等待定时发送数据时间假设时间未到那么继续等待。4假设定时时间到，即需要向云端传输数据那么发送数据。5假设数据没有

11、成功传送出去那么依次再尝试采用2G和NBiot模式传送数据。假设三次尝试都失敗，那么再次重新发送。6假设数据发送成功，那么判定是否处于周期上报模式，假设是那么关闭和云端的无线通信通道，进入休眠，等待下一个传送周期的时间到再唤醒重复传送过程。7假设不是周期上报模式，那么保持与云端的数据通信通道连接，保持监听，需要及时向云端上传数据。4系统的性能测试前面的第2和第3小节已经介绍了河流检测系统RTU设备的软硬件设计，本章接种我们将RTU设备通过网络和云端结合并进行测试实验分析。4.1RTU实验装置RTU设备的成品如图5所示。采用24v直流电源供电。上端有四个传输接口，分别是4G接口，NB接口，WiF

12、i接口以及预留的GNSSGlobalNavigationSatelliteSystem卫星导航定位模块。下端是电源接口和三种不同类型的传感器接口，分别是ADC接口，RS485接口以及I0接口用于外接采集传感器。4.2结合云端的采集传送测试将RTU设备放置于河边实验环境中，通过登录云平台查看数据可以查看采集到的各项数据，包括水的温度、PH、电导率、溶解氧、浊度、氨氮、总磷、总氮、COD、叶绿素、蓝绿藻等;以及河岸的岸线雨量、河道水位与流量。但文中由于篇幅有限，此处仅以两张水温和PH值的图片为例，如图6所示。从图6可以看出2021年3月15日从15：57-17：53这个时间段内每5分钟云端收到一个

13、河水的PH值，这段时间内河内的PH在7.0-7.1之间波动;从2021年3月13日从13：22-16：27这个时间段内每5分钟云端收到一个河水的温度值，河水的温度在9.0-9.1之间波动。通过测试结果可以看出本文设计的河流监测系统是可以实现对河流状态的监控.通过RTU中的采集模块外接各种功能的采集传感器进行数据采集，然后数据暂存到存储模块中，并通过传输模块定时向云平台传输传感器采集到的各项数据。最终通过云平台进行展示。5总结文中通过对河流监测系统的RTU设备的硬件局部的功能分析，和软件局部的程序设计，并结合云平台性能测试证明，河流监测系统可以到达对河流的水质情况和河岸环境进行监控的目的。将RT

14、U设备下端的传感器接口外接各种不同类型的传感器，可以采集河水的温度、PH、电导率、溶解氧、浊度、氨氮、总磷、总氮、COD、叶绿素、蓝绿藻等;以及河岸的岸线雨量、河道水位与流量。将采集到的传感器数据暂存到存储模块中，然后通过传输模块以4G、2G或NBIoT模式与云端连接并进行数据传输。最终在云端进行数据的展示。同时RTU设备在设计时考虑了供电冗余问题，正常情况采用市电供电，当市电输入不能支持设备运行时比方停电或者电压不稳时，可以自动切换为电池供电，增强了系统的可靠性。同时RTU设备还预留了网络摄像头接口可以支持网络摄像头;预留了GNSS模块接口，在环境复杂的情况下可以定位到RTU的具体位置;RT

15、U设备还内置Wi-Fi模块，当远端不能解决模块故障时，便于运维人员进行现场检修，而不需要拆掉RTU设备，就能通过RTU设备发送出的Wi-Fi登录Web界面查看故障原因，提高了运维人员运维效率。综上，本文设计的RTU河流监测设备可以实现对河流进行实时监测的目的，并做到了电源冗余，无线传输冗余，支持三类不同类型接口的传感器，支持GNSS，支持本地Wi-Fi检修等功能，具有创新性和较强工程应用价值。参考文献【1】杜晓通。无线传感器网络技术与工程应用M.北京：机械工业出版社，2021：13-32.【2】于含。基于物联网的河流水质监控系统设计研究D.吉林：吉林大学硕士学位论文，2021.【3】邹赛，刘昌明，李法平。基于无线传感器网络的水环境，监测系统J.传感器与微系统，2021，9：104-1