丁承君，田軍強(qiáng)

（1.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，天津 300130；2.泰華宏業(yè)（天津）機(jī)器人研究院有限責(zé)任公司，天津 300400）

0 引言

自然環(huán)境與人類(lèi)生存密切相關(guān)，隨著工業(yè)的高速發(fā)展，環(huán)境污染的問(wèn)題開(kāi)始凸顯且愈來(lái)愈嚴(yán)重。水污染則是環(huán)境污染中最主要的問(wèn)題，由于水是我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?，水污染直接影響著我們健康狀態(tài)。因此，水務(wù)監(jiān)測(cè)正在成為我們目前亟待解決的重大問(wèn)題。近幾年，隨著“物聯(lián)網(wǎng)”和“云計(jì)算”概念的提出，物聯(lián)網(wǎng)與環(huán)境監(jiān)測(cè)融合已成為環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理新的發(fā)展趨勢(shì)[1]。將不同功能的傳感器集成后設(shè)置在某一區(qū)域不同位置，對(duì)該區(qū)域的環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)以及視頻監(jiān)控信息采集后，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆破脚_(tái)進(jìn)行統(tǒng)一的存儲(chǔ)和分析，實(shí)現(xiàn)管理部門(mén)對(duì)某一大范圍區(qū)域的環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控分析。目前的水務(wù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展差異較大。國(guó)外的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，有較強(qiáng)的實(shí)用性，但是其采用的監(jiān)測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，難以適應(yīng)我國(guó)廣流域的水域情況。而國(guó)內(nèi)水務(wù)監(jiān)測(cè)技術(shù)起步晚，自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器和數(shù)據(jù)分析技術(shù)相對(duì)落后，隨著科技的不斷進(jìn)步，在某一范圍內(nèi)能夠建立起比較完善的水務(wù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)。但在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和上傳的實(shí)時(shí)性方面仍存在問(wèn)題。

本文針對(duì)水務(wù)監(jiān)測(cè)方面多參數(shù)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了適用的數(shù)據(jù)處理單元。在硬件方面設(shè)計(jì)多種傳感器適用接口，保證水務(wù)監(jiān)測(cè)傳感器的接入，另外設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)傳感器信號(hào)的電路來(lái)提高檢測(cè)精度，在軟件方面設(shè)計(jì)數(shù)字濾波技術(shù)來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，降低偶然因素引起的數(shù)據(jù)變異，提高整個(gè)水務(wù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)某一大范圍區(qū)域內(nèi)水務(wù)整體情況的準(zhǔn)確性分析。根據(jù)不同用戶的需要，可增加不同監(jiān)測(cè)指標(biāo)的傳感器，進(jìn)一步完善對(duì)水環(huán)境監(jiān)測(cè)多方位、多方面的監(jiān)測(cè)。

1 智慧水務(wù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的智慧水務(wù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的是典型3層物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)層次模型，由下到上依次是感知層、傳輸層和應(yīng)用層[5]。在這個(gè)3層模型中，感知層是這個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的水環(huán)境參數(shù)采集任務(wù)，主要是由各類(lèi)傳感器組成；數(shù)據(jù)處理單元處于中間的傳輸層，完成對(duì)感知層數(shù)據(jù)的分析處理、上傳，實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用層的通信。智慧水務(wù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1）感知層

該層是智慧水務(wù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的來(lái)源，主要由傳感器、攝像頭等感知物理環(huán)境信息的元器件組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境信息的獲取。感知層相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的“眼睛”、“鼻子”，通過(guò)水質(zhì)、液位、總磷檢測(cè)等傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)一區(qū)域的河流、湖泊的情況實(shí)時(shí)感知，然后在傳感網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線短距離傳輸技術(shù)傳遞數(shù)據(jù)。該層的關(guān)鍵技術(shù)包括水環(huán)境參數(shù)檢測(cè)技術(shù)、短距離無(wú)線通信技術(shù)等。

2）傳輸層

圖1 智慧水務(wù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

該層實(shí)現(xiàn)對(duì)感知層的數(shù)據(jù)預(yù)分析、處理，本地備份和上傳的功能。采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，降低干擾后進(jìn)行分析。按照環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置閾值，一旦數(shù)據(jù)超過(guò)閾值，實(shí)現(xiàn)報(bào)警，直至應(yīng)用層做出相關(guān)處理或采集數(shù)據(jù)恢復(fù)正常水平。

傳輸協(xié)議采用即時(shí)通信的MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）協(xié)議，該協(xié)議建立在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之上，可連接數(shù)量巨大的傳感器節(jié)點(diǎn)，適用于低帶寬通訊環(huán)境，并且具有發(fā)布、訂閱兩種模式，提供一種一對(duì)多的消息發(fā)布，為改變多節(jié)點(diǎn)采集頻率提供技術(shù)支持。

3）應(yīng)用層

該層對(duì)傳輸上來(lái)的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)一步計(jì)算、處理和知識(shí)挖掘，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界中監(jiān)測(cè)點(diǎn)周?chē)h(huán)境狀態(tài)的實(shí)時(shí)認(rèn)知、達(dá)到精準(zhǔn)管理和科學(xué)決策。應(yīng)用層的核心功能是對(duì)海量數(shù)據(jù)的分析處理，將數(shù)據(jù)處理匯總之后簡(jiǎn)單直觀的GIS地圖顯示出來(lái)。在水利方面，相關(guān)水務(wù)監(jiān)測(cè)的各種傳感器屬于感知層，這些傳感器收集到某一區(qū)域河流湖泊的水文情況，由數(shù)據(jù)處理單元經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波技術(shù)預(yù)處理后，上傳到上層服務(wù)器。上層服務(wù)器的處理及其他工作屬于應(yīng)用層，它主要匯總上傳的信息，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定預(yù)警值，不同污染級(jí)別對(duì)應(yīng)不同顏色，提高對(duì)水務(wù)污染程度的辨識(shí)度，提醒相關(guān)工作人員，以便問(wèn)題能得到及時(shí)反映和處理。

2 數(shù)據(jù)處理單元的硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)處理單元硬件總體結(jié)構(gòu)

為保證數(shù)據(jù)處理單元具有較高的數(shù)據(jù)處理能力以及廣泛的接入能力，采用高性能、低功耗、低成本的freescale ARM9 i.MAX287處理器，設(shè)計(jì)有4～20mA接口、485接口、232接口、ADC接口、CAN總線接口、以太網(wǎng)接口、GPIO接口、UART接口、3G/4G模塊、RAM模塊等各種類(lèi)型的接口，滿足水環(huán)境監(jiān)測(cè)的各類(lèi)傳感器接入、連網(wǎng)和調(diào)試等功能。

圖2 數(shù)據(jù)處理單元硬件總體結(jié)構(gòu)

2.2 主要接口硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 PH傳感器檢測(cè)電路

本系統(tǒng)采用的PH傳感器為上海雷磁公司的E-201-CF型PH復(fù)合電極傳感器，該傳感器的輸出信號(hào)為微弱電壓信號(hào)，需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大處理后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于傳感器內(nèi)阻較高，采用輸入阻抗較高的運(yùn)算放大器TLC4502CD來(lái)進(jìn)行信號(hào)放大。該傳感器電極液PH為7，在檢測(cè)堿性待測(cè)液時(shí)，傳感器輸出信號(hào)值為負(fù)值，而負(fù)值信號(hào)無(wú)法進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，且高阻運(yùn)算放大器TLC4502CD為+5V的單電源供電，輸入的電壓信號(hào)不能為負(fù)值，所以必須對(duì)PH傳感器輸出信號(hào)正值化。采用基準(zhǔn)電壓芯片LM385BZ-2.5產(chǎn)生2.5V的基準(zhǔn)電壓，使用一個(gè)高精度電阻和一個(gè)可調(diào)電阻對(duì)2.5V電壓分壓得到所需要的電壓，設(shè)置一個(gè)電壓跟隨器，提高負(fù)載能力，降低前后級(jí)電路之間的影響，實(shí)現(xiàn)PH傳感器對(duì)0～14范圍PH值的高精度檢測(cè)。設(shè)計(jì)的PH傳感器電壓調(diào)節(jié)放大電路如圖3所示。正值化后輸出的電壓信號(hào)直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，區(qū)分度低，檢測(cè)精度就會(huì)降低，因此需進(jìn)行放大處理后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

2.2.2 總磷檢測(cè)儀檢測(cè)電路

本系統(tǒng)選用的總磷檢測(cè)儀為DH311N1型，由說(shuō)明書(shū)可知，其輸出信號(hào)為微弱的電流信號(hào)，一方面根據(jù)數(shù)據(jù)處理單元整體的電流電壓特點(diǎn)，一方面為保證檢測(cè)結(jié)果的精度，采用低偏置電流差分運(yùn)算放大器OPA129來(lái)實(shí)現(xiàn)電流電壓的轉(zhuǎn)化。為防止引入干擾信號(hào)，在輸入端進(jìn)行RC濾波，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)所得濾波電阻R29選用1K阻值，濾波電容C34選用0.1uF，濾波效果最佳；同時(shí)為防止輸入端可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)電壓信號(hào)，因此選用TVS二極管在輸入端進(jìn)行保護(hù)。為防止系統(tǒng)漂移誤差過(guò)大，采用T型反饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)提高放大倍數(shù)，對(duì)R25、R26、R27、R28重要電阻選擇高精度、溫度漂移參數(shù)小于50ppm的金屬膜電阻。根據(jù)上述要求，設(shè)計(jì)的電流轉(zhuǎn)電壓電路如圖4所示。

圖3 PH傳感器電壓調(diào)節(jié)放大電路

圖4 電流轉(zhuǎn)電壓電路

轉(zhuǎn)換后的電壓值在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)檢測(cè)區(qū)分度小，誤差較大，因此對(duì)該信號(hào)進(jìn)行二次放大，降低檢測(cè)誤差。本數(shù)據(jù)單元采用freescale ARM9 i.MAX287處理器自帶ADC，其最大采集電壓為3.3V，根據(jù)此要求則放大后的電壓接近但不大于3.3V，所以二次放大電路采用±5V雙電源供電的INA128放大芯片。根據(jù)G=1+50k/Rg的增益公式可知將Rg調(diào)節(jié)至17K的時(shí)候滿足要求。二次放大電路如圖5所示。

圖5 二次放大電路

2.2.3 3G/4G通信電路

3G/4G通信模塊采用龍尚科技的U8300C模塊，該通信模塊采用先進(jìn)的、集成度極高的設(shè)計(jì)方案，將射頻、基帶、音頻等集成到一起，完成無(wú)線發(fā)射、接收、基帶信號(hào)處理以及音頻信號(hào)處理功能。在接口處設(shè)計(jì)濾波處理，提供3.3V電壓供電的時(shí)候需要滿足大電流輸出，因?yàn)樵?G模塊啟動(dòng)連接是電流峰值可以達(dá)到2A。U8300C在提供高速數(shù)據(jù)接入的同時(shí)，可提供短信、通訊簿等功能，同時(shí)支持AT命令擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)用戶個(gè)性化定制方案。3G/4G通信電路如圖6所示。

圖6 3G/4G通信電路

3 數(shù)據(jù)處理單元的軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理單元采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，它能將物聯(lián)通信設(shè)備接入工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化的多個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，具有廣泛的接入能力，支持底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所使用的多種類(lèi)型的工業(yè)通信和現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，同時(shí)支持TCP/IP等互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，以連通上層信息管理系統(tǒng)，完成消息管理傳輸功能，以及保證其他在嵌入式操作系統(tǒng)上的應(yīng)用程序正常運(yùn)行。

由于監(jiān)測(cè)的水域范圍較廣，監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近環(huán)境復(fù)雜，所以不可控因素較多，為了能夠的到準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，在軟件設(shè)計(jì)上采用改進(jìn)的限幅平均濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置的位置，做監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)定前后采樣允許的采樣偏差D，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置后，每次上傳的數(shù)據(jù)先進(jìn)行限幅處理，去除偶然因素引起的干擾，產(chǎn)生數(shù)據(jù)突然波動(dòng)，影響后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和挖掘，對(duì)環(huán)境的總體判斷會(huì)產(chǎn)生誤差。為提高對(duì)環(huán)境情況的精確性把控，對(duì)采集的數(shù)據(jù)先進(jìn)行限幅處理后，再進(jìn)行遞推平均濾波進(jìn)行處理。假設(shè)傳感器采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為x1，x2，…，xn-1，xn，…，xm，xm-1，…，先限幅處理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，即滿足限幅要求，將滿足要求的數(shù)據(jù)再遞推平均處理，給定標(biāo)準(zhǔn)隊(duì)列長(zhǎng)度為n，限幅處理后的數(shù)據(jù)首次處理結(jié)果：

第2次數(shù)據(jù)處理采用遞推平均值法，保持隊(duì)列長(zhǎng)度不變，采用先進(jìn)先出的規(guī)則，直接將x1踢出隊(duì)列，由xn+1頂替，其余的數(shù)據(jù)不變。同樣第3次數(shù)據(jù)處理，即踢出x2，由xn+2頂替，保持隊(duì)列內(nèi)其余數(shù)據(jù)的位置不變。則每次遞推，隊(duì)列數(shù)據(jù)只需變化一次。

由式(1)～式(3)分析可知，每次數(shù)據(jù)處理是重復(fù)累加的數(shù)據(jù)過(guò)多，利用如式(4)進(jìn)行改進(jìn)：

這樣就可大大提高數(shù)據(jù)處理效率；同時(shí)隊(duì)列的長(zhǎng)度也對(duì)數(shù)據(jù)處理的效率有直接影響。在本次設(shè)計(jì)中隊(duì)列長(zhǎng)度取n=25。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)傳感器的采集數(shù)據(jù)的接收，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建水務(wù)環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)用水采用向湖水加入一定量的食鹽和少量含磷營(yíng)養(yǎng)液，采集氣候?yàn)閷?shí)驗(yàn)室環(huán)境。某一時(shí)刻上傳的數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

2018年6月20日上午7:30～11:30時(shí)間段上傳的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)改進(jìn)的限幅滑動(dòng)平均濾波之后的曲線如圖7所示。在曲線圖中氣溫?cái)?shù)據(jù)平滑，能夠清晰準(zhǔn)確地反映監(jiān)

表1 水務(wù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)點(diǎn)溫度變化情況。

圖7 氣溫曲線圖

5 結(jié)論

針對(duì)智慧水務(wù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多參數(shù)監(jiān)測(cè)和采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的問(wèn)題，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理單元。為保證數(shù)據(jù)處理單元廣泛的適用性，設(shè)計(jì)水務(wù)監(jiān)測(cè)的各類(lèi)傳感器接口，同時(shí)在硬件上還采用合適的調(diào)節(jié)電路提高檢測(cè)精度，在軟件上設(shè)計(jì)改進(jìn)的限幅平均濾波技術(shù)降低采集數(shù)據(jù)的偶然誤差，來(lái)增加采集上傳的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。最后在實(shí)驗(yàn)室搭建模擬水環(huán)境的實(shí)驗(yàn)可以成功的接收多傳感器的采集數(shù)據(jù)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可分析出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性較高。下一步將該系統(tǒng)與GIS地圖結(jié)合，根據(jù)同一流域采集的數(shù)據(jù)大小不同即污染程度不同來(lái)實(shí)現(xiàn)污染源的溯源。