基于Air720模塊對水污染處理器數(shù)據(jù)采集及無線傳輸?shù)难芯?/h1>
2019-11-16 12:26:24吳月崢潘樂樂薛寶奇張青雨武曉彤沈艷霞魏慧賢
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2019年10期 關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程監(jiān)測自動(dòng)控制
吳月崢 潘樂樂 薛寶奇 張青雨 武曉彤 沈艷霞 魏慧賢
摘 要：針對傳統(tǒng)水污染監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率低、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性差的問題，基于Air720模塊設(shè)計(jì)了一種水污染處理器數(shù)據(jù)采集及無線傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)將信號處理技術(shù)與無線傳輸技術(shù)相結(jié)合，主要由采集終端、云服務(wù)器終端以及移動(dòng)終端三個(gè)模塊組成。采集終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，通過使用云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信號處理與數(shù)據(jù)無線傳輸，文中詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)采集過程及通信實(shí)現(xiàn)方式。與傳統(tǒng)的水污染監(jiān)測系統(tǒng)相比，所提系統(tǒng)極大地提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，為水污染處理器的遠(yuǎn)程監(jiān)測與自動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：Air720;信號處理技術(shù);無線傳輸技術(shù);水污染處理器;遠(yuǎn)程監(jiān)測;自動(dòng)控制
中圖分類號：TP271文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號：2095-1302（2019）10-00-03
0 引 言
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國水污染情況已不容樂
觀[1]。在傳統(tǒng)水污染檢測與處理中，數(shù)據(jù)傳輸需要將檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)送至管理中心的后方服務(wù)器上進(jìn)行分析與處理，耗時(shí)費(fèi)力，且數(shù)據(jù)傳輸多采用有線方式，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，成本高。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展與不斷完善[2]，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)的無線傳輸越來越顯示出其強(qiáng)大的優(yōu)勢。將數(shù)據(jù)的無線傳輸方式運(yùn)用于水處理檢測系統(tǒng)中，可大大減少耗能，增加數(shù)據(jù)報(bào)告終端的靈活性，打破有線傳輸?shù)木窒扌?，且?shù)據(jù)的傳輸速率也得到了大幅提升，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與有效性。
電解箱是一種新型水污染處理設(shè)備，體積小、效率高，在區(qū)域性污水處理場合有廣闊的應(yīng)用前景[3]。該設(shè)備中，水溫是影響污水處理的重要因素之一，因此本文采用Air720模塊提出一種水溫的數(shù)據(jù)采集和無線傳輸系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了水溫的采集過程與通信實(shí)現(xiàn)。
1 系統(tǒng)基本架構(gòu)
本文系統(tǒng)主要包括采集終端、云端服務(wù)器終端及移動(dòng)終端。其中，采集終端主要使用模擬量水溫傳感器，云端服務(wù)器終端采用Air720模塊，移動(dòng)終端為手機(jī)客戶端。系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖1所示。
采集終端實(shí)現(xiàn)對電解箱水溫的實(shí)時(shí)采集，Air720模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至云端服務(wù)器進(jìn)行儲(chǔ)存，云端服務(wù)器將接收的數(shù)據(jù)按次序存入自身數(shù)據(jù)庫，并把最新數(shù)據(jù)顯示在服務(wù)器端的網(wǎng)頁界面上，移動(dòng)端獲取頁面上的數(shù)據(jù)[4]。
云服務(wù)器終端的核心為Air720模塊，Air720是合宙通信近期推出的LTE Cat.4模塊，具備USB上網(wǎng)、標(biāo)準(zhǔn)AT以及Lua腳本二次開發(fā)等多種開發(fā)方式[5]。Air720模塊集成了多個(gè)工業(yè)接口，可同時(shí)接入多種設(shè)備，且支持多種驅(qū)動(dòng)，使得數(shù)據(jù)的接收、處理以及發(fā)送能夠同時(shí)進(jìn)行，且當(dāng)收到的數(shù)據(jù)較多時(shí)，該模塊可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)固定的存儲(chǔ)器模塊內(nèi)。在網(wǎng)絡(luò)使用方面，Air720全面支持中國移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)制式，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的無縫隙切換。Air720使用的MIMO技術(shù)保證了數(shù)據(jù)的傳輸速率以及準(zhǔn)確性[6]。利用通信協(xié)議接入OneNET平臺(tái)，從而在網(wǎng)頁和手機(jī)端實(shí)時(shí)觀察水溫?cái)?shù)據(jù)。
2 數(shù)據(jù)采集
為準(zhǔn)確、直接地測量水溫，數(shù)據(jù)采集模塊選用模擬量水溫傳感器，連續(xù)輸出模擬量的溫度，使得對水溫的探測更為準(zhǔn)確直接。但模擬量水溫在傳輸過程中易受干擾，因此需要將模擬水溫轉(zhuǎn)化為數(shù)字水溫進(jìn)行無線傳輸。
模數(shù)轉(zhuǎn)換需要經(jīng)過采樣、量化和編碼過程，其原理如圖2所示。
2.1 采樣過程
2.2 量化過程
模擬水溫信號進(jìn)行采樣過程后，連續(xù)模擬信號變?yōu)闀r(shí)間離散模擬信號，仍需要進(jìn)行量化才能變成數(shù)字水溫信號。
量化分為均勻量化與非均勻量化兩個(gè)過程[8]，均勻量化的量化間隔是均勻的，即若采樣信號的取值范圍為a～b，量化的電平數(shù)為M，則量化間隔為。對于該種量化方式，由于污水處理過程中所采集到的信號并非恒定，信號強(qiáng)度往往會(huì)隨著時(shí)間變化而發(fā)生變化，因此當(dāng)信號較小時(shí)，會(huì)造成信號的“量造比”較小，導(dǎo)致信號在傳輸過程中出現(xiàn)嚴(yán)重失真。為克服此缺點(diǎn)，本文系統(tǒng)使用非均勻量化的方式。
2.3 編碼過程
考慮系統(tǒng)中水溫的變化范圍較小，使用8位2進(jìn)制即可表示水溫的所有范圍。因此，模數(shù)轉(zhuǎn)換的編碼過程采用逐次比較型編碼器進(jìn)行PCM編碼，該編碼器可將輸入的模擬水溫脈沖編制出相應(yīng)的8位二進(jìn)制代碼，完全滿足系統(tǒng)需求。
3 無線傳輸
3.1 數(shù)據(jù)協(xié)議
為實(shí)現(xiàn)溫度采集功能，在OneNET平臺(tái)進(jìn)行操作。OneNET云平臺(tái)提供公開協(xié)議產(chǎn)品和私有協(xié)議產(chǎn)品。其中，公開協(xié)議產(chǎn)品有HTTP，EDP，MQTT，MODBUS等多種協(xié)議可供選擇[9]，本文使用HTTP協(xié)議，協(xié)議格式如下：
POST /devices/1078739/datapoints？type=5 HTTP/1.1
api-key：bryNsFvy26sbj91Isu5mHXp332fwIvtc=
Host：api.heclouds.com
Contents-Length：10
，;pm2.5，89
第一行：“POST”（注意空格）為本文采用的HTTP方法，意思是新增資源信息。
“/devices/1078739”是設(shè)備API地址的后半部分?！?datapoints？type=5”是數(shù)據(jù)格式，只有3，4，5這三種，系統(tǒng)中采用數(shù)據(jù)格式3。
第二行：“api-key：”后面是設(shè)備API-key。
第三行：“Host”是訪問的網(wǎng)址，即設(shè)備API地址的前半部分。
第四行：數(shù)據(jù)長度。
第五、六行：皆為空行。
第七行：傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
HTTP方法描述見表1所列。
3.2 上位機(jī)通信核心主要流程
上位機(jī)與下位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕惴鞒倘鐖D3所示。
4 結(jié)果分析
當(dāng)Air720連接到OneNET平臺(tái)時(shí)，將對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，傳輸頻率為每5 s進(jìn)行一次。數(shù)據(jù)通過在OneNET平臺(tái)上設(shè)置的數(shù)據(jù)流查看，同時(shí)可創(chuàng)建應(yīng)用，使其能夠在手機(jī)查看，對所需數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，即引入所需數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流如圖4所示，應(yīng)用的創(chuàng)建如圖5所示。
5 結(jié) 語
我國的水資源極度缺乏，人均水資源占有量與世界人均水資源占有量相比更甚[10]，而且我國水資源污染嚴(yán)重，因此合理處理污染水以此開發(fā)新的水源具有重要意義。而傳統(tǒng)的污水監(jiān)測處理系統(tǒng)效率低且精度不高，很難高質(zhì)量地解決污水問題，且由于供電電壓不穩(wěn)定，易造成機(jī)器損壞。本文通過使用Air720模塊、溫度傳感器等硬件，實(shí)現(xiàn)對水污染處理器的數(shù)據(jù)采集與快速、準(zhǔn)確傳輸，以及對污水全天候、實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，且系統(tǒng)操作簡單，便于安裝，適用性強(qiáng)，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。與傳統(tǒng)水污染監(jiān)測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，為水污染處理器的遠(yuǎn)程監(jiān)測與自動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
參 考 文 獻(xiàn)
[1]袁麗娟，孔繁昌.基于可持續(xù)發(fā)展角度下的水資源管理[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（17）：133.
[2]溫彬民.一種基于自適應(yīng)心跳機(jī)制的MQTT通信協(xié)議的研究與應(yīng)用[D].廣州：華南理工大學(xué)，2015.
[3]張翼飛.污水處理設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].天津：天津大學(xué)，2011.
[4]劉孝趙.基于ESP8266模塊的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測試，2017（21）：21-22.
[5]合宙通信.Air720 4G LTE 開發(fā)板 - 合宙Luat，ASR 4G模塊[EB/OL].[2018-08-13] . http：//www.openluat.com/Product/4g/S720.html.
[6]常玉春，余昭杰，李靖.基于建立-向下偏轉(zhuǎn)過程11-bit 1-MS/s逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2013，43（2）：480-484.
[7]李秋生，葉麗華.帶通信號采樣理論中的若干問題研究[J].井岡山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，38（2）：61-65.
[8]張巧玲.量化壓縮感知及其在IR-UWB接收機(jī)中的應(yīng)用[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.
[9]張萍.基于ESP8266和OneNET云平臺(tái)的遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2017，17（12）：64-67.
[10]金晶.山東省水資源非農(nóng)化驅(qū)動(dòng)因素研究[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.
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摘 要：針對傳統(tǒng)水污染監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率低、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性差的問題，基于Air720模塊設(shè)計(jì)了一種水污染處理器數(shù)據(jù)采集及無線傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)將信號處理技術(shù)與無線傳輸技術(shù)相結(jié)合，主要由采集終端、云服務(wù)器終端以及移動(dòng)終端三個(gè)模塊組成。采集終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，通過使用云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信號處理與數(shù)據(jù)無線傳輸，文中詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)采集過程及通信實(shí)現(xiàn)方式。與傳統(tǒng)的水污染監(jiān)測系統(tǒng)相比，所提系統(tǒng)極大地提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，為水污染處理器的遠(yuǎn)程監(jiān)測與自動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：Air720;信號處理技術(shù);無線傳輸技術(shù);水污染處理器;遠(yuǎn)程監(jiān)測;自動(dòng)控制
中圖分類號：TP271文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號：2095-1302（2019）10-00-03
0 引 言
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國水污染情況已不容樂
觀[1]。在傳統(tǒng)水污染檢測與處理中，數(shù)據(jù)傳輸需要將檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)送至管理中心的后方服務(wù)器上進(jìn)行分析與處理，耗時(shí)費(fèi)力，且數(shù)據(jù)傳輸多采用有線方式，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，成本高。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展與不斷完善[2]，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)的無線傳輸越來越顯示出其強(qiáng)大的優(yōu)勢。將數(shù)據(jù)的無線傳輸方式運(yùn)用于水處理檢測系統(tǒng)中，可大大減少耗能，增加數(shù)據(jù)報(bào)告終端的靈活性，打破有線傳輸?shù)木窒扌?，且?shù)據(jù)的傳輸速率也得到了大幅提升，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與有效性。
電解箱是一種新型水污染處理設(shè)備，體積小、效率高，在區(qū)域性污水處理場合有廣闊的應(yīng)用前景[3]。該設(shè)備中，水溫是影響污水處理的重要因素之一，因此本文采用Air720模塊提出一種水溫的數(shù)據(jù)采集和無線傳輸系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了水溫的采集過程與通信實(shí)現(xiàn)。
1 系統(tǒng)基本架構(gòu)
本文系統(tǒng)主要包括采集終端、云端服務(wù)器終端及移動(dòng)終端。其中，采集終端主要使用模擬量水溫傳感器，云端服務(wù)器終端采用Air720模塊，移動(dòng)終端為手機(jī)客戶端。系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖1所示。
采集終端實(shí)現(xiàn)對電解箱水溫的實(shí)時(shí)采集，Air720模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至云端服務(wù)器進(jìn)行儲(chǔ)存，云端服務(wù)器將接收的數(shù)據(jù)按次序存入自身數(shù)據(jù)庫，并把最新數(shù)據(jù)顯示在服務(wù)器端的網(wǎng)頁界面上，移動(dòng)端獲取頁面上的數(shù)據(jù)[4]。
云服務(wù)器終端的核心為Air720模塊，Air720是合宙通信近期推出的LTE Cat.4模塊，具備USB上網(wǎng)、標(biāo)準(zhǔn)AT以及Lua腳本二次開發(fā)等多種開發(fā)方式[5]。Air720模塊集成了多個(gè)工業(yè)接口，可同時(shí)接入多種設(shè)備，且支持多種驅(qū)動(dòng)，使得數(shù)據(jù)的接收、處理以及發(fā)送能夠同時(shí)進(jìn)行，且當(dāng)收到的數(shù)據(jù)較多時(shí)，該模塊可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)固定的存儲(chǔ)器模塊內(nèi)。在網(wǎng)絡(luò)使用方面，Air720全面支持中國移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)制式，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的無縫隙切換。Air720使用的MIMO技術(shù)保證了數(shù)據(jù)的傳輸速率以及準(zhǔn)確性[6]。利用通信協(xié)議接入OneNET平臺(tái)，從而在網(wǎng)頁和手機(jī)端實(shí)時(shí)觀察水溫?cái)?shù)據(jù)。
2 數(shù)據(jù)采集
為準(zhǔn)確、直接地測量水溫，數(shù)據(jù)采集模塊選用模擬量水溫傳感器，連續(xù)輸出模擬量的溫度，使得對水溫的探測更為準(zhǔn)確直接。但模擬量水溫在傳輸過程中易受干擾，因此需要將模擬水溫轉(zhuǎn)化為數(shù)字水溫進(jìn)行無線傳輸。
模數(shù)轉(zhuǎn)換需要經(jīng)過采樣、量化和編碼過程，其原理如圖2所示。
2.1 采樣過程
2.2 量化過程
模擬水溫信號進(jìn)行采樣過程后，連續(xù)模擬信號變?yōu)闀r(shí)間離散模擬信號，仍需要進(jìn)行量化才能變成數(shù)字水溫信號。
量化分為均勻量化與非均勻量化兩個(gè)過程[8]，均勻量化的量化間隔是均勻的，即若采樣信號的取值范圍為a～b，量化的電平數(shù)為M，則量化間隔為。對于該種量化方式，由于污水處理過程中所采集到的信號并非恒定，信號強(qiáng)度往往會(huì)隨著時(shí)間變化而發(fā)生變化，因此當(dāng)信號較小時(shí)，會(huì)造成信號的“量造比”較小，導(dǎo)致信號在傳輸過程中出現(xiàn)嚴(yán)重失真。為克服此缺點(diǎn)，本文系統(tǒng)使用非均勻量化的方式。
2.3 編碼過程
考慮系統(tǒng)中水溫的變化范圍較小，使用8位2進(jìn)制即可表示水溫的所有范圍。因此，模數(shù)轉(zhuǎn)換的編碼過程采用逐次比較型編碼器進(jìn)行PCM編碼，該編碼器可將輸入的模擬水溫脈沖編制出相應(yīng)的8位二進(jìn)制代碼，完全滿足系統(tǒng)需求。
3 無線傳輸
3.1 數(shù)據(jù)協(xié)議
為實(shí)現(xiàn)溫度采集功能，在OneNET平臺(tái)進(jìn)行操作。OneNET云平臺(tái)提供公開協(xié)議產(chǎn)品和私有協(xié)議產(chǎn)品。其中，公開協(xié)議產(chǎn)品有HTTP，EDP，MQTT，MODBUS等多種協(xié)議可供選擇[9]，本文使用HTTP協(xié)議，協(xié)議格式如下：
POST /devices/1078739/datapoints？type=5 HTTP/1.1
api-key：bryNsFvy26sbj91Isu5mHXp332fwIvtc=
Host：api.heclouds.com
Contents-Length：10
，;pm2.5，89
第一行：“POST”（注意空格）為本文采用的HTTP方法，意思是新增資源信息。
“/devices/1078739”是設(shè)備API地址的后半部分?！?datapoints？type=5”是數(shù)據(jù)格式，只有3，4，5這三種，系統(tǒng)中采用數(shù)據(jù)格式3。
第二行：“api-key：”后面是設(shè)備API-key。
第三行：“Host”是訪問的網(wǎng)址，即設(shè)備API地址的前半部分。
第四行：數(shù)據(jù)長度。
第五、六行：皆為空行。
第七行：傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
HTTP方法描述見表1所列。
3.2 上位機(jī)通信核心主要流程
上位機(jī)與下位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕惴鞒倘鐖D3所示。
4 結(jié)果分析
當(dāng)Air720連接到OneNET平臺(tái)時(shí)，將對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，傳輸頻率為每5 s進(jìn)行一次。數(shù)據(jù)通過在OneNET平臺(tái)上設(shè)置的數(shù)據(jù)流查看，同時(shí)可創(chuàng)建應(yīng)用，使其能夠在手機(jī)查看，對所需數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，即引入所需數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流如圖4所示，應(yīng)用的創(chuàng)建如圖5所示。
5 結(jié) 語
我國的水資源極度缺乏，人均水資源占有量與世界人均水資源占有量相比更甚[10]，而且我國水資源污染嚴(yán)重，因此合理處理污染水以此開發(fā)新的水源具有重要意義。而傳統(tǒng)的污水監(jiān)測處理系統(tǒng)效率低且精度不高，很難高質(zhì)量地解決污水問題，且由于供電電壓不穩(wěn)定，易造成機(jī)器損壞。本文通過使用Air720模塊、溫度傳感器等硬件，實(shí)現(xiàn)對水污染處理器的數(shù)據(jù)采集與快速、準(zhǔn)確傳輸，以及對污水全天候、實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，且系統(tǒng)操作簡單，便于安裝，適用性強(qiáng)，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。與傳統(tǒng)水污染監(jiān)測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，為水污染處理器的遠(yuǎn)程監(jiān)測與自動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
參 考 文 獻(xiàn)
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