基于OneNET的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉福祥，沈甦，鄧世英

（寧波技師學(xué)院 電氣技術(shù)系，浙江寧波，315032）

0 引言

隨著科技進(jìn)步，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新技術(shù)已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材、機(jī)械、食品、石油等各個(gè)行業(yè)，大量的控制器、傳感器、變送器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都需要接入云平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化、智能化。在食品加工車間、污水處理站、游泳館、環(huán)境監(jiān)測(cè)站等場(chǎng)所亦有將溫度、pH值等數(shù)據(jù)上云、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的需求，故設(shè)計(jì)了基于OneNET云平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過傳感器實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)的溫度和pH值信息，通過變送器、云網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺(tái)，用戶或管理人員可以通過Web端和移動(dòng)端查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

1 數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)包括以下部件：溫度傳感器、專用溫度變送器、pH值傳感器及變送模塊、云網(wǎng)關(guān)、OneNET云平臺(tái)、終端等。溫度傳感器、pH值傳感器實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過變送器與云網(wǎng)關(guān)之間使用RS-485與MODBUS協(xié)議通信，云網(wǎng)關(guān)通過4G通信模塊和HTTP協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺(tái)，終端使用Web端和微信小程序兩種方式呈現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由云網(wǎng)關(guān)、Pt100熱電阻溫度傳感器、E5CN歐姆龍溫度變送器、E-201-C型復(fù)合電極pH傳感器和變送模塊等組成。傳感器與變送器均使用工業(yè)上應(yīng)用廣泛的元件，如溫度變送器所采用的OMRON E5CN，為通用元件，具有可視、高速、高精度、簡(jiǎn)易運(yùn)算的特點(diǎn)，可以通過簡(jiǎn)單設(shè)置適配于熱電偶、熱電阻等多種型號(hào)溫度傳感器，既可以獨(dú)立運(yùn)行于簡(jiǎn)單溫控設(shè)備，又可以通過Modbus通訊協(xié)議與各種控制器配合應(yīng)用于復(fù)雜溫控系統(tǒng)，故在醫(yī)療器械、機(jī)械制造、食品加工、環(huán)保綠化等行業(yè)均有廣泛使用。

云網(wǎng)關(guān)為自行設(shè)計(jì)，采用樹莓派4B作為硬件平臺(tái)，其尺寸只有信用卡大小，卻具有電腦大部分功能，載有高性能64位四核處理器、提供4K雙顯示屏的Micro-HDMI端口、8GB的RAM，雙頻2.4/5.0 GHz無線網(wǎng)卡、藍(lán)牙5.0、千兆以太網(wǎng)端口及多路GPIO，這些特性較好的保證云網(wǎng)關(guān)硬件的穩(wěn)定、可靠、便攜、低功耗，保證云網(wǎng)關(guān)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和云平臺(tái)對(duì)接方便。云平臺(tái)使用485總線通訊，能實(shí)現(xiàn)多路采集，其軟件系統(tǒng)在Linux系統(tǒng)下采用Python語言編程實(shí)現(xiàn)，具有代碼精煉，代碼復(fù)用與遷移方便等特點(diǎn)。

圖2 云網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)

云網(wǎng)關(guān)使用SIM7600X 4G HAT網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊，該模塊保證云網(wǎng)關(guān)可以通過4G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程通訊?？紤]到可能無法到場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試，本系統(tǒng)采用了Zerotier工具來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)試功能。Zerotier是一款用于構(gòu)建異地虛擬局域網(wǎng)的工具，通過網(wǎng)頁(yè)后臺(tái)創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行管理，并通過電腦上的Zerotier客戶端連接各個(gè)異地控制器到虛擬局域網(wǎng)從而實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，由后臺(tái)分配虛擬IP地址，以通過虛擬IP對(duì)同一虛擬局域網(wǎng)下的其他控制器進(jìn)行訪問。要達(dá)成這一功能需要在PC端和控制器端安裝Zerotier工具端后進(jìn)行設(shè)定，若網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通就會(huì)顯示綠色的ONLINE。由于本系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)控制器采用樹莓派，其具有VNC功能，因此本地PC可直接與網(wǎng)關(guān)的屏幕通訊，或者直接與遠(yuǎn)程網(wǎng)關(guān)進(jìn)行文件傳輸。

3 數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要需實(shí)現(xiàn)如下功能： OneNET平臺(tái)搭建，數(shù)據(jù)讀取，微信小程序數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。系統(tǒng)軟件部分需在云網(wǎng)關(guān)、OneNET云平臺(tái)、微信開發(fā)者工具中實(shí)現(xiàn), 部分流程圖如圖3所示。

圖3 部分軟件流程圖

■ 3.1 OneNET云平臺(tái)搭建

系統(tǒng)使用OneNET云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)云端數(shù)據(jù)讀與傳輸，OneNET是由中國(guó)移動(dòng)打造的物聯(lián)網(wǎng)開放云平臺(tái)，提供數(shù)據(jù)點(diǎn)、API接口，能實(shí)現(xiàn)設(shè)備連接、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，可以適配多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括本系統(tǒng)所需HTTP及MQTT等協(xié)議，具有較好的便捷性、兼容性、安全性，OneNET平臺(tái)作為連接和數(shù)據(jù)的中心，能適應(yīng)各種傳感網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)，生態(tài)環(huán)境良好，滿足智能家居、可穿戴設(shè)備、車聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)健康、智能創(chuàng)客等多個(gè)領(lǐng)域平臺(tái)級(jí)需求，能有效降低部署和開發(fā)成本。本系統(tǒng)選擇了 HTTP 協(xié)議上傳傳感器數(shù)據(jù)到云平臺(tái)，HTTP 請(qǐng)求主要使用 POST 請(qǐng)求方法打包上傳數(shù)據(jù)，創(chuàng)建完成后需添加設(shè)備，設(shè)置產(chǎn)品溫度、pH值等屬性，獲得設(shè)備的ID和 API-KEY，如表1所示。同一個(gè)項(xiàng)目可以添加多個(gè)設(shè)備，以此通信信息在連接組件中用以識(shí)別設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和云端對(duì)接，進(jìn)而再進(jìn)行設(shè)備發(fā)布，顯示相關(guān)數(shù)據(jù)和采集時(shí)間。

表1 OneNET云平臺(tái)接口獲取通信信息

本系統(tǒng)選取的OneNET云平臺(tái)可以在云端進(jìn)行軟件的監(jiān)控界面的創(chuàng)建。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備與云端建立連接成功之后，數(shù)據(jù)通過HTTP協(xié)議上傳到云平臺(tái)，從而產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)據(jù)流，進(jìn)而可以在數(shù)據(jù)展示區(qū)進(jìn)行監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)。監(jiān)控控界面設(shè)計(jì)完成后，可以在PC端或者手機(jī)上登錄注冊(cè)O(shè)neNET的賬號(hào)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)控和操作。OneNET云平臺(tái)監(jiān)控界面如圖4所示，界面可以顯示現(xiàn)場(chǎng)所采集的 pH 值、2路溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。用戶可以根據(jù)表盤、柱狀圖、折線圖形式查看當(dāng)前所采集的信息，也可以通過近階段的歷史數(shù)據(jù)折線圖，判斷相應(yīng)情況。

圖4 OneNET云平臺(tái)監(jiān)控界面

■ 3.2 云網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)讀取與傳輸

云網(wǎng)關(guān)主要實(shí)現(xiàn)通過MODBUS協(xié)議從溫度、pH值變送器讀取實(shí)時(shí)溫度、pH值數(shù)據(jù)和將溫度數(shù)據(jù)以HTTP協(xié)議傳輸至云平臺(tái)兩個(gè)主要功能，以及遠(yuǎn)程控制等輔助功能。云網(wǎng)關(guān)采用linux系統(tǒng)和python語言編程實(shí)現(xiàn)功能，這也是采用樹莓派的重要原因。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備端，其內(nèi)置的Python可以導(dǎo)入MinimalModbus模塊，非常方便的實(shí)現(xiàn)MODBUS通訊。而對(duì)于云端，HTTP請(qǐng)求參數(shù)的內(nèi)容為JSON格式，其內(nèi)置的 Python 正是少數(shù)原生支持 JSON 的語言之一，不需要復(fù)雜的格式轉(zhuǎn)換，便可以非常方便的向服務(wù)器發(fā)送 Post 請(qǐng)求。云網(wǎng)關(guān)部分代碼如下：

■ 3.3 OneNET微信小程序監(jiān)控平臺(tái)

相比于APP，微信活躍用戶多，操作簡(jiǎn)單，可跨平臺(tái)使用，微信小程序具有免費(fèi)云存儲(chǔ)空間、低時(shí)延、開放的API接口等特點(diǎn)，云平臺(tái)只要能夠發(fā)送Post請(qǐng)求，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互?；谝陨锨闆r的分析，使用微信小程序作為移動(dòng)監(jiān)控端，開發(fā)了“數(shù)據(jù)云服務(wù)監(jiān)測(cè)”微信小程序，得到授權(quán)者可以通過此微信小程序查看當(dāng)前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。微信小程序和現(xiàn)場(chǎng)之間通過OneNET云平臺(tái)通信。如前文所述，在OneNET服務(wù)器上創(chuàng)建產(chǎn)品后，會(huì)有設(shè)備ID和APIKEY，微信小程序需通過OneNET的API接口和HTTP協(xié)議查看設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)、設(shè)備是否在線、下發(fā)給該設(shè)備指令。圖5為微信小程序用戶界面，界面同樣可以顯示現(xiàn)場(chǎng)所采集的 pH 值、2路溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用戶可以根據(jù)柱狀圖、折線圖查看當(dāng)前所采集的信息和歷史數(shù)據(jù)信息。微信小程序使用JavaScript語言，部分程序如下：

圖5 微信小程序顯示圖

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于OneNET云平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通過OneNET平臺(tái)與云網(wǎng)關(guān)和微信小程序數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)了多路溫度傳感器和pH值傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在PC端與移動(dòng)端顯示和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控。此系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、成本低、使用簡(jiǎn)單，能同時(shí)采集多路數(shù)據(jù)，代碼復(fù)用和遷移方便，便于擴(kuò)展至其它數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目應(yīng)用中。