基于阿里云IoT平台的实时水质监测系统设计

时间：2024-05-04

邓韦，黄金鑫，王驰

(南京信息职业技术学院，江苏南京 210023)

1 需求分析

不断发生的水污染事件让人们对水环境的保护越来越重视，合理利用和防止水环境污染显得格外重要。传统的水质监测方法操作复杂度高、成本高、实时性差以及具有偶然性等缺点，很难大范围普及，也无法准确反映整个水体水质的变化过程，因此，需要新的水质监测系统来更好地实现对水环境的监测。

本文从水体水质的pH、溶氧度、温度等的监控着手，设计了一套实时水质监控系统。利用不断发展的物联网和云计算、云存储技术，采用Android工控板进行数据采集和处理，再通过4G网络上传到阿里云IoT平台，利用浏览器访问云平台即可远程实时查询信息和管理[1]。

2 系统设计

从功能结构上，系统可以分为水质采集模块、远程通信模块、公共云平台、应用终端4个部分。通过多个传感器，将水的pH、溶氧度、温度等信息采集到安卓工控板，进行多路数据统一处理和无线传输。采集到的数据通过内嵌的4G传输模块，经过4G传输网传输到Internet中的物联网云端服务平台，存储于云端服务平台的数据库中，系统应用终端可以是微信公众平台和Web平台。通过上述4个部分完成了水质pH、氧气浓度信息从监测点到监测中心的传输，再到应用终端的查看，实现了一个完整的水质远程实时检测系统结构[2]。系统总体结构框架如图1所示。

图1 系统总体结构框架

3 系统硬件设计

硬件系统主要包括pH、溶氧度等检测模块、控制处理模块、4G无线通信模块等。在需要检测的水资源中，按照面积需求部署一个或多个传感器，将水的pH、溶氧度等信息采集到安卓工控板，进行多路数据统一处理和无线传输。采集到的数据通过内嵌的4G传输模块传输到处于Internet中的物联网云端服务平台。工作人员利用Web平台访问云端服务器，实现对所监测区域水质的实时查询、历史记录查询等数据的分析工作[3]。系统硬件结构设计如图2所示。

图2 系统硬件组成

3.1 传感器

系统采用的pH数字传感器和溶氧数字传感器均为上海诺博环保科技有限公司生产的新一代智能水质监测数字传感器。(1)pH传感器，维护简便、高精度，高稳定性，抗干扰能力强，能精确测量溶液中的pH和温度值，测量范围为0～14 pH，1～100 ℃，测量精度为±0.02)pH，(±0.3)℃。(2)溶氧数字传感器，精确测量溶液中的溶解氧含量(DO)值和温度值，测量范围为0.0～20.0 mg/L，1.0～100.0 ℃，精度为溶解氧(±0.5%)FS、温度(±0.3)℃。

3.2 Android工控板和4G无线通信模块

系统采用嵌入式控制主板USR-ECB400A，集成了4G无线通信模块，提供长距离双向数据通信。将各种传感器采集到的信息进行多路数据统一处理后，按照指定的通信协议将数据远程上传到监测中心云服务器，最后，将数据保存到后台云数据库中[4]。

3.3 传感器与工控板之间的连接

系统中数字传感器采用的RS485电平信号，嵌入式控制主板USR-ECB400A采用的是TTL电平信号，所有在两者之间使用XY-K485板进行透传，实现了TTL电平信号与RS485电平信号的互转。

4 系统软件设计

4.1 系统实现功能

水质监测系统能够实现水体水质情况的24小时全天候智能化无人监测、远程实时在线监测水质情况；可通过Web平台对水源的pH、溶氧值等信息进行实时查询、历史数据查询、生成趋势变化曲线以及进行其他数据的分析。

4.2 软件设计流程

系统定时进行水质监测，其他时间处于休眠状态。水质传感器定时采集水质数据，并上传至工控板；工控板对数据进行预处理后，通过无线传输至阿里云IoT平台。系统软件设计流程如图3所示。

图3 软件设计流程

5 公共云平台

系统采用阿里云IoT平台作为云端数据的存储处理中心。设备终端把采集到的pH、溶氧量值等信息通过Internet网络以MQTT协议数据包格式上传给平台，并接收平台的MQTT数据包指令。

在阿里云物联网平台中建立连接，需要在云端创建产品和对应设备。为了保证传输数据的安全性和可靠性，每个设备需要具备物联网平台颁发的凭证才能连接，凭证内容包含 ProductKey，DeviceName，DeviceSecret，在云服务器中可以找到对应信息。设备凭证是设备与物联网平台交流的重要依据，需要在工控板程序中进行相关加载。工作人员在物联网平台的设备管理端可以查看数据信息，实现对所监测区域水质的实时查询、历史记录查询等数据的分析工作。物联网平台数据显示如图4所示。

图4 物联网平台数据显示