基于树莓派的水源地水质监测系统设计

侯宝峰，杨腊梅，刘长俊，王秀春

(中国人民解放军理工大学 国防工程学院，江苏 南京 210007)

基于树莓派的水源地水质监测系统设计

侯宝峰，杨腊梅，刘长俊，王秀春

(中国人民解放军理工大学 国防工程学院，江苏 南京210007)

针对供水水源地远离市区、水质监测取样成本高等问题，设计了传感器+树莓派+云服务器的水质实时监测系统，实现了水厂工作人员远程对水源地水体重金属、pH值、浊度等参数的监测，并可以在水体受到污染后提供邮箱报警功能，减小了突发事件出现的风险。

树莓派；水质监测；物联网；Yeelink

0 引言

安全的饮水是人们生产和生活中必不可少的一部分，但随着城镇化进程的加速，我国城市和郊区周边的河流污染越来越严重，供水厂不得不从远离城市的河流上游取水，甚至跨区域调水[1]。对水源地水质进行有效的监测，不仅可以了解水源地水质的特征，还可以为水厂处置突发污染情况预留充分的时间。但由于水源地远离市区，且传统的水质监测是在水源地进行人工取样，不能实时地对水质进行监控，因此亟需提高水质监测的实时性[2]。

随着传感器技术、互联网技术的发展，使水质的实时远程监测成为可能。PLC使用简单可靠，传统的水质监测多采用PLC作为控制核心，但是PLC体积较大，数据共享组网成本较高[3]。为了克服这一缺点，徐亚峰等人结合无线网络和GPRS技术建立了远程水质监测系统[4-5]，但其系统搭建较复杂，不适合大范围使用。近年来，树莓派(Raspberry Pi,R Pi)由于其高性价比、多样的接口类型在物联网领域大量应用，被称为“卡片式计算机”[6]。因此本文将树莓派应用到水质远程监测系统中，不仅可以提高系统的监测控制能力，还可以减小系统建设的成本。

1 树莓派简介

树莓派最初是英国的Raspberry Pi基金会为帮助学校推广计算机教育而开发的廉价设备，正是其低成本、小体积、接口丰富以及性能强大的特点使其迅速被应用到物联网等领域[7-8]。自2012年第一代树莓派面世，现已更新到第三代，其销量已经超过一千万台。树莓派在物联网上的应用优势主要包括硬件和软件两方面。

1.1 硬件优势

树莓派分为A、B两个版本，相较于A版，B版内置了互联网接口以及USB接口，因此这里主要介绍B版，其硬件配置参数信息如表1所示。树莓派设计之初是按照个人计算机所设计，所以其拥有强大的运算性能，再加上其价格便宜，因此得到了广泛的关注和应用。其丰富的接口类型为其在物联网的应用提供了便利，大量的GPIO针脚可以连接各种类型的传感器，同时还内置了音视频接口、4 个 USB 2.0 端口以及集成的WiFi和蓝牙芯片，使其能够轻松地接入互联网，降低了物联网的组网门槛。

表1 第三代树莓派B版主要性能参数表

1.2 软件优势

树莓派作为“开源硬件”，其操作系统版本已经有几十种。这款微型的计算机除了支持Linux发行版本和Windows 10物联网版本，其Android操作版本也已经开发。而在官方推荐的基于Linux的Raspbian操作系统中其拥有的软件包的数量已经超过35万，并在不断地增加。同时其支持多种编译语言，包括Python、Java、C等被广泛应用的语言，这为软件包的开发提供了很大的便利[9-10]。

2 水质监测系统设计方案

基于树莓派的水源地水质监测系统依据物联网架构设计，采用面向对象的分析和设计方法。系统主要分为传感器、树莓派、云服务器三部分。传感器负责实时采集水质参数，并将数据返回到树莓派中。树莓派负责指令的收发、处理，并将采集的数据收集处理后推送到云服务器，同时接收来自云服务器的指令，对传感器进行相应的控制。云服务器负责将数据进行存储展示，并根据获得的水质参数与预先设定的阈值进行比较，当超过阈值时，云服务器向预设账户发送邮件进行提醒。云服务器使用免费的Yeelink平台[11]，水厂工作人员可以随时随地通过登录手机客户端、浏览器网页对监测数据进行访问。树莓派与传感器等监测系统采用太阳能+蓄电池方式进行供电，通过内置的的USB接口，安装免驱动的150 Mb/s的EDUP无线网卡，接入互联网。从而构成了一套由传感器+树莓派+云服务器的水质监测平台。系统的总体结构图如图1所示。

图1 系统总体结构图

2.1 传感器简介

河流水质监测指标除温度、pH、溶解氧的含量DO、浊度等传统水质参数，还包括还原性有机物COD、重金属等有毒污染类指标。其传感器类型如下：

(1)水体温度的测量采用接触式热电偶传感器，相比非接触遥感测温具有较好的精度，且对使用环境要求不高。

(2)水体pH反映水体的酸碱性，通过pH电极传感器(T255 或T335 pH传感器)可以精确地测定水中的氢离子浓度。

(3)溶解氧的含量DO在水体中保持恒定，只有当水体发生恶化时才发生改变，比如发生富营养化时，水中的DO含量会降低，因此通过氧敏感膜电极传感器对水体的DO含量进行测定，可以对水体的水质变化进行监测。

(4)水体浊度的监测，采用光学测量法的(WQ750)浊度传感器，具有较高精度。

图2 光纤重金属传感器测定原理

(5)COD、重金属用来指示水体的污染情况，主要包括农药、镉等有毒污染物，这些有毒物可以通过光纤化学传感器来测定[12]。光纤化学传感器主要由光源、传感探头、光纤构成，其原理如图2所示。利用重金属和不饱和芳香烃在特定波长下会产生相应的吸收峰特性，将光源产生的光经过光纤传递到传感探头与被测物质发生作用，然后对吸收后光波进行分析即可测出相应污染物的浓度。

上述传感器均可以直接与树莓派自带的GPIO接口连接，实现传感器与树莓派之间的信息交换。除上述传感器外，还将利用树莓派自带的视频接口连接一摄像头，实时采集水面情况。

2.2 树莓派与传感器的连接设计

Raspbian系统专为树莓派打造，并对树莓派的硬件做了优化，因此使用基于Linux的Raspbian操作系统，并利用其中的Rpi.GPIO Python库对各类传感器设备进行访问；树莓派与传感器之间采用请求/应答方式的通信协议，树莓派通过GPIO接口向传感器发出请求数据命令，传感器返回测量值。树莓派支持数据自动定时采集和命令采集两种模式，自动采集周期可以进行设定，树莓派最多可同时支持32台不同类型的传感器进行数据采集。

以温度传感器为例，解释其与树莓派GPIO接口的连接。将传感器的2号数据针脚与树莓派GPIO针脚相连以进行数据传输；1号供电针脚与树莓派正极供电针脚连接；4号针脚连接树莓派GND针脚，作为地线。连接成功后，输入代码查看是否连接成功，代码如表2所示。结果中出现的12-00000554cb65为外接的温度传感器设备编号，表明连接成功。

表2 传感器连接校验代码

2.3 树莓派与Yeelink的连接设计

Yeelink是一个免费的通用物联网平台，能够同时完成海量的传感器数据接入和存储任务，并提供数据分析和报警功能，使得硬件和制造业者能够在不关心服务器实现细节和运维的情况下，随时通过计算机或手机访问Yeelink服务器实现对设备运行数据的监测。

具体操作如下：注册Yeelink，进入用户中心，获取API Key，API Key用来授权用户对设备、传感器、 数据等的操作。然后将树莓派添加进设备栏，并添加相应的传感器，对传感器类型、参数报警阈值、数据采集时间、报警方式(邮箱推送)进行设定保存。

树莓派从传感器获取的水质参数数据储存在/home/pi/下，要将树莓派的数据传送到Yeelink服务器，通过下面三个步骤实现：

第一步：利用Python，将温度值用JSON格式保存到一个文本文件/home/pi/datafile.txt。

第二步：在文件位置：/home/pi/yeelink.sh新增yeelink.sh脚本。将URL替换为自己申请的传感器URL，并将U-API Key替换为自已账户的API Key(即通过用户中心查看获得)。

第三步：添加数据采集计划任务，执行脚本文件，设定采集周期为10 min。

参考Yeelink平台的API文档，主要代码如下：

第一步用Python将温度值写入 /home/pi/datafile.txt

1#/home/pi/temperature.py

2tfile= open("/sys/bus/w1/devices/28-00000494cb79/w1_slave")

3text= tfile.read()

4tfile.close()

5secondline= text.split(" ")[1]

6temperaturedata= secondline.split(" ")[9]

7temperature= float(temperaturedata[2:])

8temperature= temperature/ 1000

9res= '{"value":%f}' %temperature

10output= open('/home/pi/datafile.txt','w')

11output.write(res)

12output.close

第二步 新增yeelink.sh脚本

1sudo python/home/pi/temperature.py

2curl--request POST --data-binary @"/home/pi/datafile.txt" --header"

U-ApiKey:XXXXXXXXXXXXXXXX"

http://api.yeelink.net/v1.0/device/1969/sensor/2533/datapoints

第三步 添加到计划任务

1sudo chmod +x yeelink.sh(为脚本增加可执行权限)

2sudo crontab-e(将脚本加入cronjob计划任务)

3*/10 * * * */home/pi/yeelink.sh(数字10表示10分钟执行一下脚本，时间可自行修改)

完成上述操作后，即可实现树莓派与Yeelink数据之间的传输。

3 结论

本文基于传感器+树莓派+云服务器的方案设计实现了远程水源地水质实时在线监测系统，可根据水质的变化提供报警功能。水厂工作人员可随时随地通过浏览器或手机客户端访问Yeelink服务器，查看监测数据，然后根据水源地水质的变化确定相应的水处理方案。Yeelink还提供水质污染邮箱报警功能，大大了减小出现突发事故的风险。基于树莓派的监测系统设计简单、组网灵活、成本低廉、功耗和发热极低，更适于野外环境使用，采用开源Linux 操作系统，可根据实际需要开发其他功能模块，因此具有良好的扩展性和实用价值。

[1] 莫莉,陈丽华. 地表水水质监测指标体系现状综述[J]. 南昌工程学院学报,2014,33(4):71-73.

[2] 陆璐. 地表水水质监测指标体系现状综述和总结[J]. 河南水利与南水北调,2015(19):62-64.

[3] 张伟,戴建坤,许春莲,等.基于PLC的在线水质监测系统[J].化工自动化及仪表,2014(5):501-505.

[4] 樊杰,郭勇. 基于物联网技术的成都沙河水质实时监测系统设计[J]. 物联网技术,2013(6):16-19.

[5] 刘捷,官洪运,王志亮. 基于GPRS的在线水质监测系统的研究[J]. 微型机与应用,2010,29(20):29-32.

[6] 靳祺桢. 刍议树莓派在物联网技术中的应用[J]. 电子技术与软件工程,2016(11):19.

[7] 郝林炜,梁颖. 基于树莓派+云服务器的网络监控及家居控制系统的研究与实际应用[J]. 物联网技术,2016,6(9):45-47.

[8] 唐俊,蒋健,谢申喜,等. 基于树莓派的能耗数据采集网关设计[J]. 测控技术,2017,36(3):98-100.

[9] 陶晓玲,伍欣,亢蕊楠. 基于树莓派的隐蔽式渗透测试方法[J]. 电子技术应用,2016,42(6):94-97.

[10] 吕海东,陆永林. 异步响应式集群实时监控系统设计[J]. 电子技术应用,2016,42(2):74-77.

[11] 余佳宾,阳泳,邹陆华,等. 基于yeelink网络平台的智能农业远程控制[J]. 电子技术与软件工程,2015(1):18.

[12] 徐艳平,顾铮先,陈家璧. 光化学传感器及其最新进展[J]. 光学仪器,2004,26(4):57-61.

Control system for parameter water quality monitor based on Raspberry Pi in the water source

Hou Baofeng,Yang Lamei,Liu Changjun,Wang Xiuchun

(National Defense Engineering College,PLA University of Science and Technology,Nanjing 210007,China)

Aiming at the problems that the water source is far away from the urban area and it has high cost for water quality monitoring and sampling,the water quality real-time monitoring system of the sensor+Raspberry Pi+Cloud server is designed to monitor the parameters of water such as the heavy metal,pH value,turbidity and so on. And the mailbox alarm function is provided if the water is polluted,reducing the risk of emergencies.

Raspberry Pi; water quality monitoring; Internet of Things; Yeelink

P273

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.24.026

侯宝峰，杨腊梅，刘长俊，等.基于树莓派的水源地水质监测系统设计J.微型机与应用，2017,36(24)：92-94.

2017-06-30)

侯宝峰(1992-)，男，硕士研究生，主要研究方向：水环境监测。

杨腊梅(1963-)，女，硕士生导师，副教授，主要研究方向：水处理理论与技术

刘长俊(1993-)，男，硕士研究生，主要研究方向：地下工程通风空调节能技术。