基于5G的湿地水质远程监测系统设计

摘要 ：湿地水质数据监测是生态保护的一个重要数据来源，然而湿地保护区的人工监测数据采集危险性高、采集难度大、调查周期长。为解决上述问题，本文設计了基于5G的水质远程监测系统，为环保部门提供湿地水质实时数据，保护生态环境提供数据支持。该系统以STM32f103为核心控制器，采用多种传感器监测电导率、溶解氧、浊度、叶绿素、高锰酸盐、氨氮。为了能对湿地水质数据的远程检测，本文通过5G无线通信模块采集数据发送至监控中心服务器上。

关键词： 5G;STM32 物联网;远程监测;水质监测

一、引言

在新时代科学发展观的指导下，我国对环境保护和可持续发展的科学理念日渐重视与成熟，近十年国家环保部门连续印发了《国家环境保护标准“十三五”发展规划》、《自然保护区生态环境保护成效评估标准（试行）》等相关文件，自上而下地着力解决环境污染及治理的问题。在国家相关文件的指导下，针对河流、湖泊及滨海湿地等领域的污染治理与生态恢复和水源地保护[1]及污水监测系统被研发使用[2-3]。

现今的人工智能以及远程无线网络通信等技术不断更新，湿地污染治理受到国家重视，因此污水监测设备智能化也是大势所趋[4-5]，基于无线网络的水质监测系统——远程监测系统也得到迅速发展。

自20世纪70年代起，西方一些发达国家由于其科技高速发展，在远程检测污水方面研究成果引领了全球的前进方向，先后开发了针对不同环境以及不同污染物元素的监测设备[6]。在亚洲，污水远程监测技术领域，日本目前可以说首屈一指，大阪污水远程监测系统就是一个非常典型的案例[7]。目前，部分发展中国家的污水远程监测信息系统在其国内已普遍使用[8]。

我国环境污水监测仪器还处在发展初期。各地各部门都在积极的建设远程信息化水质监测系统，随着我国国力增强、科技进步，许多具有自主研发能力并能与国外知名企业相媲美的设备生产企业也发展起来，环境远程监测的设备与系统逐渐向智能化、网络化及自动化发展[10-15]。

为了解决我国环保部门监管难的情况，本文设计了水质远程监测系统。该系统具有设计结构简单，技术先进，安装维护方便等特点。运用本系统监测湿地水质情况，进而结合相应的环境指标和减排节能的目标，制定出合理的保护措施。

二、系统硬件总体设计

系统由多个传感器对水质数据采集后，把信号传到核心处理器STM32进行处理，转换数据格式，然后再通过串口连接5G模块，通过5G网络给监测中心传送数据。用软件实现数据的实时显示与存储等。系统结构框图如图1所示：

图1    系统结构框图

（一）核心处理器STM32

本文控制电路核心部件是STM32系列里的STM32F103芯片，该单片机是ST公司基于ARM内核设计研发的32位单片机，可满足研发者对高实时性、低功耗和经济性的苛刻要求。

本设计选用LQFP封装的芯片， 电源仅2.0～3.6V电压供电即可。该芯片提供了丰富的片上资源及外接引脚，如：64KB的片内RAM，片上集成了A/D转换器、D/A转换器、串行总线、SPI总线、CAN总线、I2C总线、USB接口等。其工作频率可达到72MHz，可以承受-40℃～85℃的温度范围。

要实现控制功能，STM32单片机最小系统与所有其他的单片机控制系统一样，需要设计电源电路、软硬件复位电路、时钟电路、下载电路及I/O接口电路。本设计的下载/调试接口选用了SWD模式，该模式接线简单下载速度快。更适合于开发应用的是可以实现在线调试，为开发者检验调试程序提供了方便的可视界面及操作环境。SWD模式的下载速度最高可达2MHz/s，接线仅需两根[16]。采用SWD模式下载/调试适配器，一方面减少了接口电路占用的引脚，另一方面在线调试提高了开发效率。

（二）电源转换电路

电源电路即供应给用电芯片电力的电源部分的电路设计，使用的电路样式及特点，既有交流电源也有直流电源。由于STM32需要的电源指定为3.3V，而其他一些芯片需要5V或者12V，所以在设计外部电路时需要对供电电源进行升压和降压的操作。

（三）水质监测模块

根据湿地保护标准中对水质监测的需要，水质监测模块集成了电导率、溶解氧、浊度、叶绿素、高锰酸盐、氨氮多个传感器。传感器的采集原理各不相同，但最终数据均转换为电信号传输出来，本设计中数据输出格式为标准的Mod-Bus协议，该通信协议传输稳定，准确率高，适用于模块与主控间的数据传递。

（四） 5G模块

5G模块采用方为通讯公司的FT141型号模组，其工作电压12V，工作电流1.5A。该模组提供的通信协议支持TCP/IP协议，外部接口有USB3.0接口及RS232接口。其强大的网络功能可兼容中国移动、中国联通及中国电信三大网络运营商的无线网络。本文应用RS232接口通过串口协议与主控模块通信。

（五）报警电路

报警器的作用是系统工作异常时报警、参数指标异常时报警。由于时水上运行，远离人工监测点，蜂鸣器需功率较大才能远距离传播声音，因此采用的蜂鸣器的运行电流是较大的。单片机系统中提供的工作电流不足以驱动蜂鸣器工作，因而需要设计电流放大电路。在报警电路中布置一个PNP三极管驱动，其基极与STM32单片机GPIO管脚连接，通过单片机的高、低电平控制其通断，蜂鸣器接于电源、三极管集电极之间，工作于放大后的驱动电流[17];如果GPIO引脚电平输出为低电平时，则三极管则导通，蜂鸣器发出声响，接于电路上的发光二极管被点亮。

三、物联网

物联网是现代工业一个重要的信息化应用网络，是基于互联网的一种延伸和扩展，其终端延伸到了人与物品、物品与物品间进行信息互换，是"信息化"时代的关键技术之一。在5G条件下，大量的数据无线传输成为可能，更突显了物联网的重要性。借助信号处理技术、智能感知技术以及人工智能技术，使其在工业领域有很大的应用前景。从整体架构上分析，物联网分为3层：感知层、网络层和应用层。感知层重功能是识别物体，采集信息，本次设计选择的感知层是各种传感器，上文中已有所介绍。网络层由各种网络、网络管理系统和云计算平台等组成，将从感知层获取的信息进行传送并处理。本文主要使用5G无线通信技术，应用层是物联网和用户的接口，选择ONE NET物联网平台。

（一）设备接入流程

1.首先建立接入协议为EDP的产品，登录ONE NET平台，创建产品，记录产品ID。

2.添加设备，为自己的设备设定名称并记录产品编号。

3.建立TCP连接，正确输入EDP服务器地址域名及端口号，本设计中的端口号为：876。

4.发送设备编程，使用SDK实施EDP连接，向物联网平台服务器发送报文。

4.数据点上传，编写c语言程序，利用SDK中的接口函数实现数据上传。

5.查看数据流，参照开发者指南在物联网界面查看时间、地点、数据信息等。

6.利用物联网平台直接生成app，可下载安装至安卓系统手机，移动端监测。

（二）数据传输

查看“我的电脑”右键单击菜单中的“属性”，在“设备管理器”中查看端口信息，如果USB转TTL串口的驱动安装正确，在插上USB转串口工具后，会显示驱动程序图标。串口配置完毕，而后借助串口调试工具操作5G模块与OneNet建立連接、数据传输。

发送命令：

图2    AT指令

这样便可完成数据的传输。

返回数据为CLOSED时表明ONE NET服务器主动关闭了TCP连接。

以上说明数据上传OneNet成功，并且OneNet主动关闭了TCP连接，那么下次再传数据就必须重新建立连接，重复以下动作：

1.和OneNet建立TCP连接，发送指令为：AT+CIPSTART= "TCP"，"183.230.40.33"，"80";

2.开启透传，发送指令为：AT+CIPSEND;

3.发送HTTP数据包;

4.发送透传结束符。

这样就可以实现数据持续上传。

四、软件设计

（一）下位机程序设计

系统的下位机程序部分包括数据采集、预警报警及5G数据传输的通信。系统总体程序流程如图3所示。

数据的采集由主控向采集模块发送采集指令，采集模块根据不同类型传感器转换测量数据，以Mod-Bus协议传输给主控模块，指控模块通过AT指令控制5G模块将数据发送指物联网。

（二）上位机软件设计

上位机软件的编程工具是Libview，其具有良好的交互界面，可以实现快速快发。上位机软件与服务器通过TCP/IP协议通信，从服务器读取数据并显示与交互界面。界面如图4所示。

五、结束语

本文利用STM32f103主控芯片、5G模块、水质检测模块实现了基于5G的远程水质监测系统。从硬件设计到软件设计，从下位机程序到上位机交互界面，实现了完整的全系统设计。该系统简化了湿地保护人员的数据采集工作，高效、稳定地运行于湿地环境。

作者单位：白哲佳    长春职业技术学院

参  考  文  献

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