吴月峥 潘乐乐 薛宝奇 张青雨 武晓彤 沈艳霞 魏慧贤

摘 要：针对传统水污染监测系统数据传输效率低、数据传输实时性差的问题，基于Air720模块设计了一种水污染处理器数据采集及无线传输系统。该系统将信号处理技术与无线传输技术相结合，主要由采集终端、云服务器终端以及移动终端三个模块组成。采集终端实现数据采集功能，通过使用云平台实现信号处理与数据无线传输，文中详细介绍了数据采集过程及通信实现方式。与传统的水污染监测系统相比，所提系统极大地提高了数据的传输效率，保证了数据传输的实时性，为水污染处理器的远程监测与自动控制系统的开发奠定了基础。

关键词：Air720;信号处理技术;无线传输技术;水污染处理器;远程监测;自动控制

中图分类号：TP271文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）10-00-03

0 引 言

随着社会经济的不断发展，我国水污染情况已不容乐

观[1]。在传统水污染检测与处理中，数据传输需要将检测到的数据发送至管理中心的后方服务器上进行分析与处理，耗时费力，且数据传输多采用有线方式，实现复杂，成本高。随着现代信息技术的快速发展与不断完善[2]，物联网技术得到了广泛应用，数据的无线传输越来越显示出其强大的优势。将数据的无线传输方式运用于水处理检测系统中，可大大减少耗能，增加数据报告终端的灵活性，打破有线传输的局限性，且数据的传输速率也得到了大幅提升，保证了数据的实时性与有效性。

电解箱是一种新型水污染处理设备，体积小、效率高，在区域性污水处理场合有广阔的应用前景[3]。该设备中，水温是影响污水处理的重要因素之一，因此本文采用Air720模块提出一种水温的数据采集和无线传输系统，详细介绍了水温的采集过程与通信实现。

1 系统基本架构

本文系统主要包括采集终端、云端服务器终端及移动终端。其中，采集终端主要使用模拟量水温传感器，云端服务器终端采用Air720模块，移动终端为手机客户端。系统基本架构如图1所示。

采集终端实现对电解箱水温的实时采集，Air720模块将采集到的数据发送至云端服务器进行储存，云端服务器将接收的数据按次序存入自身数据库，并把最新数据显示在服务器端的网页界面上，移动端获取页面上的数据[4]。

云服务器终端的核心为Air720模块，Air720是合宙通信近期推出的LTE Cat.4模块，具备USB上网、标准AT以及Lua脚本二次开发等多种开发方式[5]。Air720模块集成了多个工业接口，可同时接入多种设备，且支持多种驱动，使得数据的接收、处理以及发送能够同时进行，且当收到的数据较多时，该模块可将数据存储在一个固定的存储器模块内。在网络使用方面，Air720全面支持中国移动的网络制式，可实现网络之间的无缝隙切换。Air720使用的MIMO技术保证了数据的传输速率以及准确性[6]。利用通信协议接入OneNET平台，从而在网页和手机端实时观察水温数据。

2 数据采集

为准确、直接地测量水温，数据采集模块选用模拟量水温传感器，连续输出模拟量的温度，使得对水温的探测更为准确直接。但模拟量水温在传输过程中易受干扰，因此需要将模拟水温转化为数字水温进行无线传输。

模数转换需要经过采样、量化和编码过程，其原理如图2所示。

2.1 采样过程

2.2 量化过程

模拟水温信号进行采样过程后，连续模拟信号变为时间离散模拟信号，仍需要进行量化才能变成数字水温信号。

量化分为均匀量化与非均匀量化两个过程[8]，均匀量化的量化间隔是均匀的，即若采样信号的取值范围为a～b，量化的电平数为M，则量化间隔为。对于该种量化方式，由于污水处理过程中所采集到的信号并非恒定，信号强度往往会随着时间变化而发生变化，因此当信号较小时，会造成信号的“量造比”较小，导致信号在传输过程中出现严重失真。为克服此缺点，本文系统使用非均匀量化的方式。

2.3 编码过程

考虑系统中水温的变化范围较小，使用8位2进制即可表示水温的所有范围。因此，模数转换的编码过程采用逐次比较型编码器进行PCM编码，该编码器可将输入的模拟水温脉冲编制出相应的8位二进制代码，完全满足系统需求。

3 无线传输

3.1 数据协议

为实现温度采集功能，在OneNET平台进行操作。OneNET云平台提供公开协议产品和私有协议产品。其中，公开协议产品有HTTP，EDP，MQTT，MODBUS等多种协议可供选择[9]，本文使用HTTP协议，协议格式如下：

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，意思是新增资源信息。

“/devices/1078739”是设备API地址的后半部分。“/datapoints？type=5”是数据格式，只有3，4，5这三种，系统中采用数据格式3。

第二行：“api-key：”后面是设备API-key。

第三行：“Host”是访问的网址，即设备API地址的前半部分。

第四行：数据长度。

第五、六行：皆为空行。

第七行：传输的数据。

HTTP方法描述见表1所列。

3.2 上位机通信核心主要流程

上位机与下位机实现数据传输的主要算法流程如图3所示。

4 结果分析

当Air720连接到OneNET平台时，将对数据进行传输，传输频率为每5 s进行一次。数据通过在OneNET平台上设置的数据流查看，同时可创建应用，使其能够在手机查看，对所需数据进行相应的设置，即引入所需数据流。数据流如图4所示，应用的创建如图5所示。

5 结 语

我国的水资源极度缺乏，人均水资源占有量与世界人均水资源占有量相比更甚[10]，而且我国水资源污染严重，因此合理处理污染水以此开发新的水源具有重要意义。而传统的污水监测处理系统效率低且精度不高，很难高质量地解决污水问题，且由于供电电压不稳定，易造成机器损坏。本文通过使用Air720模块、温度传感器等硬件，实现对水污染处理器的数据采集与快速、准确传输，以及对污水全天候、实时的动态监测，且系统操作简单，便于安装，适用性强，并可实现远程监控。与传统水污染监测系统相比，该系统极大地提高了数据传输效率，保证了数据传输的实时性，为水污染处理器的远程监测与自动控制系统的开发奠定了基础。

参 考 文 献

[1]袁丽娟，孔繁昌.基于可持续发展角度下的水资源管理[J].科技创新与应用，2013（17）：133.

[2]温彬民.一种基于自适应心跳机制的MQTT通信协议的研究与应用[D].广州：华南理工大学，2015.

[3]张翼飞.污水处理设备自动化运行设计与应用[D].天津：天津大学，2011.

[4]刘孝赵.基于ESP8266模块的远程数据采集系统设计[J].电子测试，2017（21）：21-22.

[5]合宙通信.Air720 4G LTE 开发板 - 合宙Luat，ASR 4G模块[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-向下偏转过程11-bit 1-MS/s逐次逼近型模数转换器的设计[J].吉林大学学报（工学版），2013，43（2）：480-484.

[7]李秋生，叶丽华.带通信号采样理论中的若干问题研究[J].井冈山大学学报（自然科学版），2017，38（2）：61-65.

[8]张巧玲.量化压缩感知及其在IR-UWB接收机中的应用[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

[9]张萍.基于ESP8266和OneNET云平台的远程报警系统[J].單片机与嵌入式系统应用，2017，17（12）：64-67.

[10]金晶.山东省水资源非农化驱动因素研究[D].泰安：山东农业大学，2017.