一种基于物联网技术的多功能采集系统
来源:用户上传
作者:
摘 要：随着物联网技术的飞速发展，越来越多的行业开始引入物联网技术，以提高行业的智能化、自动化水平。按照物联网典型的三层结构（感知层、网络层、应用层）搭建一套完整的物联网系统需耗费较大的人力、物力成本。针对物联网系统开发门槛高、研制周期长的现象，设计了一种包含采集终端、云服务器、Web应用的多功能物联网采集系统。该系统具备应用范围广、开发周期短、占用人员少、便于移植等优势，目前已在智慧农业、智能电力、新能源电池监测等领域得到了一系列应用，取得了较好的经济效益和示范效应。
关键词：物联网技术;采集系统;采集终端;云服务器;Web应用;智慧农业;智能电力;新能源电池监测
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）05-00-03
0 引 言
多功能采集系统示意图如图1所示。采集终端通过
RS 485或者I/O接口收集到传感器数据后，按照TCP协议把数据发送到云服務器;云服务器接收到数据后，按照特有的格式进行数据存储;Web应用响应用户操作，通过HTTP协议从云服务器获取数据并在网页或者微信公众号显示。
1 采集终端
采集终端可以选择太阳能或220 V市电。太阳能供电方式适用于室外监测场所，220 V供电方式适用于室内有市电的场合。如图2所示，按照电路功能可以把采集终端分为电源电路、数据采集电路、数据处理和存储电路、数据传输电路[1-3]。
1.1 电源电路
图3所示为电源输入电路，该电源是整个采集终端的供电电源入口。若采用太阳能供电，J4处接太阳能板（输出电压为5 V、功率为3 W），J1处接3.7 V的18650锂电池，锂电池充电管理芯片采用TP4056;若采用220 V市电供电，则需要通过专用的AC/DC模块把220 V市电转为5 V后再接到J1处。
图4所示为MCU供电电路，该电路用于把3.1～5 V的输入电压转换成MCU所需的3 V电压。此处采用低功耗、低噪声、低压降、小封装的SGM2019-3.0YN5G/TR芯片。
图5所示为传感器供电电路，用于把输入电压升压至传感器所需的供电电压，升压芯片为XL6019。为降低功耗，XL6019由MCU开启，在不需要给传感器供电时关闭。该电路提供5 V，14 V两种输出模式，可以通过在R45，R46处焊接对应的0 Ω电阻。
图6所示为通信模组供电电路，用于提供无线通信模组所需的电源，稳压芯片为SPX29302，该电路可以根据不同的通信模组选择不同的输入电压，同样该芯片由MCU进行控制以降低功耗[4-6]。
1.2 数据采集电路
本采集终端可以采集模拟量（电压、电流）和数字量
（RS 485接口、TTL接口）。模拟量采集采用STM32F103C8T6内部的12位A/D，可以选择电压或者电流两种采集模式。数字量采集提供TTL串口和RS 485接口两种方式，如图7所示。
1.3 数据处理及存储电路
如图8所示，采集终端的核心处理器为STM32F103C8T6，提供了RTC精准时钟（可通过服务器远程校时）;数据存储芯片为8 MB的W25Q64;RTC时钟由纽扣电池和板载电源无缝隙切换供电，保证RTC时钟的可靠性和长时间工作能力;存储器的电源由MCU控制，在不需要数据存储时可以关闭存储单元的电源;为避免出现死机现象，启用STM32的内部看门狗，保证采集终端不死机。
按照工作模式，可以分为实时模式和定时模式。在实时模式下，可以每秒钟采集1次数据，在电脑端显示。在定时模式下，可以设置2～720 min采集一次数据，数据采集完毕后，把数据传输到远程服务器。
1.4 数据传输电路
采集终端可根据信号覆盖情况，选择GPRS，LTE，WiFi三种通信方式进行数据远程传输。为便于升级和维护，此处只为通信模块提供电源和TTL通信接口。
WiFi转接板型号为ATK-ESP8266，GPRS转接板型号为SIM800L，LTE转接板型号为SIM7600CE。单片机通过AT指令集和通信转接板进行通信。
2 云服务器
云服务器不仅需要处理来自Web端的HTTP请求，而且需要处理来自采集终端的TCP请求。本系统的云服务器部署在阿里云的ECS云服务器，以Spring MVC + Hibernate持久层+UI快速开发库为基础框架，采用面向声明的开发模式，基于泛型方式编写极少代码即可实现复杂的数据展示、数据编辑、表单处理等功能。如图1所示，云服务器包含数据采集服务器、数据服务器、Web服务器。
2.1 数据采集服务器
数据采集服务器通过TCP协议从采集终端获取数据，通过系统内部的加密处理算法，将物理数据解析成通用的普遍数据，由数据服务器存储。
数据解析架构基于开源框架JEECG修改，能实现代码自动生成和手工合成半智能开发模式，可以提高开发效率。
2.2 数据服务器
数据服务器对来自采集服务器的数据进行加工处理，并把处理后的数据保存到MySQL数据库中。数据服务器主要完成数据预处理、数据存储和数据查询等功能。
（1）数据预处理：对接收的数据进行格式化处理，使得数据能保存到数据库中;
（2）数据存储：根据预处理后的数据属性，把数据保存到不同的数据库表中;
（3）数据查询：进行数据库数据查询，并把查询结果返回给Web服务器。
2.3 Web服务器
Web服务器为终端用户提供Web访问服务，搭建Web应用与数据库服务器和数据采集服务器的信息交换桥梁。主要实现数据查询转发和指令转发等功能。 （1）数据查询转发：响应用户在Web端的操作，对数据服务器进行数据查询;
（2）命令转发：响应用户在Web端的操作，通过数据采集服务器把相应指令下发到采集终端。
3 Web应用
Web应用用于数据的显示和报表绘制。考虑到平台兼容性，本系统选用微信公众号的方式。开发时选用响应式框架，组件间的通信为异步通信，可有效保证用户操作的流畅性;采用开源的流行工具，保证代码的可控性和健壮性。按照功能可以細分为三个单元。
（1）通信单元：该单元的主要功能是与服务器进行双向通信，将本地请求上传至云服务器，接收云服务器的回执并将该回执发送给数据处理单元;
（2）数据处理单元：将本地产生的数据或服务器产生的数据加工整理后，转交给前端单元或通信单元;
（3）前端单元：处理用户输入，发送给数据处理单元，接收数据处理单元发回的数据，更改展示状态。
图9～图11分别为该系统在智慧农业、智能电力、新能源等领域的应用界面。
4 结 语
本文基于物联网技术设计的多功能采集系统，为农业、电力等传统行业插上了信息化和智能化的翅膀，为新能源等新兴产业提供了一种远程监控手段。
参考文献
[1]董明明，孙万蓉，陈梓馥，等.基于RTU油井远程测控系统的数据采集与传输层软件设计[J].物联网技术，2012，2（2）：25-29.
[2]陈梓馥，孙万蓉，董明明，等.基于ARM9的RTU设计[J].物联网技术，2012，2（3）：54-58.
[3]孟萌.基于Arduino的物联网数据采集器设计与实现[D].北京：北京工业大学，2016.
[4]杨永平.基于GPRS的嵌入式数据采集系统设计[D].大连：大连理工大学，2007.
[5]曾伟渊.基于 Web Service 的物联网数据平台的设计与实现[J].电子技术与软件工程，2015（20）：193-194.
[6]许吉祥.基于物联网的数据采集系统软件设计[D].成都：电子科技大学，2013.
[7]石跃祥，钟喆，李锦泓.一种新型智能水表抄表系统[J].物联网技术，2014，4（6）：16-18.
[8]黄颖，张伟.基于物联网的智慧农业监控系统[J].物联网技术，2017，7（4）：33-34.
[9]吴晓强，张春友，侍红岩.情景感知在农业物联网中的应用研究
[J].物联网技术，2019，9（1）：34-36.
[10]张玉杰，王轩.微服务架构的城市照明控制系统服务平台设计
[J].物联网技术，2019，9（1）：48-51.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15244455.htm
