一种低功耗污水节点监测系统

1.本发明涉及环保设备技术领域，尤其涉及一种低功耗污水节点监测系统。


背景技术：

2.污水厂在对污水处理过程中，污水的实时监测是必要工艺，因此需要监测污水在各个工艺段的水质情况，现有技术中，污水监测系统无法在现场进行实时监控，导致数据采集需要大量人工劳动力，且现有技术的物联网设备需要定期维护，且不一定附近具有通信基站，导致数据采集不及时，数据传输延迟等现象，因此，存在改进空间。


技术实现要素：

3.本发明的目的是要提供一种低功耗污水节点监测系统。
4.为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：本发明包括太阳能供电模块、dc-dc电路、arm控制系统、rgb传感器、温湿度传感器、光照度传感器nb-iot模块和4g天线，所述太阳能供电模块的电源输出端通过所述dc-dc电路与所述arm控制系统连接，所述arm控制系统的通信端与所述nb-iot模块连接，所述nb-iot模块的信号传输端与所述4g天线连接，所述rgb传感器、所述温湿度传感器和所述光照度传感器的信号输出端与所述arm控制系统的信号输入端连接。
5.进一步，所述太阳能供电模块由太阳能多晶硅板、太阳能控制器、锂电池管理单元、直流充电器、锂电池组成，所述太阳能多晶硅板的电源输出端与所述太阳能控制器的电源输入端连接，所述太阳能控制器的电源输出端与所述锂电池管理单元的电源输入端连接，所述锂电池管理单元的电源输出端通过所述直流充电器与所述锂电池连接，所述锂电池的电源输出端通过所述锂电池管理单元输出电源与所述dc-dc电路的电源输入端连接。
6.进一步，所述nb-iot模块的通信控制方法为：监测节点通过nbiot模块采用透传模式在监控区域形成星型网络，数据通过多个监测节点直接发送至数据中心或云平台；所有节点使用分时复用的mac协议实现信道的占用，在节点加入网络时节点申请占领信道后将自身入网请求信号进行广播，在获的上一级节点的同意后正式注册入网，获取节点时间片进入工作状态，其中时间节点片用于该节点的定时唤醒和信道占用申请。
7.本发明的有益效果是：本发明是一种低功耗污水节点监测系统，与现有技术相比，本发明整个系统由太阳能供电，免于供电布线，系统节点布置到需要检测的流域，通过图像采集判断水质异常情况，在无需检测情况下自动停止检测，达到低功耗的效果，在水质异常时，自动将数据进行发送，提高数据传输效率，减少人工维护劳动强度，使用方便，具有推广应用的价值。
附图说明
8.图1是本发明的传感器节点功能结构图；图2是本发明的太阳能电源模块结构图；
图3是本发明的微功耗模式控制模式图；图4是本发明的nb-iot模块通信示意图；图5是本发明的监测节点流程图；图6是本发明的节点应用图。
具体实施方式
9.下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
10.如图1所示：本发明包括太阳能供电模块、dc-dc电路、arm控制系统、rgb传感器、温湿度传感器、光照度传感器nb-iot模块和4g天线，所述太阳能供电模块的电源输出端通过所述dc-dc电路与所述arm控制系统连接，所述arm控制系统的通信端与所述nb-iot模块连接，所述nb-iot模块的信号传输端与所述4g天线连接，所述rgb传感器、所述温湿度传感器和所述光照度传感器的信号输出端与所述arm控制系统的信号输入端连接。
11.太阳能板采用as813光线亮度计对安装点环境光线数据进行采集，确定最大光线安装地点。根据sn方位坐标与测量时间点相结合，确保太阳能板安装角度偏向正南方位《20
°
以内，保证日平均光照效率最高。
12.所述太阳能供电模块由太阳能多晶硅板、太阳能控制器、锂电池管理单元、直流充电器、锂电池组成，所述太阳能多晶硅板的电源输出端与所述太阳能控制器的电源输入端连接，所述太阳能控制器的电源输出端与所述锂电池管理单元的电源输入端连接，所述锂电池管理单元的电源输出端通过所述直流充电器与所述锂电池连接，所述锂电池的电源输出端通过所述锂电池管理单元输出电源与所述dc-dc电路的电源输入端连接。
13.整个太阳能硅光板—自启动模块—mppt控制电路—dc-dc电路—超级电容与锂电池组合存储系统—3.3v/5v/12v电源输出模块6部分组成，除支持18v太阳能等直流电源外系统扩展了交流电源和整流电路可以用于市电和其他发电设备，同时支持备用电源作为满足临时供电需求。自启动模块可以根据电源情况启动设备无需人为操作。stm32处理器采样太阳能板电流和电压利用mppt算法控制pwm信号作用于dc-dc直流稳压电路使得当前太阳能收集功率处于最大值。dc-dc电路将18v太阳能电路电流整流稳定到12v输出，再通过升降压电路实现3.3v/5v/12v电源输出，且电路最大提供200ma电流。传感器和控制器等设备根据自身需求接入不同电压电源。在光强度≤1000lux条件下，假设锂电池容量根据系统没有能量采集的情况下保持30天功耗，根据设备每天消耗不超过1000mah,配置12v电压30ah以上容量电池，通过在锂电池加装超级电容可以加大系统瞬时负载功率。供能单元设计如图2所示。
14.嵌入式控制系统结合传感器uart串口、spi串口、一线总线、模拟i/o接口、usb接口资源选择stm32微处理系列，设计基于占空比方式的低功耗调度算法实现唤醒与睡眠状态切换，微功耗模式控制如图4所示。由于系统睡眠期功耗可以达到ma级低于运行状态，因此一个周期使用占空比方式控制唤醒和睡眠时间从而实现系统的低功耗运行，例如设置占空比为10：3590s，即按照ta=60分钟唤醒一次，每次监测时间tu=10s，一天实际运行时间为6分钟，相比一直运行机制节省23小时54分钟的运行功耗。对多个传感器数据进行融合通过数据压缩算法降低数据通信开销提高数据传输效率，数据压缩算法将多个变量按照8bit分割
1次并在最高位做01标记实现多个数据的无损压缩，例如温度传感器传输的数据类型为int类型，int类型在stm32处理器中占4个字节32位，由于温度的测量范围为0到120
°
，因为120《256既28，需要8bit数据即可，将8bit中最后一位作为结束位用1表示，剩余节约24bit数据可以用于其他传感数据的存储，若雨量传感器数据的量程最大值为1000，则在数据压缩时给个传感器使用11个bit表示，最后1bit作为标识符。基于该算法思想的多传感器融合算法思想如图5所示，在原始该算法基础上，根据每个传感器最大量程，先进行预处理，通过2分进行压缩保证传感器数据最大量程小于127，则通过分配传感器固定位置8bit数据空间则可以进行压缩和解压，。在节点软件设计中加入检测各个传感器异常检测与记录，设置单个程序wwdg窗口看门狗实现软件异常自动重启。在节点系统设计硬件看门狗自动重启电路杜绝系统软件宕机。节点在nbiot模块数据发送失败情况下，自动开启上网扫描注册登陆步骤实现断网重连等功能，保证系统自动运行尽可能减少人为维护。微功耗模式控制如图3所示。
15.基于varbyte算法思想的多传感器融合算法：step1：原始数据范围：传感器数据。
16.step2：数据预处理阶段：按照公式（1）判断传感器采集量程的阈值
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，公式（1）若等式成立则分配8bit数据空间，若等式不成立则按照公式（2）
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公式（2）压缩当前数据后按照公式（1）循环直至满足公式（2）结束。
17.step3：设计压缩传感器数据t，给t中按照x1…
x3顺序分配8bit存储空间， 1-7bit用于存放数据，第8bit存放符号标志位。
18.节点nbiot通信设计如图4所示，监测节点通过nbiot模块采用透传模式在监控区域形成星型网络，数据通过多个监测节点直接发送至数据中心或云平台。在该网络下，所有节点使用分时复用的mac协议（这个协议修改成分时复用机制）实现信道的占用，在节点加入网络时节点申请占领信道后将自身入网请求信号进行广播，在获的上一级节点的同意后，才能正式注册入网，获取节点时间片进入工作状态，其中时间节点片用于该节点的定时唤醒和信道占用申请。
19.监测节点流程设计如图5所示。在监测节点流程中，监测节点stm32f微处理器进入启动模式，主要启用hsi高速时钟暂时关闭其余不同的时钟以及外部时钟，并且通过pll将时钟频率设置8m速率，从而达到stm32f103芯片正常运行的8ma最低电流，到这样可以降低时钟带来的系统开销。配置传感器接口寄存器进行传感器初始化，主要包括adc接口,uart串口,接usb口，adc接口，配置成单通道独立independent模式，用于温湿度传感器数据获取，并且具备自动出发功能方便stm32控制器主动控制实现单次转换，adc接口时钟配置成14m，保证系统在12位的转换精度条件下还低功耗和转换速度特点。uart串口时钟配置成8m
速率，保证较小的开销，同时设置单次出发模式，便于stm32控制器实现单次光照传感器数据的采集。usb接口实现图像传感器采集数据，为保持usb接口设置最大支持数量3，保证usb接口的备用特点。配置mac协议（这个协议修改成分时复用机制）。配置分时复用机制，通过入网后初始化一个设备时间戳，当时间戳到主动发送数据，如果发现信道占用，则自动加一次事件时间，直到数据发送成功，这样的机制可以以最低的计算开销完成信道使用。配置软件和硬件开门狗这样可以保证设备在野外环境在司机情况下完整保持重启能力。nbiot模块初始化后，首先判断入网信息，入网成功后，分配一个设备分时复用的时间戳，整个系统配置一个rtk时钟，这样能够保证系统定时唤醒，开始准备进入休眠模式，这种做法可以大大降低系统功耗。完成这部开始进入休眠等待时钟唤醒，在休眠过程首先配置所有io设置输出，输出的电平信号高低根据当前io口是否具有上下拉电阻绝决定，如果上拉则输出高，如果下拉输出低，如果没有设置低，关闭各种接口的时钟和使能，这样可以保证最小的漏电，从而实现整个系统最低功耗运行，带这一步完成后进入stop模式。当rtk计时完成后产生一个中断唤醒，stm32处理器开始对说有外设进行重新初始化，开始完成图像数据采集、温湿度、光照后，传感器数据采集5次，通过varbyte算法进行压缩保存图像、温湿度、光照原始数据。每种传感采集5次数据取均值，这样可以保证数据的真实性，即使因为噪声问题也可以使得数据尽可能的接近真实数据，完成图像数据采集、温湿度、光照后，采用d-s证据方面进行中和判断当前水质异常的置信度，当水质异常超出置信度范围时，启动nbiot模块，先开始申请信道，使用mqqt协议与服务器建立链接，将原始数据发送至服务器。这样的过程，保证系统在水质没有异常情况下，禁止使用nbiot模块，可以降低整个系统的开销。
20.节点应用图如图5所示，系统节点布置到需要检测的河流区域，通过usb摄像头实时采集图片信息，通过光照度进行亮度补偿，最后通过水质颜色和纹理两个指标判断水质是否异常，同时采集节点周围的温湿度用于判断是否可能出现雨天信息，若是雨天停止判断。每个节点的检测位置人为确定。当出现水质异常的状况时，由nb-iot模块发送数据。整个系统由太阳能供电。
21.本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。