基于MQTT的水质远程监测系统设计.pdf

第5 5 卷第3 期2023年5 月智能物联技术Technology of IoT&AlVol.55,No.3May,2023物联网技术与应用基于MQTT的水质远程监测系统设计郭梦华，孙玉国（上海理工大学，光电信息与计算机工程学院，上海2 0 0 0 9 3）摘要：本文基于MQTT通信协议，采用前后端分离的MVVM（M o d e l Vi e w-Vi e w M o d e l)软件架构，设计了一套水质远程监测系统，实现多节点水质数据的远程监控。该系统终端节点采用RS-485型TDS(Total DissolvedSolids)和pH变送器采集水质温度、TDS值和pH值,通过4G透传DTU(Data Transfer unit)将封装在MQTT报文中的信息上报到云服务器，用户可对设备状态与水质信息进行实时监控。测试结果显示，该系统运行稳定，可以满足远程水质监测需求。关键词：水质监测；MQTT；物联网；TDS;pH值【中图分类号】TP368.1;TP311.56【文献标识码】A【文章编号】2 0 9 6-6 0 5 9(2 0 2 3)0 3-0 5 5-0 6Design of Remote Water Quality Monitoring SystemBased on MQTTGUO Menghua,SUN Yuguo(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)Abstract:Based on MQTT communication protocol and MVVM software architecture,it designed a set of water qualityremote monitoring system,which realized the remote monitoring of multi-node water quality data.The system used RS-485type TDS and pH transmitter to collect water quality temperature,TDS value and pH value,reported the information encap-sulateed in MQTT messages to the cloud server through the 4G-transmission DTU.Users can use the system to monitor theequipment status and water quality information in real time.Test results showed that the system was stable and could meetthe need of remote water quality monitoring.Key words:water quality monitoring;MQTT;IoT;TDS;pH同水域进行水质指标采集，普遍存在效率低下且成本高的弊端。如果将监测站作为节点，可能出现各0引言近几年来，水生态破坏事件屡屡出现，与生态文明建设背道而驰。水污染仍然是水生态破坏的一个主要因素。因此，水污染防控问题不容忽视。作为评估水质的根本方法，水质监测需要以科学量化的指标来作为参照、高效且低成本地对水质指标进行采集叫。传统的水质监测方式主要是利用人工从不部门之间水域划分不明确而导致重复检测的问题。随着我国对水污染防治越来越重视，如何结合物联网技术对水质监测系统进行优化升级也成为研究的重点。本研究将采用B/S系统架构，运用前后端分离SpringBoot+Vue 框架，设计一个基于MQTT(Mes-收稿日期：2 0 2 3-0 6-12作者简介：郭梦华（19 9 8-），女，河南焦作人，硕士研究生，研究方向：仪器科学与技术、物联网；孙玉国（19 7 3-）,男，山东临胸人，副教授,研究方向：测控技术与仪器、高频电子。.55智能物联技术sage Queuing Telemetry Transport)的水质远程监测系统。MQTT是一个开放的轻量级即时通讯协议，专为物联网交互设计，几乎支持所有编程语言的开发平台 2。本系统中使用MQTT协议作为全局协议来扩展设备的范围，使用Modbus作为本地接口来管理设备。1系统架构传统的水质监测系统一般采用C/S架构。但C/S架构兼容性较差，客户端必须安装和配置软件，开发、维护成本较高，仅适合运行在局域网中。这也使得C/S架构在解决高并发、大数据存储等方面存在明显的技术短板，虽然组态软件引入了浏览器模式，但使用时复杂的动态链接库配置也没有从根本上解决系统架构问题 3。B/S架构是对C/S架构的改进，通过WWW浏览器来进人工作界面，前端和后端分别完成自身对应的事务逻辑，极大地优化了客户端电脑负荷，系统可维护性高且降低了用户的升级成本。因此,本系统采用B/S架构。在通信协议方面，考虑到未来系统的扩容及集群式部署，设计采用MQTT协议。MQTT协议包含请求数据客户端和消息代理服务器两部分，发布消息的客户端会将数据发布至对应的主题，再由消息代理服务器将数据转发给所有订阅此主题的客户端。相较于HTTP协议,MQTT协议除了占用空间少之外,Payload采用二进制协议可以更节约流量，即使在远程传感器和控制设备处于低带宽、不可靠的网络环境中时也能保持通信的高效性。此外,MQTT作为应用层协议,比TCP/IP传输层协议更适合物联网设备终端数据进行稳定、可靠、高效地交互。且MQTT是标准的RFC(RequestFor Comments)协议,拥有大量开源组件,开发难度大大降低。MQTT协议支持双向通信，支持一对多的消息订阅发布机制，可以根据不同Topic来实现消息的业务划分，轻松实现远程控制、下发和升级等功能。如图1所示，本系统把每个终端检测设备点都设计为一个独立节点，后端使用轻量级框架SpringBoot，并采用MyBatis-Plus访问MySQL数据库,Redis进行数据缓存4,对MQTT协议进行整合并设计监控数据服务器。前端采用Vue框架，进行组件化开发，通过网络API（A p p l i c a t i o n Pr o g r a m-56.水质监测终端-1111111111图1水质监测系统整体架构Figure 1 Overall structure of water quality monitoringsystemming Interface)接口获取后端数据，数据与结构相分离，提升了常规Web开发中的页面交互和逻辑处理性能,使 DOM(Document Object Model)操作及数据染等难题得到优化。同时，采用ElementUI和ECharts组件库优化用户界面和数据可视化效果，使系统运算速度加快、可维护性提高。2硬件设计如图2 所示为系统的硬件结构图。由于水质监测环境多处野外及潮湿的湖泊水源等地，故传感器及探头必须具备抗腐蚀、防水和长寿命的特征，能长期运行，并选择太阳能电池板作为供电设备。考虑到需要实时监测并上传水质数据至物联网平台，普通TDS(Total Dissolved Solids）检测笔无法满足需求，故选择模块设计式水质TDS/EC(ElectricalConductivity）变送器，可直接接人控制系统并实时上传监测数据。变送器供电电压为9 24V。传感器通过电导率-TDS转换算法计算出对应的TDS值。温度传感器选择电阻类型为NTC(3950_10K)热敏电阻(Negative Temperature Coeffi-cient),探头材质为不锈钢外壳，测量范围为-5 0 105,检测精度为1%。用户只需通过串口读数据即可，快速实现水质TDS的检测,并在较宽的温度水质监测终端-2阿里云服务器MQTT消息代理服务器后端服务器前端服务器水质监测终端-N1MySQL11数据库11郭梦华，孙玉国：基于MQTT的水质远程监测系统设计供电水质数据采集数据转换上传阿里云太阳能充电板温度传感器TDS传感器pH传感器LRS485串口通信Modbus-RTUt协议4GDTU数据传输loT平台MQTT图2 硬件结构图Figure 2 Hardware structure diagram范围内实现自动温度校正，降低TDS值随温度变化带来的测量误差。pH传感器采用双高阻三电极体系,pH测量精度可达+0.1pH,具有精度高、防雷击浪涌、一键校准等特点。水质检测模块支持RS485双工通信方式，通信协议为 Modbus-RTU（R e m o t e T e r m i n a l U n i t)格式。为了使监测节点传感器实时快速地采集并上传数据,将 RS485连接 4 G-DTU(Data Transfer Unit)模块后，通过AT指令配置消息服务器IP、端口、MQTT连接参数、串口数据格式等,连接阿里云IoT平台开启数据透传。由于RS485设备属于被动设备，需要由上位机发起询问后才会返回传感器采集的数据，因此需要设置数据轮询,轮询时间间隔为5min，传感器会定时返回16 进制值数据，再通过10进制转换得到实际温度、TDS及pH值。考虑到MQTT协议采用JSON格式文件来进行数据交换 5,将水质参数及设备信息等数据打包为JSON数据格式后封装成MQTT协议报文，再通过4 G网络和MQTT传输协议发送至服务器。表1所示为MQTT协议的消息对象属性定义。表1MQTT协议消息对象属性定义Table 1 MQTT protocol message object attributedefinition字段名称字段代码字段类型温度TemperatureTDSTDSpH3软件设计3.1MQTT消息代理服务采用阿里云物联网平台作为消息代理服务器，根据MQTT协议设计相应的主题Topic及物模型，通过云产品流转设置数据源、数据目的等规则，允许Topic间数据流转，后端SpringBoot数据服务器订阅相应主题即可接收所有水质监测信息。3.2后端服务器开发后端采用Maven技术构建数据仓库，使用SpringBoot微框架，引人注解简化配置，框架内嵌Tomcat,服务器部署简单,降低对运行环境的要求，主要关注数据处理和业务逻辑，负责MQTT消息订阅/发布、获取和保存数据以及连接前端接口进行相应的业务逻辑操作。系统后端使用PahoJava原生库来开发MQTT，添加相关依赖后调用MqttSign类计算MQTT连接参数，订阅水质监测Topic,获取云端下发消息，实现设备接入物联网平台和通信，再通过Hutool工具类发送POST请求，得到所订阅Topic的数据，即硬件终端通过MQTT上传JSON格式的水质参数,SpringBoot通过Jack-son框架解析JSON数据之后提取对应字段存人云端数据库。后端主要负责接收前端接口发送的请求，控制用户的输人，并根据系统实际需求调用控制层、业字段描述务层及数据访问层的方法，实现与前端和数据库的Float温度值Int溶解性固体总量pHFloat数据交互。数据访问层使用MyBatis-Plus实现水质及用户数据的存储读取操作。为了确保数据安全性，本系统设计在控制层获酸碱度取用户请求访问及进行安全控制。使用BCrypt对57智能物联技术用户密码进行加密，使用JWT+Redis的方式实现登录鉴权。当用户登录成功后后端生成Token,返回给用户作为凭证，并将此Token存储在Redis中。之后用户发送请求时，只需要验证请求头中的Token是否在Redis中即可实现鉴权。3.3Web前端开发前端使用MVVM(ModelViewViewModel)框架进行UI交互和数据通信，通过Vue-cli3脚手架框架构建Vue3开发环境及对应的Webpack配置，将数据和视图通过VM进行双向绑定，使用SPA(Single PageApplication）单页面应用，通过路由机制实现HTML内容的变换、UI与用户的交互，避免页面的重新加载，减轻服务器压力。Vue-router使用History模式动态加载路由，即把不同路由对应的组件分割成不同的代码块，当路由被访问时才加载对应的组件，提高效率。同时，在组件中引人Axios请求和响应技术动态刷新页面，将默认配置和主要逻辑封装成re-quest请求工具类，定义接口统一进行POST和GET等请求参数。当系统后端侦听到MQTT消息并解析存入云数据库后，前端通过Axios传参，同后端控制层进行数据通信，调用后台API接口获取数据并染到页面。用户通过浏览器登录系统后对水质数据进行增删改查等操作时，将调用对应接口请求服务端执行相应业务逻辑，操作提交后触发响应和数据更新，将改变的DOM元素缓存起来，通过Diff算法比较新旧虚拟DOM。计算完后再通过比较映射到真实的DOM树上并更新页面视图。MVVM框架通过数据来显示视图层而不是操作节点，解决了MVC中大量的DOM操作使页面染性能降低、加载速度慢和影响用户体验问题。4系统功能模块实现与测试如图4 示,该系统功能分为基本功能模块和核心功能模块。其中,基本功能模块包括用户管理、角色管理、权限管理、数据字典管理和文件管理五部分，实现用户登录注册、个人信息修改、菜单分级管理、角色权限分级、路由导航等功能。核心功能模块包含水质信息展示、水质数据管理、设备动态管理三部分。用户管理功能是对数据库内用户的用户名、姓名、角色、邮箱及地址进行管理，具有增删改查功能。角色管理仅供管理员操作，可编辑更改其他用户的系统权限。权限管理主要包括系统各个功能的访问、操作权限管理，可通过编辑更改各功能在菜开始立前端网页功能操作立前端发送POST/GET请求控制层Controller类接收前端数据并分发业务逻辑层IService接口立ServiceImpl实现数据访问层Mapper接口调用Entity实体类1立Mapper.xml映射配置文件MySQL数据库操作图3系统软件流程图Figure3System software flow chart58MySQL数据库操作数据返回Mapper接口立IService接口立Result类封装统一数据立Controller接口立前端接口拿到数据立页面染展示数据结束郭梦华，孙玉国：基于MQTT的水质远程监测系统设计MQTT水质远程监测系统基本功能核心功能用户管理角色管理图4 系统功能模块实现Figure 4 Realization of system function module单页面的顺序、图标显示等信息，也可对指定功能进行删除操作。文件管理可对多种类型的文件进行管理，包括显示文件名、文件大小、文件类型、文件摘要及存储地址等信息，可通过访问链接点击下载，将文件保存到本地。如图5所示为水质远程在线监测大屏，可同时展示多台终端设备实时的水质监测情况。前端通过调用接口查询相关数据，通过使用一个单独的IP地址，可以在任意客户端登陆系统查看水质数据。大屏动态显示终端传感器采集的温度、TDS值和pH,每隔5min从数据库读取各设备水质数据。引基于MQTT的水质远程监测系统设备动态管理363水质数据曲线变化图水质数据管理系统管理用户管理色管理权限管理数据字典管理文件管理百度地图API,设置标记点经纬度为设备CPS定位经纬度。水质数据管理页和设备动态管理页主要以表格样式展示云端数据库内所有水质及设备参数信息。水质数据管理页显示终端设备名称、采权限管理数据字典管理70060050040030020010023-04-1418:28:58各设备水质皮据柱状围文件管理2023-04-14 19-50:45D水质信息展示D52023-04-14 19-52-23PHAB水质数据管理设备总数设备在线数正常运行数故障设备数各地设备数图示40020023-04-1418:2R:55High各设备水设备政：2设备动态管理2集的温度、TDS值、pH、采样时间等。设备动态管理页显示设备名称、设备采集内容、设备图片、设备用户信息、设备信息创建时间等。同时，管理页面具有搜索、重置、新增、导入/导出、编辑、删除等功能。系统测试结果显示，该系统运行稳定，各设备监测TDS值、温度及pH值精度高、误差小,可满足远程水质监测需求。图6 为系统测试时各设备采集并上传至数据库中的水质数据。5结语本文基于MQTT通讯协议,结合SpringBoot及Vue的前后端分离模式的软件架构,设计了一种水质远程监测系统，实现多节点下的水质远程监控 7。系统采用MQTT协议实现服务器统管，所有设备数据只需发布给消息代理服务器即可推送到客户端，提升了系统架构的稳定性和便于进行有效的数据处理，具有模块化程度高、耦合度低、部署快及可维护性高等优点8欢迎您，管理员在线监测大屏220设备2 水质数据曲线变化围perature2023-04-14 18:29:19PHTDS2023-04-14 19-52:11PH648080020010Low6366#汇楼上海理工大学1O卡海理工大学研究生古含楼家六期学生公200300400500600图5系统首页核心功能展示Figure 5 Display of core functions of system home page(下转第6 6 页).59智能物联技术创作等重点方向，突破关键核心技术，提升计算平5中国边缘云计算行业展望报告2 0 2 1年 CJ/上海艾瑞市场咨询有限公司.艾瑞咨询系列研究报告（2 0 2 1年第台效能；行业龙头企业要结合自身实际、担起时代6期).艾瑞咨询系列研究报告(2 0 2 1年第6 期）,2 0 2 1:责任，着力打造元宇宙+产业互联网试点示范场景，317-364.制定产业元宇宙标准体系，争做产业元宇宙标杆示6张格，张玉洁.湖南：“科技之光”让文博更有“力量”N.经济参考报,2 0 2 2-10-13(0 0 5).范；政府可开展揭榜挂帅技术攻关，打造数据中心7冯学钢，程馨.文旅元宇宙：演化路径与产业逻辑 上集群,培育数字IP市场等。三要平衡规范与发展的海经济研究,2 0 2 2(0 7):7 0-8 3.关系。产业元宇宙仍处于萌芽期，当前不乏概念泛8马天谐，吴高斌.元宇宙+M.北京：中国财政经济出版社,2 0 2 2.化、过度炒作等情况。各市场主体要树立包容审慎、9吴亚光，侯涛，蒲鸽.产业元宇宙 M.北京：中译出版社，防范风险的理念，去中心化自治组织(Decentralized2022.Autonomous Organization,DAO)应积极开展自治,强10 冯学钢，程馨.文旅元宇宙：演化路径与产业逻辑 .上海经济研究,2 0 2 2(0 7):7 0-8 3.化用户之间相互监督；政府要加强市场监管，完善11 邓亮.元宇宙业态下新型经济犯罪风险及其治理 J.人细化相关法律法规，利用先进技术监控、预警与打民论坛，2 0 2 2(13)：8 5-8 7.击经济犯罪，推动产业元宇宙的健康规范发展17。12 周鑫，王海英，柯平等.国内外元宇宙研究综述 J.现代情报,2 0 2 2,4 2(12):14 7-159.13关乐宁.元宇宙新型消费的价值意蕴、创新路径与治理参考文献：框架 .电子政务，2 0 2 2(0 7):30-4 1.1李晔.上海率先起跑元宇宙产业新赛道 N.解放日报，2022-08-08.2 吴亚光，侯涛，蒲鸽.产业元宇宙 M.北京：中译出版社，2022.3黄怡静，赵云泽.元宇宙背景下的新闻业发展趋势研究J新闻爱好者,2 0 2 2(0 6):9-12.4孙翔宇.加快发展虚拟人技术推动商业银行降本增效J.现代商业银行,2 0 2 2(0 8):54-57.14李晓楠网络社会结构变迁视域下元宇宙的法律治理J,法治研究,2 0 2 2(0 2):2 5-35.15 通证一哥.元宇宙时代 M.北京：人民邮电出版社，2 0 2 2.16 焦娟，易欢欢，毛永丰.元宇宙大投资 M.北京：中译出版社,2 0 2 2.17关于上海市培育“元宇宙 新赛道行动方案（2 0 2 2-2025年)的政策解读 .上海市人民政府公报，2 0 2 2(14):22-23.(上接第59 页）idnametemperature13632.36333634363536363637363836393631036311363123631336314设备215设备31636317设备218设备219设备220363Figure 6 The test data of system66参考文献：1A.S.Rao,S.Marshall,J.Gubbi,M.Palaniswami,R.tdsphtime213897.1 2023-02-1218:45:38213877.12023-02-1218:36:5120.93957.1 2023-02-12 18:35:2820.93957.12023-02-1218:35:1920.93937.22023-02-1218:35:1020.93957.12023-02-12 18:35:0120.93957.1 2023-02-12 18:34:5220.93937.12023-02-1218:34:2420.93957.12023-02-12 18:34:0620.93937.12023-02-1218:33:56213957.12023-02-12 18:33:4720.93877.12023-02-1218:33:3820.93957.12023-02-1218:33:2017.62347.3 2023-02-13 13:13:1223.52357.2 2023-02-13 13:31:0722.81237.12023-02-2311:27:2634.53457.2 2023-02-23 13:45:4823.42567.22023-02-2313:46:3512.33217.22023-02-2318:37:0325.11237.1 2023-02-23 18:43:27图6 系统测试数据Sinnott and V.Pettigrovet.Design of low-cost au-tonomous water quality monitoring system C/2013 In-ternational Conference on Advances in Computing,Communications and Informatics,2013:14-19.2韦洪浪，陈基恒，韦宁燕.基于阿里云平台的多参数实时在线水质监测系统 J.大众科技，2 0 2 2,2 4(0 4):7-10.3马聪，华亮，羌予践.一种基于SpringBoot架构下的水质监测系统设计.电子器件,2 0 2 1,4 4(0 5):110 9-1114.4徐小辉，刘江涛，高涵等.基于SpringBoot+Vue框架的采气方案系统开发 J.计算机仿真，2 0 2 1,38(0 6)：2 4 8-250+382.5陈治平，刘姗姗，康盛.基于MQTT通信的二次供水智能感知终端研制与应用 J.电气自动化,2 0 2 2,4 4(0 5):115-11.6 N.Vijayakumar and R.Ramya.The real time monitoringof water quality in IoT environment Cy/2015 Interna-tional Conference on Circuits,Power and ComputingTechnologies,2015:1-4.7朱慧博，闫伟，石鲁生.基于物联网的水环境参数监测管理系统设计 J智能计算机与应用,2 0 2 0,10(0 7):303-305+310.8 S G.Internet of things enabled real time water qualitymonitoring systemJ.Smart Water,2016,2(1).