[发明专利]基于OPC_UA的水环境监测系统

说明书

技术领域

本发明属于嵌入式系统和工业物联网技术领域，具体涉及一种基于无线传感器网络，采用OPC通讯技术，可用于饮用水环境的安全监测系统。

背景技术

工业4.0已成为近两年科技领域及财经领域的热门词汇，他是德国人根据自身的工业基础、生产经验以及已有的科技手段所总结出的一套最佳实践理论体系。

OPCUA又称OPC统一架构，它是一套集信息模型定义，服务集与通讯标准为一体的标准化技术框架。OPCUA规范有OPC基金会主导制定，并由多家厂商参与技术层面的设计、开发与产品化。OPCUA架构的目的在于为行业内的软、硬件厂商和解决方案提供商提供一套指导性的技术路线图，从而帮助他们无缝的融入到工业4.0中的各个体系中。

OPCUA是一个Client/Server架构的实时数据库框架，UAServer负责管理自身的数据与处理逻辑，并通过OPCUA通讯协议对UAClient程序提供相应的数据与服务。UAServer是由OPCUA框架二次开发生成的服务端程序，该程序可以在设备、传感器、平台等等上面。UAClient负责与UAServer进行通讯，并访问UAServer中的数据与服务。

水环境的安全直接关系到人们日常生活。随着我国经济的快速发展，水环境污染日益加剧，因此，对于饮用水环境的监测是必不可少的环节。当前的国内外水环境监测系统存在以下不足：

1）实时性差：部分仍旧采用人工采样、实验室分析的方式；部分采用遥感技术，技术成本高；

2）成本高，对环境污染大：采用铺设电缆的方法建立有线的网络；

3）通用性不强：直接采用无线GPRS建立网络，基站设备与PC建立单一性通讯，PC上软件的开发必须考虑基站设备数据传输的方式。

发明内容

本发明是针对上述饮用水环境监测系统的不足而提出的一种实时性强、成本低，环境污染小，同时通用性强的基于OPC_UA的水环境监测系统。

本发明的技术方案：服务器通过基于OPC_UA协议开发的OPCServer软件给数据基站发送指令，数据基站中通过基于OPC_UA协议开发的OPCClient接受来自服务器的指令后，根据指令的具体形式将实时数据或者历史数据发送到服务器，或者将该指令处理后对该基站附近的其他节点进行指令传输；同时数据基站将节点的数据汇聚后将信息进行存储或者发送给服务器，从而实现监测系统对水环境的实时在线监测。水环境监测系统包括PC服务器、基站、节点三部分，服务器与基站采用GPRS进行通讯，基站与节点以及节点与节点采用ZigBee技术进行通讯。每个基站设备采用STM32F103RBT6作为主芯片，在芯片中植入基于OPC_UA技术开发的OPCServer，在PC服务器中开发基于OPC_UA技术开发的OPCClient，基站与服务器之间通过统一的OPC协议进行通讯，服务器软件的开发将完全脱离于基站设备数据如何实现，大大提高基站的通用性、可扩展性。本发明中已具体设计基站设备的电路图，基站设备包括控制器模块、电源模块、存储模块、定位模块和通信模块，控制器模块为这个基站控制中心，电源模块为其余各模块提供电源，存储模块用于存储水环境信息，定位模块用于基站位置的定位，便于回收，通信模块用于基站与服务器，基站与节点之间的通讯。节点设备用于数据的采集，同时通过ZigBee技术将需要采集的数据汇聚到基站。

本发明中基站与服务器之间通过GPRS技术进行通信，基站与节点、节点与节点通过ZigBee技术进行通信。采用GPRS与ZigBee这两种无线通信方式将大大降低成本，提高实时性。

本发明中基站与服务器之间采用OPC_UA协议，基站中开发基于OPC_UA协议的OPCServer，在服务器中开发基于OPC_UA协议的OPCClient，基站与服务器通过OPC_UA进行通讯，OPC_UA协议作为通用的工业协议，将基站与服务器隔离开，为编程和服务器提供了一个开发的平台。

本发明中的基站设备包括控制器模块、电源模块、存储模块、定位模块和通信模块，控制器模块为这个基站控制中心，电源模块包括5.5V电压转换电路和3.3V电压转换电路，为其余各模块提供电源，存储模块用于存储水环境信息，定位模块用于基站位置的定位，同时便于回收，通信模块用于基站与服务器，基站与节点之间的通讯。节点设备用于数据的采集，同时通过ZigBee技术将需要采集的数据汇聚到基站。