基于NB—IoT的分布式水質(zhì)測(cè)控系統(tǒng)

盛平 蔣磊 劉曉梅

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，使用范圍越來越廣。其中，NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）以其適用數(shù)據(jù)量小、無需移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等優(yōu)勢(shì)受到高度關(guān)注。為使水質(zhì)監(jiān)控達(dá)到高精確度和實(shí)時(shí)性要求，提出了基于NB-IoT的分布式水質(zhì)測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用傳感器進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)控，通過ZigBee傳達(dá)給嵌入式網(wǎng)關(guān)，經(jīng)過濾波算法處理后，使用NB-IoT上傳給數(shù)據(jù)服務(wù)中心存儲(chǔ)；采用手機(jī)APP監(jiān)測(cè)水質(zhì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，查看水質(zhì)歷史數(shù)據(jù)軌跡，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程管理。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，水質(zhì)監(jiān)控精準(zhǔn)度高，水質(zhì)調(diào)控準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性好，提高了效率，減少了人力成本。

關(guān)鍵詞：窄帶物聯(lián)網(wǎng)；水質(zhì)測(cè)控；濾波算法；歷史數(shù)據(jù)

DOIDOI：10.11907/rjdk.181157

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）010-0121-04

英文摘要Abstract：With Internet all things developing fast，it goes more and more popular.Narrowband Internet of Things is growing rapidly in 2017 and is suitable for IoT devices that require less data and no movement.In order to achieve high accuracy and real-time monitoring of water quality，Narrowband Internet of Things is used for water quality monitoring.This paper presents a distributed water quality measurement and control system based on Narrowband Internet of Things.The sensor in the system monitors the water quality and is transmitted to the embedded gateway through ZigBee.After processing，the sensor is uploaded to the data service center for storage using the Narrowband Internet of Things.Meanwhile，the mobile APP can not only monitor the real-time data of water quality and the operation of the remote control device，it can also present the history of water quality data tracks in order to achieve remote management of equipment to improve efficiency and reduce labor costs.The experimental tests show that the system is stable，of high water quality monitoring accuracy，water quality control accuracy and real-time goodness.

英文關(guān)鍵詞Key Words：narrowband Internet of Things； water quality measurement and control； filtering algorithm； historical data

0 引言

2016年，我國水產(chǎn)品總量達(dá)到6 900萬噸且還在不斷增長[1]，水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)是很重要的指標(biāo)。傳統(tǒng)的水質(zhì)測(cè)控依賴人工經(jīng)驗(yàn)，布線復(fù)雜且傳輸距離短，數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，存在精度低、對(duì)水質(zhì)調(diào)控實(shí)時(shí)性較差等問題[2]。針對(duì)這些問題，劉熙明、王義等[3]提出基于無線網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，解決了水質(zhì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)布線難問題；劉星橋、駱波等[4]針對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸及上傳服務(wù)器問題，使用WiFi技術(shù)；宋良圖、胡曉波等[5]提出了基于ZigBee和ARM的水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，使水質(zhì)監(jiān)控自動(dòng)化。上述系統(tǒng)多使用GPRS與外網(wǎng)連接，GPRS功耗較高，在信號(hào)差的地方需外接天線，容易造成損壞。另外，上述系統(tǒng)對(duì)收集的水質(zhì)參數(shù)沒有進(jìn)行分析處理，采集的數(shù)據(jù)易出現(xiàn)偏差。

本文提出基于NB-IoT的分布式水質(zhì)測(cè)控系統(tǒng)，使用最新NB-IoT技術(shù)代替GPRS，功耗更低、信號(hào)覆蓋范圍更廣；使用濾波算法對(duì)采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，避免因數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差而導(dǎo)致水質(zhì)調(diào)控延遲，使調(diào)控更加精準(zhǔn)。另外，將遠(yuǎn)程控制和分布式無線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)時(shí)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行調(diào)控，具有省時(shí)省力、科學(xué)合理、信息精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊[6]。

本系統(tǒng)移動(dòng)端主要采用iOS系統(tǒng)的APP客戶端。iOS為美國蘋果公司獨(dú)立研發(fā)的移動(dòng)終端操作系統(tǒng)，主要適用于旗下的iPhone和iPad產(chǎn)品，其開發(fā)環(huán)境是蘋果官方提供的唯一開發(fā)軟件Xcode，本系統(tǒng)中的APP部分使用Xcode9.2版本開發(fā)，開發(fā)語言選擇與之配套的Objective-C，該語言是一種面向?qū)ο蟮膭?dòng)態(tài)語言，具有很好的消息傳遞機(jī)制。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)將NB-IoT和ZigBee技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方式，充分發(fā)揮軟件設(shè)計(jì)中高內(nèi)聚低耦合設(shè)計(jì)思想[7]，避免不同模塊之間的相互影響。整體結(jié)構(gòu)分為應(yīng)用層、傳輸層和感知層，如圖1所示。感知層包括PH傳感器、溶解氧傳感器、水溫傳感器、增氧機(jī)、水泵等設(shè)備；傳輸層是鏈接上層應(yīng)用和傳感器及控制設(shè)備的關(guān)鍵樞紐，由嵌入式網(wǎng)關(guān)、ZigBee組網(wǎng)和NB-IoT模塊組成。ZigBee通過485串口采集傳感器測(cè)得的水質(zhì)參數(shù)，匯總到嵌入式網(wǎng)關(guān)中，經(jīng)濾波算法處理后，通過NB-IoT模塊將其上傳至服務(wù)器。同時(shí)，嵌入式網(wǎng)關(guān)獲取來自服務(wù)器的控制指令，控制增氧機(jī)、水泵等設(shè)備工作；應(yīng)用層由iOS移動(dòng)端、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和通信服務(wù)器組成。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器主要負(fù)責(zé)保存嵌入式網(wǎng)關(guān)上傳的水質(zhì)參數(shù)，通訊服務(wù)器主要負(fù)責(zé)建立嵌入式網(wǎng)關(guān)和iOS移動(dòng)端橋梁，使其相互通信；iOS移動(dòng)端通過HTTPS協(xié)議連接數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，調(diào)取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 NB-IoT應(yīng)用

NB-IoT指窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band-Internet of Things）技術(shù)。2017以前低功耗廣域網(wǎng)還沒有對(duì)應(yīng)的蜂窩技術(shù)，在低功率業(yè)務(wù)中大多使用GPRS技術(shù)支撐 [8]。NB-IoT技術(shù)的出現(xiàn)填補(bǔ)了低功率業(yè)務(wù)區(qū)域空白，可滿足低功耗、長待機(jī)、深覆蓋、大容量要求，更適合靜態(tài)、時(shí)延低敏感、非連續(xù)移動(dòng)、實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，比如農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智慧物流等[9]。NB-IoT支持大規(guī)模鏈接、信號(hào)覆蓋范圍廣，在同一帶寬條件下可接入更多設(shè)備，適合本系統(tǒng)分布式水質(zhì)監(jiān)控需求，能配合ZigBee組網(wǎng)使用于大范圍水域或多池塘監(jiān)控。本系統(tǒng)采用龍尚A9500型模組。

2.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)及供電設(shè)計(jì)

使用ZigBee組網(wǎng)很好地解決了池塘布線困難問題[10]，系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸和指令傳輸由ZigBee完成。ZigBee分為中心主ZigBee和子ZigBee兩個(gè)部分。中心ZigBee連接嵌入式系統(tǒng)，用于接收數(shù)據(jù)，子ZigBee連接傳感器設(shè)備，作為數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)中的ZigBee節(jié)點(diǎn)采用星型拓?fù)湫问絒11]，適用于本系統(tǒng)分布式水質(zhì)監(jiān)控，如圖2所示。

系統(tǒng)中分布式節(jié)點(diǎn)分散在池塘中，傳統(tǒng)的布線供電不符合實(shí)際情況。因數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)功耗低，本系統(tǒng)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)采用太陽能供電。太陽能控制器具有MPPT功能，能跟蹤太陽板的最大功率點(diǎn)，使其在不同環(huán)境下以最大功率輸出發(fā)電[12-13]。在給數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)供電的同時(shí)還能對(duì)蓄電池充電，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)、蓄電池和太陽能板工作。當(dāng)遇到連續(xù)陰雨天氣時(shí)，蓄電池就可發(fā)揮作用，如圖3所示。通過太陽能控制器給數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)供電，使數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)持續(xù)工作，不丟失水質(zhì)數(shù)據(jù)。

2.3 嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件部分

水質(zhì)監(jiān)控環(huán)境復(fù)雜多變，嵌入式模塊長時(shí)間處于夏季高溫與冬季低溫環(huán)境中，為保證穩(wěn)定性和可靠性，需采用工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。

系統(tǒng)使用的嵌入式核心控制模塊是基于Linux的GT6502嵌入式計(jì)算機(jī)。CPU處理器ARM926EJ技術(shù)成熟、性能好，能保證系統(tǒng)、設(shè)備的穩(wěn)定性。整版設(shè)計(jì)采用高品質(zhì)的PCB材料，全工業(yè)布線。此外，模塊具有抗靜電、防反接、過流等多重電源保護(hù)，能在露天、野外等惡劣環(huán)境中正常運(yùn)行。ARM板通過連接中心ZigBee獲取傳感器采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)，利用NB-IoT模塊實(shí)現(xiàn)與外網(wǎng)通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 水質(zhì)數(shù)據(jù)抗干擾設(shè)計(jì)

水質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變，所需測(cè)量的溶解氧、PH、水溫等數(shù)據(jù)易受各種因素干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)，影響到系統(tǒng)精度及可靠性。為保證系統(tǒng)的可靠性與精準(zhǔn)性，在水質(zhì)測(cè)量中加入濾波算法提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。因水質(zhì)參數(shù)變化過程較緩慢，所以采用遞推平均濾波算法和限幅濾波算法消除干擾因素[14]。

3.2 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

嵌入式網(wǎng)關(guān)由NB-IoT模塊和嵌入式ARM板等設(shè)備組成。網(wǎng)關(guān)主要是收集水質(zhì)數(shù)據(jù)并上傳數(shù)據(jù)庫，完成遠(yuǎn)程控制。ARM板通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)獲取傳感器數(shù)據(jù)[15]，使用HTTP協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)中心，存入mysql中[16]。此模塊通過獲取通信服務(wù)器傳達(dá)的指令，解析后執(zhí)行相應(yīng)操作，控制增氧機(jī)、水泵等設(shè)備，如圖5所示。

（1）監(jiān)聽：接受iOS移動(dòng)端發(fā)送的數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備控制等指令，作出相應(yīng)操作后向客戶端返回結(jié)果。

（2）斷線重連：檢測(cè)嵌入式設(shè)備與服務(wù)器的長鏈接情況。若設(shè)備連接中斷，則重新與服務(wù)器建立連接，以保證嵌入式設(shè)備一直在線。

（3）定時(shí)：使用時(shí)鐘模塊檢測(cè)與用戶設(shè)定的設(shè)備運(yùn)作時(shí)間是否匹配。若時(shí)間匹配，則執(zhí)行相應(yīng)操作。

（4）自動(dòng)控制：每5分鐘收集一次數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析過濾后，與用戶設(shè)定的自動(dòng)控制值相比較。若達(dá)到要求，則執(zhí)行相應(yīng)操作，直到收集的數(shù)據(jù)不在自動(dòng)控制范圍內(nèi)，關(guān)閉相應(yīng)操作。

（5）數(shù)據(jù)上傳：每5分鐘收集一次數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析過濾后，上傳到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存儲(chǔ)。

3.3 數(shù)據(jù)服務(wù)中心設(shè)計(jì)

為發(fā)揮軟件設(shè)計(jì)思想中高內(nèi)聚低耦合優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)服務(wù)中心按功能模塊分為通信服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。兩個(gè)服務(wù)器分開獨(dú)立設(shè)計(jì)，使數(shù)據(jù)庫服務(wù)與通訊服務(wù)互不干擾。

通信服務(wù)器采用開源的即時(shí)通信系統(tǒng)openFire，將其部署在阿里云服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)客戶端與嵌入式網(wǎng)關(guān)建立間接通信、保持長鏈接，相互之間傳送控制指令和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息。還可通過Openfile系統(tǒng)，在PC端或移動(dòng)端查看設(shè)備在線情況與離線時(shí)長，方便用戶對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負(fù)責(zé)保存嵌入式網(wǎng)關(guān)上傳的所有數(shù)據(jù)，使用Mysql數(shù)據(jù)庫，適用于小型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，方便易用。使用Java語言編寫Web service，將其發(fā)布到阿里云服務(wù)器的tomcat上，嵌入式網(wǎng)關(guān)將采集到的數(shù)據(jù)通過HTTP協(xié)議上傳到服務(wù)器，保存在Mysql數(shù)據(jù)庫中，以供移動(dòng)端查看數(shù)字或圖表類型的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

3.4 移動(dòng)端軟件設(shè)計(jì)

使用移動(dòng)端APP的展示、自動(dòng)控制、定時(shí)功能控制數(shù)據(jù)，方便用戶隨時(shí)隨地掌握水質(zhì)情況?？蛻舳耸褂肵MPP協(xié)議連接通信服務(wù)器，并通過通信服務(wù)器向在線的嵌入式網(wǎng)關(guān)發(fā)送指令。網(wǎng)關(guān)回復(fù)當(dāng)前水質(zhì)數(shù)據(jù)信息給客戶端，客戶端使用AFNetworking框架中的post方法，從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中調(diào)取溶解氧、PH、水溫等歷史參數(shù)，通過折線圖方式將歷史數(shù)據(jù)展示出來；用戶設(shè)定溶解氧參數(shù)下限。當(dāng)溶解氧參數(shù)值低于設(shè)定值時(shí)，增氧機(jī)設(shè)備自動(dòng)開啟進(jìn)行增氧，當(dāng)溶解氧參數(shù)值高于設(shè)定值時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，增氧機(jī)或水泵工作時(shí)間由用戶設(shè)定。

4 功能測(cè)試與實(shí)驗(yàn)分析

4.1 丟包率測(cè)試

為驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，測(cè)試NB-IoT的丟包率。系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議，經(jīng)過3次握手建立連接，減少系統(tǒng)丟包率，保證上傳到服務(wù)器數(shù)據(jù)的完整性。3天測(cè)試，平均每天由NB-IoT向服務(wù)器發(fā)送288個(gè)數(shù)據(jù)包，服務(wù)器模塊每天平均收到286.3個(gè)來自NB-IoT的數(shù)據(jù)包，測(cè)試結(jié)果平均丟包率不足1%，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。

4.2 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)水質(zhì)測(cè)控效果，在江蘇鎮(zhèn)江一水產(chǎn)養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試。圖6描述了從2017年9月20日到2017年9月22日共3天的溶解氧數(shù)據(jù)，當(dāng)晚間溶解氧下降至低于5.5mg/L時(shí)，增氧機(jī)自動(dòng)打開，增氧30分鐘后再次檢測(cè)魚塘中溶解氧的值。當(dāng)溶解氧達(dá)到6mg/L時(shí)，增氧機(jī)關(guān)閉，當(dāng)溶解氧仍不足6mg/L時(shí)，繼續(xù)增氧30分鐘，如此循環(huán)，使魚塘中溶解氧不低于5.5mg/L，從而滿足魚的生長環(huán)境需求。

5 結(jié)語

本文構(gòu)建了基于NB-IoT的水質(zhì)測(cè)控系統(tǒng)。通過對(duì)水質(zhì)的監(jiān)控保障水產(chǎn)生物的健康生長，提升了水質(zhì)測(cè)控的科學(xué)性，減少了水產(chǎn)生物生病帶來的損失，推進(jìn)了水質(zhì)測(cè)控的自動(dòng)化、智能化，大大減少了勞動(dòng)力成本；建立了水質(zhì)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)，使科學(xué)養(yǎng)殖有據(jù)可依。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）