基于NB-IoT技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李建飛 李建鑫

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以MSP430微控制器為核心，利用NB-IoT模塊和水質(zhì)檢測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高，能夠滿足預(yù)期結(jié)果。

Abstract： In view of the shortcomings of traditional water quality monitoring system， this paper designs a water quality monitoring system based on narrow-band Internet of Things technology. The system uses MSP430 microcontroller as the core， and uses NB-IoT module and water quality detection sensor to realize real-time remote monitoring of water quality parameters. Experiments show that the system has strong real-time performance and high stability， which can meet the expected results.

關(guān)鍵詞：窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);水質(zhì)監(jiān)測(cè);NB-IoT;傳感器

Key words： narrow-band Internet of Things technology;water quality monitoring;NB-IoT;sensor

中圖分類號(hào)：X832? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）29-0230-03

0? 引言

改革開(kāi)放以來(lái)，工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快導(dǎo)致城市水資源污染逐步加劇，對(duì)居民的身體健康和國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展政策造成威脅。隨著政府對(duì)生態(tài)環(huán)境的日漸重視，關(guān)停大量污染企業(yè)，但仍有部分非法企業(yè)違法排放，以及突發(fā)的水污染事件對(duì)城市水體的安全造成危害。因此水質(zhì)監(jiān)測(cè)作為水資源管控的主要手段之一，正在發(fā)揮不可替代中的作用[1]。

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)依賴人工采樣的方法，工作強(qiáng)度大、時(shí)效性差、監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、在水樣分析和統(tǒng)計(jì)過(guò)程中需要用到高精度儀器設(shè)備[2]，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)成本過(guò)高。近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與成熟，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3]。

1? 窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）介紹

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一個(gè)新制式，依托于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可直接部署在GSM、LTE網(wǎng)絡(luò)上，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)蜂窩數(shù)據(jù)連接[4]。

NB-IoT的典型網(wǎng)絡(luò)由行業(yè)終端+NB-IoT模塊、NB-IoT基站、核心網(wǎng)、IoT平臺(tái)和行業(yè)應(yīng)用構(gòu)成。行業(yè)終端通過(guò)NB-IoT模塊接入NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)核心網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與IoT平臺(tái)的對(duì)接，IoT平臺(tái)將行業(yè)終端采集數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)運(yùn)算，行業(yè)應(yīng)用通過(guò)訪問(wèn)平臺(tái)獲取結(jié)果。

NB-IoT技術(shù)主要有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

①覆蓋廣。NB-IoT基于運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)部署，只要有運(yùn)營(yíng)商信號(hào)的地方都可以被NB-IoT信號(hào)覆蓋，并且對(duì)復(fù)雜地形具有較強(qiáng)的穿透能力。

②連接多。NB-IoT在同一基站的接入能力是現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)的50倍以上，一個(gè)扇區(qū)能夠同時(shí)支持10萬(wàn)連接[5]。

③功耗低。NB-IoT針對(duì)小數(shù)據(jù)量、小速率的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)簡(jiǎn)化空口信令，降低芯片復(fù)雜度，采用PSM節(jié)能技術(shù)等一系列技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低功耗。

2? 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端、水質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)和監(jiān)控終端三部分組成[6]，如圖1所示。水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端部署在城市河道的排污口、河流匯聚處及城區(qū)重點(diǎn)監(jiān)控水域內(nèi)。水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端通過(guò)控制器和傳感器兩部分組成，其中，傳感器負(fù)責(zé)對(duì)水體的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行采集，采集后通過(guò)發(fā)送至控制器，控制器對(duì)數(shù)據(jù)做初加工，加工完的數(shù)據(jù)按照以指定的格式通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控平臺(tái)。水質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)由服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)組成，主要提供3個(gè)主要功能：①負(fù)責(zé)對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，存儲(chǔ);②提供查詢接口供監(jiān)控終端對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn);③當(dāng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)超出閾值或者水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端狀態(tài)異常時(shí)，觸發(fā)告警。監(jiān)控人員日常可隨時(shí)通過(guò)監(jiān)控終端或者手機(jī)APP查看水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和告警信息。

3? 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。監(jiān)測(cè)終端由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)發(fā)送單元三部分組成，如圖2所示。其中，數(shù)據(jù)采集單元通過(guò)4個(gè)傳感器，完成對(duì)水樣本的pH、氨氮、電導(dǎo)率和溫度數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)處理單元為監(jiān)測(cè)終端的大腦，控制著傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大、濾波、轉(zhuǎn)換、加權(quán)計(jì)算等初步加工，并將加工后的數(shù)據(jù)通過(guò)UART接口傳遞給數(shù)據(jù)發(fā)送單元。數(shù)據(jù)傳送單元實(shí)現(xiàn)與NB-IoT基站的對(duì)接，通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

3.1 控制單元

水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端需要能夠在野外環(huán)境長(zhǎng)期工作，低功耗是一個(gè)很重要的指標(biāo)，本設(shè)計(jì)選取MSP430作為數(shù)據(jù)處理單元的微控制器。該控制器是德州儀器推出的一款超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集的微控制器。本設(shè)計(jì)中，微控制器芯片工作在3.3V的電壓，依靠芯片內(nèi)置的硬件乘法器，來(lái)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端的控制和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)加工運(yùn)算的功能。微控制器通過(guò)SPI通信接口與AT45DB041存儲(chǔ)芯片進(jìn)行通信，對(duì)運(yùn)算后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。微控制器通過(guò)串行通信接口與SARA-N201模塊進(jìn)行通信，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測(cè)平臺(tái)。水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端控制單元的電路原理圖如圖3所示。

3.2 采集單元

傳感器測(cè)量輸出信號(hào)較弱，且可能伴隨一定的干擾，無(wú)法直接對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行一定的預(yù)處理，首先通過(guò)放大電路將數(shù)據(jù)放大到合理的區(qū)間。但數(shù)據(jù)放大的同時(shí)，誤差也會(huì)隨之放大。使用AD8620構(gòu)造二階低通濾波器，消除數(shù)據(jù)中的干擾，減小誤差后，再將數(shù)據(jù)發(fā)送給MSP430的ADC12模塊進(jìn)行處理。

3.3 傳送單元

使用SARA-N201模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，SARA-N201模塊為u-blox公司開(kāi)發(fā)的NB-IoT通信模塊，基于該模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送單元電路原理圖如圖4所示。

本設(shè)計(jì)中，SARA-N201模塊工作在3.3V電壓下，與MCU工作電壓相同，具有相同的電平電壓，無(wú)需進(jìn)行額外的電平轉(zhuǎn)換。模塊內(nèi)部提供1.8V的電壓，用來(lái)支持SIM卡的數(shù)字接口對(duì)接。SARA-N201模塊的復(fù)位管腳為RST_IN，與MCU的開(kāi)漏輸出管腳相連，MCU可通過(guò)該管腳完成對(duì)數(shù)據(jù)傳輸單元的復(fù)位操作。SARA-N201模塊與MCU間的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)UART串口實(shí)現(xiàn)，SARA-N201模塊的RXD和TXD管腳直接與MCU對(duì)應(yīng)管腳相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收， 數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程中RTS和CTS管腳通過(guò)高低電平對(duì)串口通信進(jìn)行管理。SARA-N201模塊與物聯(lián)網(wǎng)SIM卡槽通過(guò)VSIM、SIM_IO、SIM_CLK和SIM_RST管腳連接，每條線路并聯(lián)50μF的接地電容，濾除天線信號(hào)干擾。SARA-N201模塊通過(guò)SIM_RST管腳對(duì)SIM卡進(jìn)行復(fù)位操作，使用SIM_IO管腳負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收發(fā)，上述4個(gè)管腳均工作在1.8V電壓，由SARA-N201模塊內(nèi)部提供。此外，ANT管腳經(jīng)過(guò)匹配電路后連接天線，ANT_DET管腳用來(lái)檢測(cè)天線的連接狀態(tài)。

4? 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件涉及三部分：水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端、水質(zhì)監(jiān)控平臺(tái)和監(jiān)控終端。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的核心，采用模塊化設(shè)計(jì)，以利于維護(hù)和升級(jí)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)終端的控制管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)加工和數(shù)據(jù)傳送的能力。

控制管理模塊主要完成處理器的初始化，實(shí)現(xiàn)處理器與傳感器之間的通信，對(duì)傳感器返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存儲(chǔ)，以及與NB-IoT模塊間的數(shù)據(jù)收發(fā)[7]?？刂乒芾砟K的處理流程如圖5所示。

當(dāng)水質(zhì)采集終端上電或者復(fù)位后，管理控制模塊對(duì)MCU的中斷、內(nèi)存、時(shí)鐘等硬件進(jìn)行初始化操作，接著進(jìn)行芯片外部端口、AT45DB041以及SARA-N201等片外設(shè)備進(jìn)行初始化。初始化完成后啟動(dòng)水質(zhì)采集進(jìn)程，按照所設(shè)定的采集周期查詢傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)，對(duì)獲取的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、平滑等運(yùn)算，并將計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)在Flash芯片，等上報(bào)周期到時(shí)，調(diào)用數(shù)據(jù)傳送模塊接口，將Flash中存儲(chǔ)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至NB-IoT發(fā)送單元，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，數(shù)據(jù)發(fā)送成功后清除Flash，準(zhǔn)備下一個(gè)周期的監(jiān)測(cè)。

數(shù)據(jù)傳送模塊在初始化時(shí)通過(guò)AT指令進(jìn)行運(yùn)營(yíng)商MNC的注冊(cè)，并完成注冊(cè)入網(wǎng)。當(dāng)需要數(shù)據(jù)上報(bào)時(shí)，以串口通信方式從控制器獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)UDP socket方式將數(shù)據(jù)上送至基站。

水質(zhì)監(jiān)控平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)主要完成水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)終端狀態(tài)數(shù)據(jù)的接收，數(shù)據(jù)超出預(yù)警值時(shí)觸發(fā)告警，并將接收數(shù)據(jù)存入SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)提供查詢接口，供監(jiān)控終端訪問(wèn)所有的數(shù)據(jù)信息，主要處理流程如圖6所示。

監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)前端展示頁(yè)面和后臺(tái)的查詢接口，邏輯比較簡(jiǎn)單，不在此詳細(xì)介紹。

5? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

搭建測(cè)試平臺(tái)對(duì)本文所設(shè)計(jì)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建方案為：將兩個(gè)安裝了電信的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)專用SIM卡的水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端分別放置在自來(lái)水和污水兩份不同的水質(zhì)樣本環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;在華為云購(gòu)買(mǎi)ESC云服務(wù)作為水質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，并在云服務(wù)器內(nèi)安裝 MySQL數(shù)據(jù)庫(kù);監(jiān)控終端使用接入互聯(lián)網(wǎng)的電腦進(jìn)行模擬。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端以秒為周期從傳感器采樣一次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以30秒為周期向監(jiān)測(cè)平臺(tái)上報(bào)。在水質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)通過(guò)SQL命令查詢數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的數(shù)量，24小時(shí)內(nèi)收到5756條監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，小于理論值的5760條，存在丟包，丟包率為0.07%。通過(guò)監(jiān)控終端獲取水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測(cè)終端采集上報(bào)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，電導(dǎo)率和氨氮數(shù)值存在波動(dòng)，波動(dòng)范圍均在±1%以內(nèi)。同時(shí)對(duì)比自來(lái)水和污水的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如表1和表2所示，可以明顯發(fā)現(xiàn)污水的pH值、氨氮和電導(dǎo)率等參數(shù)存在較大的差異，監(jiān)控人員可以直接發(fā)現(xiàn)污水樣本的水質(zhì)存在問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)測(cè)平臺(tái)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期穩(wěn)定的高頻度監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，數(shù)據(jù)傳輸鏈路穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度范圍達(dá)到預(yù)期。

6? 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，詳細(xì)論述了軟硬件的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)具有低功耗、網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣、組網(wǎng)便利等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠通過(guò)傳感器將數(shù)據(jù)采集，利用NB-IoT技術(shù)傳至水質(zhì)監(jiān)控平臺(tái)，監(jiān)控人員可通過(guò)電腦或者手機(jī)等終端設(shè)備查看相應(yīng)的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)目標(biāo)，為水質(zhì)監(jiān)測(cè)課題提供了新的思路。

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