基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)養(yǎng)殖遠程水質監(jiān)測系統(tǒng)設計

摘? ?要：為了促進太湖片區(qū)鱸魚養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)信息化發(fā)展，對魚塘水質進行更優(yōu)的遠程監(jiān)測，文章設計了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)養(yǎng)殖遠程水質監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)采集、水質監(jiān)測和管理功能。該系統(tǒng)選用MKL36Z64VLH4為微控制器，以ME3616通信模塊實現(xiàn)無線傳輸功能，實現(xiàn)魚塘水質遠程實時監(jiān)測功能。

關鍵詞：窄帶物聯(lián)網(wǎng);水質;監(jiān)測

近年來，太湖地區(qū)鱸魚養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，是該地區(qū)漁業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，也是 漁民的主要收入來源。由于養(yǎng)殖過程中水質監(jiān)測不到位，經(jīng)常會導致鱸魚大量死亡，經(jīng)濟損失嚴重，鱸魚對溫度、含氧量、pH值等水體因子比較敏感，因此，設計和應用水質實時監(jiān)測系統(tǒng)變得尤為重要，也為提高產(chǎn)量、科學養(yǎng)殖提供基礎保障。研究人員結合ZigBee和WiFi技術，利用4G-DTU無線傳輸?shù)确绞竭M行水質的遠程監(jiān)測，這些監(jiān)測系統(tǒng)都各有特點，大多采用GPRS與外網(wǎng)連接，功耗比較高。近年來，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）由于低功耗、低成本、覆蓋廣等優(yōu)點得到迅速發(fā)展[1]。

1? ? 系統(tǒng)體系結構

基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的養(yǎng)殖遠程水質監(jiān)測系統(tǒng)主要包括感知層、傳輸層、平臺層和應用層。（1）感知層，主要包括微控制單元（Micro Control Unit，MCU）、電源模塊、水質傳感器模塊等。（2）傳輸層，主要作用是通過感知層的NB-IoT模塊物理連接到核心網(wǎng)和通信基站。（3）平臺層，主要是云服務器負責匯聚接入網(wǎng)得到IoT相關數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給偵聽程序進行相應處理。（4）應用層，主要在平臺提供的偵聽及相應的開放接口利用Web端、手機APP端等應用程序對數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測管理。該系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

2? ? 系統(tǒng)硬件構成

遠程水質監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分主要集中在感知層，主要包含傳感器模塊（溶解氧傳感器、pH傳感器、溫度傳感器），MCU和NB-IoT通信模塊。水質參數(shù)通過相應傳感器進行采集的模擬信號，經(jīng)過A/D轉換通過MCU進行數(shù)據(jù)處理成數(shù)字信號，傳至NB-IoT通信模塊。

2.1? 水質參數(shù)采集模塊

溶解氧參數(shù)采集模塊采用的是原電池溶解氧電極的原理測定水中氧的變化。電池溶解氧傳感器性能高、重復性好、響應時間短、抗干擾強、殘余電流低，不需要換透氣膜，也不需要換電解液。該模塊測量范圍為0～20 mg/L，溫度適用范圍為﹣5～40 ℃，最小分度值為0.01 mg/L，內(nèi)置溫度補償。傳感器測量時電流變化量比較微弱，因此，將傳感器電極連接在電壓變送模塊，可以將微弱的電流變換量轉化為0～5 V的電壓變化。

pH采集傳感器模塊采用的帶有串口輸出的酸堿度采集模塊，可通過串口助手直接測試、校正、獲取pH值，之后可以利用串口與MCU相連獲取pH值。檢測濃度范圍為0～14，響應時間短、功耗低。

溫度采集傳感器選取的是DS18B20，由于該傳感器獨特的單總線接口方式[2]，使得傳感器與微處理器連接時僅需要一條線即可實現(xiàn)雙向通信，有效提高了系統(tǒng)的抗干擾性。并且測試范圍高達125 ℃，低至﹣55 ℃，精度為±0.5 ℃，滿足整個系統(tǒng)設計的要求，而且使用時不需要任何外圍組件，減少硬件的復雜度。

2.2? 嵌入式主控板模塊

嵌入式主控板設計模塊中，MCU采用MKL36Z64VLH4，該MCU采用ARM Cortex-M0+內(nèi)核，具備超低功耗的性能，采用3.3 V工作電壓，其工作頻率為48 MHz，I2C，ADC，UART等相關外設也比較豐富，適合消費電子、工業(yè)計量等應用，滿足本系統(tǒng)的設計要求，框架如圖2所示。

2.3? 通信模塊

通信模塊主要負責對數(shù)據(jù)進行接收和轉發(fā)，將主控芯片監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過該模塊發(fā)送出去，通信模塊電路由模塊本身、電源、串口和eSIM卡等組成。通信模塊需要使用串口與主控芯片進行數(shù)據(jù)通信，本文采用的是ME3616的NB-IoT的通信模塊[3]，該模塊是一款支持NB-IoT通信標準的窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的通信模塊，可以提供最大66 Kbps上行速率和34 Kbps下行速率，具有低功耗、遠距離、海量連接等特點。本系統(tǒng)通信模塊與主控板芯片通過UART1串口相連，采集到的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過主控芯片處理后通過串口傳送給通信模塊。對于具有通信模塊的通信終端，天線匹配也十分重要，會直接影響終端設備的信號質量和傳輸成功率，因此，本系統(tǒng)也配備了相應的匹配天線。

2.4? 硬件模塊主要執(zhí)行流程

硬件程序模塊主要是微控制器MKL36Z64VLH4各個主要構件的初始化、中斷優(yōu)先級分配初始化，主要針對DS18B20初始化和溫度轉換函數(shù)、pH值讀取初始化及串口讀取初始化、溶解氧讀取初始化及模數(shù)轉換函數(shù)初始化，然后微處理器讀取和處理傳感器傳來的水質參數(shù)，并顯示與LCD顯示屏，通過URAT1傳送給ME3616無線通信模塊，微控制器通過異步串行通信向ME3616無線通信模塊發(fā)送一系列AT指令進行連接和通信。硬件模塊主要執(zhí)行流程如圖3所示。

3? ? 系統(tǒng)軟件應用

3.1? ME3616模塊通信設計

根據(jù)窄帶物聯(lián)網(wǎng)的應用架構可知，采用的是IP+IMSI號的方式識別不同的終端設備[4]，IMSI號是SIM卡唯一的國際移動用戶標識符，在有效的數(shù)據(jù)報中加入IP地址是為了數(shù)據(jù)報能夠到達目的設備并能及時響應。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和降低丟包率等，通信數(shù)據(jù)報一幀數(shù)據(jù)采用了幀頭、IMSI號、有效數(shù)據(jù)、幀尾組成，一幀數(shù)據(jù)的長度為42個字節(jié)，具體的幀格式如表1所示。

數(shù)據(jù)通過ME3616無線通信模塊進入傳輸層，由傳輸層的核心網(wǎng)發(fā)送至附近電信基站，進入平臺層進行處理，平臺層主要負責處理、存儲無線傳輸過來檢測到的水溫等數(shù)據(jù)。

3.2? 人機交互系統(tǒng)設計

人機交互接口客戶端軟件是整個系統(tǒng)的平臺層與應用層，主要負責數(shù)據(jù)庫管理，然后與程序數(shù)據(jù)之間進行數(shù)據(jù)傳輸。本設計采用的是Microsoft Visual 2013+SQL Server2005模式設計管理接口。采用B/S架構客戶端模式，通過網(wǎng)絡瀏覽器訪問服務器的數(shù)據(jù)資源[5]。設計水質監(jiān)測軟件系統(tǒng)主要包含系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)下載、實時顯示、閾值設置5個功能板塊，客戶端軟件總體框架如圖4所示。

4? ? 系統(tǒng)測試結果

本系統(tǒng)采用的是在蘇州市吳江區(qū)的某養(yǎng)殖戶魚塘，對該養(yǎng)殖戶的某一魚塘進行實地測試，終端設備每10 min對水質采樣一次，并及時傳送給系統(tǒng)應用端，形成的3個水質參數(shù)曲線結果如圖5—7所示。系統(tǒng)還可通過閾值的設置看水質參數(shù)是否符合鱸魚的生長環(huán)境，必要時需要人為的增氧或其他作業(yè)以減少養(yǎng)殖的不必要損失。

5? ? 結語

本系統(tǒng)以無線傳輸水質參數(shù)為目的，采用ME3616無線通信模塊為無線傳輸模塊，并基于MKL36Z64VLH4微控制器和各類水質傳感器為硬件對水質中的參數(shù)進行采集并處理。利用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術直接接入蜂窩網(wǎng)絡，使整個系統(tǒng)成本低、結構相對簡單、覆蓋廣，滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖遠程水質監(jiān)測的要求。為養(yǎng)殖戶解決水質監(jiān)測的實際問題，可以有效降低因水質監(jiān)測不到位產(chǎn)生的損失。本文測試只用了一個終端設備，后期可投入多個終端設備以提高資料的可靠性。限于筆者水平，應用層的手機端APP或微信小程序端的數(shù)據(jù)監(jiān)測還未開發(fā)。

[參考文獻]

[1]宦娟，吳帆，曹偉建，等.基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的養(yǎng)殖塘水質監(jiān)測系統(tǒng)研制[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2019（8）：260-269.

[2]錢平，鮮學豐，顧才東，等.一種鱸魚養(yǎng)殖遠程水質監(jiān)測系統(tǒng)[J].現(xiàn)代計算機，2019（25）：80-84.

[3]王宜懷，張建，劉輝，等.窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT應用開發(fā)共性技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2019.

[4]黃偉，彭曉宏，張明明，等.一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的智能水表設計[J].現(xiàn)代電子技術，2019（14）：169-172，176.

[5]宋洪儒，王宜懷，楊凡.基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的智能路燈控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2019（2）：180-184，190.

Design of remote water quality monitoring system based on NB-IoT

Qian Ping

（Suzhou Vocational University， Suzhou 215104， China）

Abstract：In order to promote bass aquaculture industry informatization development in the Taihu lake， pond water quality for remote monitoring of the article design a based on narrowband Internet of aquaculture water quality remote monitoring system in this paper， realize the function of remote data acquisition and water quality monitoring and management the system chooses MKL36Z64VLH4 for microcontrollers， with ME3616 communication module， wireless transmission function， pond water quality real-time.

Key words：narrow band Internet of Things; water quality; monitoring