基于NBIOT的桶裝飲用水檢測系統(tǒng)

王橋　曾家明　張仕均　李光雙　丁丹丹

摘 要：基于NBIOT的桶裝飲用水檢測系統(tǒng)使用非接觸方式檢測桶裝飲用水情況，采用非接觸式傳感器采集飲用水水量信息，通過低功耗ZigBee將飲用水信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器通過NBIOT連接公網(wǎng)服務(wù)器，將信息發(fā)送給服務(wù)器，用戶可登錄WEB查看自己的飲用水信息，提出在線叫水服務(wù)。傳統(tǒng)探針式檢測存在明顯缺陷，突出表現(xiàn)為檢測設(shè)備長時間與水體接觸，容易產(chǎn)生污垢和細(xì)菌。而采用超聲波水位計進(jìn)行非接觸式水位檢測，避免了傳統(tǒng)探針式檢測的技術(shù)缺陷，同時提高了飲用的安全性和水量檢測的精確性。

關(guān)鍵詞：非接觸;物聯(lián)網(wǎng);智能檢測;ZigBee;NBIOT

中圖分類號：TU990.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）14-0011-03

The Detection System of Barreled Drinking Water Based on NBIOT

WANG Qiao ZENG Jiaming ZHANG Shijun LI Guangshuang DING Dandan

（Guizhou Education University，Guiyang Guizhou 550018）

Abstract： The NBIOT-based barreled drinking water detection system uses non-contact methods to detect barreled drinking water， uses non-contact sensors to collect drinking water information， and sends the drinking water information to the coordinator through low-power ZigBee. The coordinator connects to the public network server through NBIOT and sends the information to the server， users can log in to WEB to view their drinking water information and propose an online water service. There are obvious defects in the traditional probe detection， which is prominently manifested in that the detection equipment is in contact with the water for a long time， and it is easy to produce dirt and bacteria. The use of an ultrasonic water level gauge for non-contact water level detection avoids the technical deficiencies of traditional probe detection， while improving the safety of drinking and the accuracy of water volume detection.

Keywords： non-contact;Internet of Things;intelligent detection;ZigBee;NBIOT

非接觸式飲用水檢測系統(tǒng)可以解決桶裝水供應(yīng)不及時、飲用水過期的問題，極大地為用戶節(jié)省了等水、送水的時間，也有利于高效利用水站的配送人力資源，相當(dāng)于為用戶提供了永不缺水的“桶”。隨著科技的不斷進(jìn)步，互聯(lián)網(wǎng)迅猛發(fā)展，人們的生活水平日益提高，非接觸式檢測技術(shù)也逐漸受到人們的高度關(guān)注。非接觸式飲用水檢測系統(tǒng)服務(wù)大眾，也推動了監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)化、移動化的發(fā)展。

利用非接觸式超聲波測距原理來實現(xiàn)水位自動檢測，如今已經(jīng)被水文界公認(rèn)為最好的檢測方法之一[1-3]。但目前水文行業(yè)整體的現(xiàn)代化監(jiān)測技術(shù)水平都很低，其原因主要有以下兩點：一是飲用水的流量預(yù)報精確度較低，自動化水平不高，并且欠缺實時在線檢測的設(shè)備，大多數(shù)測驗仍然采用傳統(tǒng)方法;二是水體監(jiān)測系統(tǒng)實用性的軟件有待完善開發(fā)，大多數(shù)資料依舊采用人工處理[4-6]。本文采用超聲波水位計進(jìn)行非接觸式水位檢測，避免了傳統(tǒng)探針式檢測存在的技術(shù)缺陷，即檢測設(shè)備長時間與水體接觸而產(chǎn)生污垢和細(xì)菌，同樣也提高了飲用的安全性和檢測水量的精確性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用NBIOT的蜂窩組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行ZigBee子節(jié)點與主節(jié)點間數(shù)據(jù)的傳送，并將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器，通過中間協(xié)調(diào)器接收和處理信息，協(xié)調(diào)器通過NBIOT連接公網(wǎng)服務(wù)器，將相應(yīng)信息發(fā)送給服務(wù)器，客戶端可通過關(guān)注公眾號訪問服務(wù)器、登錄網(wǎng)頁等方式查看自己的飲用水信息，以此完成客戶端對多個飲水點水量以及水質(zhì)的實時檢測，及時為缺水用戶送水，為水量較少、水過期用戶發(fā)送提示信息。NBIOT的桶裝飲用水檢測系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

傳感器與ZigBee子節(jié)點都是低功耗的，采用干電池供電即可，ZigBee之間采用組播的方式通信。其具有廣播所具有的優(yōu)點，也減少了協(xié)調(diào)器的負(fù)載。組建一個完整的ZigBee網(wǎng)絡(luò)分為兩步：網(wǎng)絡(luò)初始化和節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。其中，節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)主要通過與協(xié)調(diào)器連接入網(wǎng)或通過已有父節(jié)點入網(wǎng)。ZigBee無線組網(wǎng)的作用是通過無線方式將傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器處。

如圖2所示，將ZigBee協(xié)調(diào)器通過串口連接的方式接入微處理器STM32上，進(jìn)行信息的處理。微處理器具有多個串口，可以再利用微處理器的串口與NBIOT連接起來，大大減少硬件設(shè)計的復(fù)雜程度，同時減少代碼的編寫難度，保證信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

對于ZigBee協(xié)調(diào)器而言，它只負(fù)責(zé)通過串口轉(zhuǎn)發(fā)收到的數(shù)據(jù)，并不對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，識別到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的到來，調(diào)用函數(shù)進(jìn)行識別、處理，然后串口轉(zhuǎn)發(fā)到STM32。微處理器STM32主要完成單片機(jī)初始化、外部設(shè)備的連接和對數(shù)據(jù)的處理。其過程是先對系統(tǒng)初始化，設(shè)置好設(shè)備之間的通信，然后將ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到NBIOT。NBIOT主要作用是將STM32發(fā)來的數(shù)據(jù)再發(fā)送給服務(wù)器。其過程是初始化與STM32通信的串口，等待接收數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)并發(fā)射給服務(wù)器。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

服務(wù)器主要用來接收全部數(shù)據(jù)信息，包括水量、用水時間以及用戶的基本信息，并將這些信息以網(wǎng)頁的形式呈現(xiàn)，用戶通過登錄網(wǎng)頁查看信息。服務(wù)器需要做到接收信息、儲存信息以及用戶界面的設(shè)計。用戶界面要呈現(xiàn)水量信息、用水時間以及飲水地址。

根據(jù)功能需求，在MySQL中建立多個數(shù)據(jù)表和數(shù)據(jù)庫用于不同的信息儲存，包括水位數(shù)據(jù)表、用戶數(shù)據(jù)表、訂單數(shù)據(jù)表等，該系統(tǒng)在檢測的過程中能對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表進(jìn)行及時的添加、修改和刪除。普通用戶可以查看用水?dāng)?shù)據(jù)表，但無法修改和調(diào)用。管理員用戶可以根據(jù)檢測情況對用水?dāng)?shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。由于登錄信息數(shù)據(jù)表關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全性，所以Web服務(wù)器可以根據(jù)不同的賬戶和密碼限制訪問權(quán)限。當(dāng)然，管理員用戶可以對普通用戶數(shù)量進(jìn)行增減。

數(shù)據(jù)庫的設(shè)計不僅讓W(xué)eb頁面的設(shè)計更加清晰和方便，也提高了整個系統(tǒng)的靈活性。

2.2 WEB頁面設(shè)計

WEB頁面的設(shè)計需要為用戶提供一個簡潔方便的可視化操作界面，用戶不僅可以實時了解用水信息，還應(yīng)該根據(jù)用水情況及時決策。支持用戶異地遠(yuǎn)程登錄系統(tǒng)，支持頁面與數(shù)據(jù)庫的動態(tài)交互，如圖3所示。

在用戶登錄界面中，用戶可以選擇以普通用戶登陸或者是管理員用戶登錄。當(dāng)用戶輸入賬號和密碼后，將會與數(shù)據(jù)表中的信息進(jìn)行對比認(rèn)證，通過后將進(jìn)入用戶管理界面，否則提示賬戶有誤，極大地提高了系統(tǒng)的安全性。

用戶管理界面中，根據(jù)用戶身份信息的不同，可以提供不同的管理權(quán)限。普通用戶可以查看用水信息以及用水健康提示，修改自己的賬戶信息等;管理員用戶則可以對用水信息進(jìn)行修改和調(diào)用，也可以對普通用戶進(jìn)行消息推送，如圖4所示。

3 結(jié)語

水在日常生活中是不可或缺的，飲水安全對人體健康來說至關(guān)重要。在急需飲用水時，人們可能無法及時獲得補(bǔ)給而產(chǎn)生焦慮心理，忽略水過期問題。利用基于NBIOT的桶裝飲用水檢測系統(tǒng)，用戶可以隨時隨地通過訪問網(wǎng)頁頁面實時了解用水情況，以便聯(lián)系送水商，提前儲備好水。該系統(tǒng)很重要的作用是實現(xiàn)用戶和送水商之間的互利，送水商可以實時了解用戶的用水情況，向用戶發(fā)送送水提醒信息，以備不時之需;用戶也可關(guān)注公眾號了解水量信息，向送水商發(fā)送送水信息。

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