基于NB-IoT技術的水質監測系統設計

李建飛 李建鑫

摘要：針對傳統水質監測系統的不足，本文設計了一種基于窄帶物聯網技術的水質監測系統，該系統以MSP430微控制器為核心，利用NB-IoT模塊和水質檢測傳感器實現對水質參數的實時遠程監測。實驗表明，該系統實時性強、穩定性高，能夠滿足預期結果。

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.

關鍵詞：窄帶物聯網技術;水質監測;NB-IoT;傳感器

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

中圖分類號：X832? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）29-0230-03

0? 引言

改革開放以來，工業化進程的不斷加快導致城市水資源污染逐步加劇，對居民的身體健康和國家的可持續發展政策造成威脅。隨著政府對生態環境的日漸重視，關停大量污染企業，但仍有部分非法企業違法排放，以及突發的水污染事件對城市水體的安全造成危害。因此水質監測作為水資源管控的主要手段之一，正在發揮不可替代中的作用[1]。

傳統的水質監測依賴人工采樣的方法，工作強度大、時效性差、監測周期長、在水樣分析和統計過程中需要用到高精度儀器設備[2]，導致監測成本過高。近年來，隨著物聯網技術的發展與成熟，基于物聯網技術的水質監測系統逐漸成為該領域的研究熱點[3]。

1? 窄帶物聯網（NB-IoT）介紹

窄帶物聯網（NB-IoT）作為物聯網技術的一個新制式，依托于蜂窩網絡，可直接部署在GSM、LTE網絡上，支持低功耗設備在廣域網蜂窩數據連接[4]。

NB-IoT的典型網絡由行業終端+NB-IoT模塊、NB-IoT基站、核心網、IoT平臺和行業應用構成。行業終端通過NB-IoT模塊接入NB-IoT網絡，經過核心網，實現與IoT平臺的對接，IoT平臺將行業終端采集數據進行大數據運算，行業應用通過訪問平臺獲取結果。

NB-IoT技術主要有以下幾個優勢：

①覆蓋廣。NB-IoT基于運營商網絡部署，只要有運營商信號的地方都可以被NB-IoT信號覆蓋，并且對復雜地形具有較強的穿透能力。

②連接多。NB-IoT在同一基站的接入能力是現有無線技術的50倍以上，一個扇區能夠同時支持10萬連接[5]。

③功耗低。NB-IoT針對小數據量、小速率的應用場景進行優化。通過簡化空口信令，降低芯片復雜度，采用PSM節能技術等一系列技術實現了低功耗。

2? 水質監測系統設計方案

本水質監測系統由水質監測終端、水質監測平臺和監控終端三部分組成[6]，如圖1所示。水質監測終端部署在城市河道的排污口、河流匯聚處及城區重點監控水域內。水質監測終端通過控制器和傳感器兩部分組成，其中，傳感器負責對水體的各項指標進行采集，采集后通過發送至控制器，控制器對數據做初加工，加工完的數據按照以指定的格式通過NB-IoT網絡將數據發送至監控平臺。水質監測平臺由服務器和數據庫組成，主要提供3個主要功能：①負責對水質監測數據和水質監測終端狀態進行計算，存儲;②提供查詢接口供監控終端對數據庫數據進行訪問;③當監測指標超出閾值或者水質監測終端狀態異常時，觸發告警。監控人員日常可隨時通過監控終端或者手機APP查看水質監測數據和告警信息。

3? 水質監測系統硬件設計

在水質監測系統中，水質監測終端是整個系統的核心部分。監測終端由數據采集單元、數據處理單元和數據發送單元三部分組成，如圖2所示。其中，數據采集單元通過4個傳感器，完成對水樣本的pH、氨氮、電導率和溫度數據的采集。數據處理單元為監測終端的大腦，控制著傳感器進行數據采集，并對接收到的數據進行放大、濾波、轉換、加權計算等初步加工，并將加工后的數據通過UART接口傳遞給數據發送單元。數據傳送單元實現與NB-IoT基站的對接，通過NB-IoT網絡將監測數據發送到監測平臺。

3.1 控制單元

水質監測終端需要能夠在野外環境長期工作，低功耗是一個很重要的指標，本設計選取MSP430作為數據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、具有精簡指令集的微控制器。本設計中，微控制器芯片工作在3.3V的電壓，依靠芯片內置的硬件乘法器，來實現水質監測終端的控制和監測數據加工運算的功能。微控制器通過SPI通信接口與AT45DB041存儲芯片進行通信，對運算后的監測數據進行存儲。微控制器通過串行通信接口與SARA-N201模塊進行通信，將監測數據發送至監測平臺。水質監測終端控制單元的電路原理圖如圖3所示。

3.2 采集單元

傳感器測量輸出信號較弱，且可能伴隨一定的干擾，無法直接對檢測數據進行采樣，需要對輸出信號進行一定的預處理，首先通過放大電路將數據放大到合理的區間。但數據放大的同時，誤差也會隨之放大。使用AD8620構造二階低通濾波器，消除數據中的干擾，減小誤差后，再將數據發送給MSP430的ADC12模塊進行處理。

3.3 傳送單元

使用SARA-N201模塊設計實現數據發送模塊，SARA-N201模塊為u-blox公司開發的NB-IoT通信模塊，基于該模塊的數據發送單元電路原理圖如圖4所示。

本設計中，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，無需進行額外的電平轉換。模塊內部提供1.8V的電壓，用來支持SIM卡的數字接口對接。SARA-N201模塊的復位管腳為RST_IN，與MCU的開漏輸出管腳相連，MCU可通過該管腳完成對數據傳輸單元的復位操作。SARA-N201模塊與MCU間的數據傳輸通過UART串口實現，SARA-N201模塊的RXD和TXD管腳直接與MCU對應管腳相連，進行數據的發送與接收， 數據收發過程中RTS和CTS管腳通過高低電平對串口通信進行管理。SARA-N201模塊與物聯網SIM卡槽通過VSIM、SIM_IO、SIM_CLK和SIM_RST管腳連接，每條線路并聯50μF的接地電容，濾除天線信號干擾。SARA-N201模塊通過SIM_RST管腳對SIM卡進行復位操作，使用SIM_IO管腳負責數據收發，上述4個管腳均工作在1.8V電壓，由SARA-N201模塊內部提供。此外，ANT管腳經過匹配電路后連接天線，ANT_DET管腳用來檢測天線的連接狀態。

4? 水質監測系統軟件設計

整個水質監測系統的軟件涉及三部分：水質監測終端、水質監控平臺和監控終端。

水質監測終端的軟件設計是整個監測系統軟件的核心，采用模塊化設計，以利于維護和升級，實現監測終端的控制管理、監測數據采集、數據加工和數據傳送的能力。

控制管理模塊主要完成處理器的初始化，實現處理器與傳感器之間的通信，對傳感器返回的數據進行處理并存儲，以及與NB-IoT模塊間的數據收發[7]。控制管理模塊的處理流程如圖5所示。

當水質采集終端上電或者復位后，管理控制模塊對MCU的中斷、內存、時鐘等硬件進行初始化操作，接著進行芯片外部端口、AT45DB041以及SARA-N201等片外設備進行初始化。初始化完成后啟動水質采集進程，按照所設定的采集周期查詢傳感器設備的數據，對獲取的水質數據進行濾波、平滑等運算，并將計算結果存儲在Flash芯片，等上報周期到時，調用數據傳送模塊接口，將Flash中存儲的水質監測數據通過串口發送至NB-IoT發送單元，進行網絡傳輸，數據發送成功后清除Flash，準備下一個周期的監測。

數據傳送模塊在初始化時通過AT指令進行運營商MNC的注冊，并完成注冊入網。當需要數據上報時，以串口通信方式從控制器獲取監測數據和節點狀態數據，通過UDP socket方式將數據上送至基站。

水質監控平臺軟件設計主要完成水質監測數據和監測終端狀態數據的接收，數據超出預警值時觸發告警，并將接收數據存入SQL數據庫，同時提供查詢接口，供監控終端訪問所有的數據信息，主要處理流程如圖6所示。

監控終端軟件設計主要實現前端展示頁面和后臺的查詢接口，邏輯比較簡單，不在此詳細介紹。

5? 實驗驗證分析

搭建測試平臺對本文所設計的水質監測系統進行實驗驗證。實驗平臺搭建方案為：將兩個安裝了電信的NB-IoT物聯網專用SIM卡的水質監測終端分別放置在自來水和污水兩份不同的水質樣本環境中進行數據采集;在華為云購買ESC云服務作為水質監測平臺，并在云服務器內安裝 MySQL數據庫;監控終端使用接入互聯網的電腦進行模擬。

實驗過程中，設置水質監測終端以秒為周期從傳感器采樣一次監測數據，以30秒為周期向監測平臺上報。在水質監測平臺通過SQL命令查詢數據庫記錄的數量，24小時內收到5756條監測數據，小于理論值的5760條，存在丟包，丟包率為0.07%。通過監控終端獲取水質監測數據分析，監測終端采集上報數據穩定，電導率和氨氮數值存在波動，波動范圍均在±1%以內。同時對比自來水和污水的監測數據，如表1和表2所示，可以明顯發現污水的pH值、氨氮和電導率等參數存在較大的差異，監控人員可以直接發現污水樣本的水質存在問題。

實驗結果表明該水質監測系統能夠有效的實現自動化水質監測，并將監測數據實時傳送到監測平臺，經過長期穩定的高頻度監測，系統運行狀態良好，數據傳輸鏈路穩定，監測數據精度范圍達到預期。

6? 結束語

本文設計了一種基于NB-IoT技術的物聯網水質監控系統，詳細論述了軟硬件的設計方案。該系統具有低功耗、網絡覆蓋廣、組網便利等優點。實驗驗證結果表明，該系統能夠通過傳感器將數據采集，利用NB-IoT技術傳至水質監控平臺，監控人員可通過電腦或者手機等終端設備查看相應的水質參數數據，實現了預設目標，為水質監測課題提供了新的思路。

參考文獻：

[1]劉國忠，王磊，鄧文怡，李月強，呂乃光.環境水質遠程監測技術研究[J].航空精密制造技術，2003.

[2]齊文啟，陳光，孫宗光.水質環境監測技術和儀器的發展[J]. 現代科學儀器，2003.

[3]武延坤，陳益清，雷萍.水質監測技術現有問題分析及物聯網應用框架[J].中國給水排水，2012.

[4]張湘東，張文安，黃澤龍.農業物聯網通信技術研究[J].廣東通信技術，2017.

[5]彭秀萍，黎忠文.共享單車背后的物聯網技術解析[J].信息與電腦（理論版），2017.

[6]鄧秀華.湖庫水質遠程監測系統研究與設計[D].山西：山西大學，2013.

[7]郝萬君，潘國成，曹蘇榮，姜茜，劉蘇明，喬焰輝.基于無線傳感網的室內環境多參數分布監測系統設計[J].蘇州科技大學學報（自然科學版），2017.