面向5G+NB-IoT未知水域監測系統

王健，孫家軍，李志剛，楊秀奇，王亞威，王杰龍

（ 遼寧科技大學 電信學院，遼寧 鞍山 114000）

0 引言

隨著科技的發展，人類生活水平的提過，也給自然環境帶來了一些不好影響。溫室氣體大量排放導致全球氣候變暖海平面升高；工廠廢水、生活污水的排放導致水資源的污染等問題普遍發生，所以應該采取可行的措施來減少此類事情的發生。隨著5G通信技術的發展，為了更好的監護水資源，NB-IoT作為5G物聯網的前奏和基礎技術應用到未知水域監測系統中可以更好的提高我們監測系統的監測水平。

1 未知水域監測現狀和分析

我國未知水域監測系統隨著無線通信技術的發展，取得了很多顯著的進步，但仍有很多不足的地方。經研究分析，主要是有這幾部分因素導致的。

新產品研發投放緩慢。目前國內很多地方的湖泊、海洋都在用一些老舊的檢測系統來進行信息的數據采集與傳輸，這就導致未知水域檢測的不夠及時和準確，遠不能滿足當下高速發展的5G通信技術下的互聯網時代人們對水域信息的需求。

硬件設備老齡化嚴重。現在的硬件芯片特別是微功耗的芯片附著的設備更新的速度較快，而作為未知水域檢測的核心控制芯片的更新換代的速度較慢，導致無法滿足當下的5G通信的信息傳輸的需求，更導致的檢測設備存在較大的誤差。

傳感器檢測精度偏低。國內傳感器產業實現了質的飛躍，而現在未知水域監測系統中使用的大部分還是幾年前研發的傳感器，無論是精度、穩定性等方面都與現在研發的傳感器存在著比較大的差距。

無信通信方式的滯后。水域檢測系統常用的通信方式大多是GSM、GPRS、衛星、光纖等信道組網。同時目前基于4G通信技術的方式的也是比較少，而面向5G通信技術的信號傳輸方式的則更是少之又少。

針對上述對未知水域監測系統的現狀，分析當前對更實用更高速的未知水域監測手段的需求，此未知水域監測系統通過可驅動小型浮漂作為感知層的載體，有效的彌補了一些通過人工檢測存在的誤差和一些大型檢測儀器攜帶不便等諸多問題；網絡層則采用5G組網通信技術進行信息傳輸，極大地提高了信息的傳輸速度、安全性和傳輸量；應用層這通過中國移動推出的One Edge平臺，一款面向5G邊緣技術管理平臺，可以更高效的接收數據、顯示數據以及數據的分析整理等。

2 系統方案設計

本系統是通過物聯網的層次化的網絡。從先到后可劃分為：感知層、網絡層、應用層。

感知層的設計方案為：未知水域監測的感知設備嵌入在一個可以驅動的水中懸浮浮漂內，浮漂四面各有一個驅動加螺旋槳進行對浮漂的驅動，浮漂頂部安裝GPS/北斗定位雙系統的定位系統對檢測采集位置進行定位，通過浮漂內載入的測量控制芯片STM32F407ZGT6控制傳感器進行檢測，檢測傳感器包括：BMP280高精度氣壓計、PH傳感器、液體流量計、防水攝像頭、MPU6050陀螺儀角度傳感器。采集后的數據通過中移物聯OneMO通信模組超高速率5G模塊F03X將檢測到的數據信息進行上傳。

網絡層的設計方案：通過NB-IoT通信及窄帶物聯網作為網絡層技術進行網絡的連接，采集數據的傳輸，NB-IoT只需要非常窄的頻段(180KHz)就可以工作，完全兼容于全球移動通信系統、通用移動系統和5G網絡；覆蓋廣；具備支撐海量連接的能力；更低功耗，可以說是為物聯網量身打造的。

應用層的設計方案：通過中國移動OneNET推出的一款面向5G時代的邊緣計算管理平臺進行數據的接收和整合，OneNET邊緣計算平臺實現將OneNET云服務延伸至包括5G MEC在內的多種邊緣場景。它支持運行在小到嵌入式終端，大到MEC邊緣云基礎設施中，并且可以在邊緣端提供人工智能、大數據、物聯網設備管理、工業及終端協議適配、視頻接入、海量時序數據存儲等功能。

3 系統下位機設計

浮漂內嵌系統下位機的設計方案如圖1所示。選用ARM公司開發的32bit STM32F407ZGT6芯片作為控制芯片，因為其對代碼數據的處理速度快，內部集成了12bit的A/D模塊，可以直接進行A/D轉換；運算當大電路采用4個運算放大器LM358,對傳感器信號就行電壓電流轉換；STM32F07ZGT6芯片本身集成了兩個USART模塊，通過串口與F03X驅動電路相連，將電平信號傳給F03X,實現控制芯片與F03X的串口通信，復位電路則設計常規的手動按鍵復位電路，來防止程序跑飛，從而能夠更好的完成監測工作。

圖1 浮漂內嵌硬件結構設計圖

4 上位機軟件設計

上位機軟件的主要數據處理環節如圖2所示，主要包括4個子模塊：數據接收單元、數據字典維護、數據查詢單元、數據顯示單元、數據備份和災難恢復。此設計可以快速準確的判斷水域情況。

圖2 控制中心軟件功能框圖

數據處理過程如圖3所示。本系統借用中國移動OneNET推出的一款面向5G時代的邊緣計算管理平臺OneEdge進行數據的接收和整合，數據則采用JSON格式進行發送，JSON可以方便準確的將數據傳輸給平臺。軟件數據庫則采用Microsoft SQL Server,可以更加準確地儲存數據信息，并通過SQL語言進行查詢。

圖3 控制中心軟件功能

5 結語

本文設計了一種面向5G+ NB-IoT的未知水域監測系統，通過物聯網的層次化結構，將感知層網絡層和應用層完美結合為一個整體，準確的采集到水域數據后可以立即通過NB-IoT技術快速的將數據進行傳輸，并通過中國移動推出的一款面向5G邊緣技術管理平臺OneEdge更高效的接收數據、顯示數據以及數據的分析整理等。解決了當前無法快速準確并全面的了解未知水域情況等問題。