Design of Water Quality Monitoring System Based on NB-IoT Technology
李建飞① LI Jian-fei；李建鑫② LI Jian-xin
（①身份证号：61272919830617631X；②身份证号：612729198801276318）
摘要：针对传统水质监测系统的不足，本文设计了一种基于窄带物联网技术的水质监测系统，该系统以MSP430微控制器为核心，利用NB-IoT模块和水质检测传感器实现对水质参数的实时远程监测。实验表明，该系统实时性强、稳定性高，能够满足预期结果。
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.
关键词：窄带物联网技术；水质监测；NB-IoT；传感器
Key words: narrow-band Internet of Things technology；water quality monitoring；NB-IoT；sensor
中图分类号：X832 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）29-0230-03
0 引言
改革开放以来，工业化进程的不断加快导致城市水资源污染逐步加剧，对居民的身体健康和国家的可持续发展政策造成威胁。随着政府对生态环境的日渐重视，关停大量污染企业，但仍有部分非法企业违法排放，以及突发的水污染事件对城市水体的安全造成危害。因此水质监测作为水资源管控的主要手段之一，正在发挥不可替代中的作用[1]。
传统的水质监测依赖人工采样的方法，工作强度大、时效性差、监测周期长、在水样分析和统计过程中需要用到高精度仪器设备[2]，导致监测成本过高。近年来，随着物联网技术的发展与成熟，基于物联网技术的水质监测系统逐渐成为该领域的研究热点[3]。
1 窄带物联网（NB-IoT）介绍
窄带物联网（NB-IoT）作为物联网技术的一个新制式，依托于蜂窝网络，可直接部署在GSM、LTE网络上，支持低功耗设备在广域网蜂窝数据连接[4]。
NB-IoT的典型网络由行业终端+NB-IoT模块、NB-IoT基站、核心网、IoT平台和行业应用构成。行业终端通过NB-IoT模块接入NB-IoT网络，经过核心网，实现与IoT平台的对接，IoT平台将行业终端采集数据进行大数据运算，行业应用通过访问平台获取结果。
NB-IoT技术主要有以下几个优势：
①覆盖广。NB-IoT基于运营商网络部署，只要有运营商信号的地方都可以被NB-IoT信号覆盖，并且对复杂地形具有较强的穿透能力。
②连接多。NB-IoT在同一基站的接入能力是现有无线技术的50倍以上，一个扇区能够同时支持10万连接[5]。
③功耗低。NB-IoT针对小数据量、小速率的应用场景进行优化。通过简化空口信令，降低芯片复杂度，采用PSM节能技术等一系列技术实现了低功耗。
2 水质监测系统设计方案
本水质监测系统由水质监测终端、水质监测平台和监控终端三部分组成[6]，如图1所示。水质监测终端部署在城市河道的排污口、河流汇聚处及城区重点监控水域内。水质监测终端通过控制器和传感器两部分组成，其中，传感器负责对水体的各项指标进行采集，采集后通过发送至控制器，控制器对数据做初加工，加工完的数据按照以指定的格式通过NB-IoT网络将数据发送至监控平台。水质监测平台由服务器和数据库组成，主要提供3个主要功能：①负责对水质监测数据和水质监测终端状态进行计算，存储；②提供查询接口供监控终端对数据库数据进行访问；③当监测指标超出阈值或者水质监测终端状态异常时，触发告警。监控人员日常可随时通过监控终端或者手机APP查看水质监测数据和告警信息。
3 水质监测系统硬件设计
在水质监测系统中，水质监测终端是整个系统的核心部分。监测终端由数据采集单元、数据处理单元和数据发送单元三部分组成，如图2所示。其中，数据采集单元通过4个传感器，完成对水样本的pH、氨氮、电导率和温度数据的采集。数据处理单元为监测终端的大脑，控制着传感器进行数据采集，并对接收到的数据进行放大、滤波、转换、加权计算等初步加工，并将加工后的数据通过UART接口传递给数据发送单元。数据传送单元实现与NB-IoT基站的对接，通过NB-IoT网络将监测数据发送到监测平台。
3.1 控制单元
水质监测终端需要能够在野外环境长期工作，低功耗是一个很重要的指标，本设计选取MSP430作为数据处理单元的微控制器。该控制器是德州仪器推出的一款超低功耗、具有精简指令集的微控制器。本设计中，微控制器芯片工作在3.3V的电压，依靠芯片内置的硬件乘法器，来实现水质监测终端的控制和监测数据加工运算的功能。微控制器通过SPI通信接口与AT45DB041存储芯片进行通信，对运算后的监测数据进行存储。微控制器通过串行通信接口与SARA-N201模块进行通信，将监测数据发送至监测平台。水质监测终端控制单元的电路原理图如图3所示。
3.2 采集单元
传感器测量输出信号较弱，且可能伴随一定的干扰，无法直接对检测数据进行采样，需要对输出信号进行一定的预处理，首先通过放大电路将数据放大到合理的区间。但数据放大的同时，误差也会随之放大。使用AD8620构造二阶低通滤波器，消除数据中的干扰，减小误差后，再将数据发送给MSP430的ADC12模块进行处理。
3.3 传送单元
使用SARA-N201模块设计实现数据发送模块，SARA-N201模块为u-blox公司开发的NB-IoT通信模块，基于该模块的数据发送单元电路原理图如图4所示。
本设计中，SARA-N201模块工作在3.3V电压下，与MCU工作电压相同，具有相同的电平电压，无需进行额外的电平转换。模块内部提供1.8V的电压，用来支持SIM卡的数字接口对接。SARA-N201模块的复位管脚为RST_IN，与MCU的开漏输出管脚相连，MCU可通过该管脚完成对数据传输单元的复位操作。SARA-N201模块与MCU间的数据传输通过UART串口实现，SARA-N201模块的RXD和TXD管脚直接与MCU对应管脚相连，进行数据的发送与接收， 数据收发过程中RTS和CTS管脚通过高低电平对串口通信进行管理。SARA-N201模块与物联网SIM卡槽通过VSIM、SIM_IO、SIM_CLK和SIM_RST管脚连接，每条线路并联50μF的接地电容，滤除天线信号干扰。SARA-N201模块通过SIM_RST管脚对SIM卡进行复位操作，使用SIM_IO管脚负责数据收发，上述4个管脚均工作在1.8V电压，由SARA-N201模块内部提供。此外，ANT管脚经过匹配电路后连接天线，ANT_DET管脚用来检测天线的连接状态。
4 水质监测系统软件设计
整个水质监测系统的软件涉及三部分：水质监测终端、水质监控平台和监控终端。
水质监测终端的软件设计是整个监测系统软件的核心，采用模块化设计，以利于维护和升级，实现监测终端的控制管理、监测数据采集、数据加工和数据传送的能力。
控制管理模块主要完成处理器的初始化，实现处理器与传感器之间的通信，对传感器返回的数据进行处理并存储，以及与NB-IoT模块间的数据收发[7]。控制管理模块的处理流程如图5所示。
当水质采集终端上电或者复位后，管理控制模块对MCU的中断、内存、时钟等硬件进行初始化操作，接着进行芯片外部端口、AT45DB041以及SARA-N201等片外设备进行初始化。初始化完成后启动水质采集进程，按照所设定的采集周期查询传感器设备的数据，对获取的水质数据进行滤波、平滑等运算，并将计算结果存储在Flash芯片，等上报周期到时，调用数据传送模块接口，将Flash中存储的水质监测数据通过串口发送至NB-IoT发送单元，进行网络传输，数据发送成功后清除Flash，准备下一个周期的监测。
数据传送模块在初始化时通过AT指令进行运营商MNC的注册，并完成注册入网。当需要数据上报时，以串口通信方式从控制器获取监测数据和节点状态数据，通过UDP socket方式将数据上送至基站。
水质监控平台软件设计主要完成水质监测数据和监测终端状态数据的接收，数据超出预警值时触发告警，并将接收数据存入SQL数据库，同时提供查询接口，供监控终端访问所有的数据信息，主要处理流程如图6所示。
监控终端软件设计主要实现前端展示页面和后台的查询接口，逻辑比较简单，不在此详细介绍。
5 实验验证分析
搭建测试平台对本文所设计的水质监测系统进行实验验证。实验平台搭建方案为：将两个安装了电信的NB-IoT物联网专用SIM卡的水质监测终端分别放置在自来水和污水两份不同的水质样本环境中进行数据采集；在华为云购买ESC云服务作为水质监测平台，并在云服务器内安装 MySQL数据库；监控终端使用接入互联网的电脑进行模拟。
实验过程中，设置水质监测终端以秒为周期从传感器采样一次监测数据，以30秒为周期向监测平台上报。在水质监测平台通过SQL命令查询数据库记录的数量，24小时内收到5756条监测数据，小于理论值的5760条，存在丢包，丢包率为0.07%。通过监控终端获取水质监测数据分析，监测终端采集上报数据稳定，电导率和氨氮数值存在波动，波动范围均在±1%以内。同时对比自来水和污水的监测数据，如表1和表2所示，可以明显发现污水的pH值、氨氮和电导率等参数存在较大的差异，监控人员可以直接发现污水样本的水质存在问题。
实验结果表明该水质监测系统能够有效的实现自动化水质监测，并将监测数据实时传送到监测平台，经过长期稳定的高频度监测，系统运行状态良好，数据传输链路稳定，监测数据精度范围达到预期。
6 结束语
本文设计了一种基于NB-IoT技术的物联网水质监控系统，详细论述了软硬件的设计方案。该系统具有低功耗、网络覆盖广、组网便利等优点。实验验证结果表明，该系统能够通过传感器将数据采集，利用NB-IoT技术传至水质监控平台，监控人员可通过电脑或者手机等终端设备查看相应的水质参数数据，实现了预设目标，为水质监测课题提供了新的思路。
参考文献：
[1]刘国忠，王磊，邓文怡，李月强，吕乃光.环境水质远程监测技术研究[J].航空精密制造技术，2003.
[2]齐文启，陈光，孙宗光.水质环境监测技术和仪器的发展[J]. 现代科学仪器，2003.
[3]武延坤，陈益清，雷萍.水质监测技术现有问题分析及物联网应用框架[J].中国给水排水，2012.
[4]张湘东，张文安，黄泽龙.农业物联网通信技术研究[J].广东通信技术，2017.
[5]彭秀萍，黎忠文.共享单车背后的物联网技术解析[J].信息与电脑（理论版），2017.
[6]邓秀华.湖库水质远程监测系统研究与设计[D].山西：山西大学，2013.
[7]郝万君，潘国成，曹苏荣，姜茜，刘苏明，乔焰辉.基于无线传感网的室内环境多参数分布监测系统设计[J].苏州科技大学学报（自然科学版），2017. |
