基于NBIOT的桶裝飲用水檢測系統

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將飲用水信息發送給協調器。協調器通過NBIOT連接公網服務器，將信息發送給服務器，用戶可登錄WEB查看自己的飲用水信息，提出在線叫水服務。傳統探針式檢測存在明顯缺陷，突出表現為檢測設備長時間與水體接觸，容易產生污垢和細菌。而采用超聲波水位計進行非接觸式水位檢測，避免了傳統探針式檢測的技術缺陷，同時提高了飲用的安全性和水量檢測的精確性。

關鍵詞：非接觸;物聯網;智能檢測;ZigBee;NBIOT

中圖分類號：TU990.3文獻標識碼：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可以解決桶裝水供應不及時、飲用水過期的問題，極大地為用戶節省了等水、送水的時間，也有利于高效利用水站的配送人力資源，相當于為用戶提供了永不缺水的“桶”。隨著科技的不斷進步，互聯網迅猛發展，人們的生活水平日益提高，非接觸式檢測技術也逐漸受到人們的高度關注。非接觸式飲用水檢測系統服務大眾，也推動了監測網絡化、移動化的發展。

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

1 系統結構

系統采用NBIOT的蜂窩組網技術進行ZigBee子節點與主節點間數據的傳送，并將數據信息發送給協調器，通過中間協調器接收和處理信息，協調器通過NBIOT連接公網服務器，將相應信息發送給服務器，客戶端可通過關注公眾號訪問服務器、登錄網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、水過期用戶發送提示信息。NBIOT的桶裝飲用水檢測系統示意圖如圖1所示。

傳感器與ZigBee子節點都是低功耗的，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點，也減少了協調器的負載。組建一個完整的ZigBee網絡分為兩步：網絡初始化和節點加入網絡。其中，節點加入網絡主要通過與協調器連接入網或通過已有父節點入網。ZigBee無線組網的作用是通過無線方式將傳感器傳輸的數據傳送到協調器處。

如圖2所示，將ZigBee協調器通過串口連接的方式接入微處理器STM32上，進行信息的處理。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，大大減少硬件設計的復雜程度，同時減少代碼的編寫難度，保證信息傳輸的可靠性。

對于ZigBee協調器而言，它只負責通過串口轉發收到的數據，并不對數據進行處理，識別到網絡數據包的到來，調用函數進行識別、處理，然后串口轉發到STM32。微處理器STM32主要完成單片機初始化、外部設備的連接和對數據的處理。其過程是先對系統初始化，設置好設備之間的通信，然后將ZigBee協調器發來的數據進行處理并將處理后的數據發送到NBIOT。NBIOT主要作用是將STM32發來的數據再發送給服務器。其過程是初始化與STM32通信的串口，等待接收數據，接收數據并發射給服務器。

2 系統軟件設計

2.1 數據庫設計

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

根據功能需求，在MySQL中建立多個數據表和數據庫用于不同的信息儲存，包括水位數據表、用戶數據表、訂單數據表等，該系統在檢測的過程中能對數據庫中的數據表進行及時的添加、修改和刪除。普通用戶可以查看用水數據表，但無法修改和調用。管理員用戶可以根據檢測情況對用水數據表中的數據進行修改。由于登錄信息數據表關系到整個系統的安全性，所以Web服務器可以根據不同的賬戶和密碼限制訪問權限。當然，管理員用戶可以對普通用戶數量進行增減。

數據庫的設計不僅讓Web頁面的設計更加清晰和方便，也提高了整個系統的靈活性。

2.2 WEB頁面設計

WEB頁面的設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，還應該根據用水情況及時決策。支持用戶異地遠程登錄系統，支持頁面與數據庫的動態交互，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。當用戶輸入賬號和密碼后，將會與數據表中的信息進行對比認證，通過后將進入用戶管理界面，否則提示賬戶有誤，極大地提高了系統的安全性。

用戶管理界面中，根據用戶身份信息的不同，可以提供不同的管理權限。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行修改和調用，也可以對普通用戶進行消息推送，如圖4所示。

3 結語

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重要。在急需飲用水時，人們可能無法及時獲得補給而產生焦慮心理，忽略水過期問題。利用基于NBIOT的桶裝飲用水檢測系統，用戶可以隨時隨地通過訪問網頁頁面實時了解用水情況，以便聯系送水商，提前儲備好水。該系統很重要的作用是實現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，向用戶發送送水提醒信息，以備不時之需;用戶也可關注公眾號了解水量信息，向送水商發送送水信息。

參考文獻：

[1]萬升云.超聲波檢測技術及應用[M].北京：機械工業出版社，2017.

[2]王仲生.智能檢測與控制技術[M].西安：西北工業大學出版社，2002.

[3]葛廣英.ZigBee原理、實踐及綜合應用[M].北京：清華大學出版社，2015.

[4]胡漢輝.傳感器技術及應用[M].北京：科學出版社，2009.

[5]吳細剛.NBIOT從原理到實踐[M].北京：電子工業出版社，2017.

[6]李文仲.PIC單片機與ZigBee無線網絡實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.