基于窄帶物聯網的河涌水質監測系統設計

焦東海，胡乃瑞，伯麗欣，朱平平，王炫志

（沈陽航空航天大學 電子信息工程學院，遼寧 沈陽 110136）

0 引 言

隨著我國經濟的快速增長和工業進程的不斷加快，水資源的重要性日益凸顯，水污染治理也成為了環境保護中的重大難題。傳統的水質采樣工作主要采取劃船采水等人工模式，此方式下人工成本高，且無法對水質進行長期實時監測，難以解決突發性水質污染問題；現代水質檢測系統大多通過RS 232串口通信對水質參數進行監測，這種方式下數據準確率較低，且設備成本較高。大多數水質監測系統僅僅實現了對水質信息的獲取，并沒有對水質情況進行綜合評估。

針對上述問題，本文設計一種基于窄帶物聯網（NB-IoT）的河涌水質監測系統。該系統能夠更加準確地獲取水質信息并對水質情況進行評估，且具有低成本、低功耗的優勢。系統會將處理后的信息上報至云端，管理人員通過登錄云端管理平臺實現對水質情況的實時監測。

1 系統總體設計

影響河涌水質的主要因素有PH值、溫度、溶氧量以及渾濁度。系統由水質監測終端以及云端監測平臺構成。將監測終端以浮標的方式放置在河涌中，對河涌的PH值、溫度、溶氧量以及渾濁度信息進行采集，并建立綜合評估模型對水質進行評估。通過NB-IoT模組將處理后的數據發送至云端服務器。該系統的總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體框架圖

2 系統的硬件設計

2.1 水質信息采集模塊

采集終端的水質采集模塊包含溫度傳感器模塊、酸堿度（PH）采集模塊、溶氧量采集模塊以及濁度采集模塊。

終端的溫度采集模塊選用DS18B20溫度傳感器。DS18B20是一款數字式溫度傳感器，采用單總線通信協議，具有體積小、精度高等優勢。DS18B20的輸出引腳上拉10 kΩ電阻后與STM32L4相連，從而實現對溫度傳感器輸出數字量的讀取。

酸堿度（PH）采集模塊能夠輸出0～3.3 V的模擬量信號，通過將酸堿度（PH）采集模塊的輸出接口與STM32L4的AD轉換接口相連，從而實現對酸堿度（PH）信息的獲取。由于PH電極之間存在個體差異，因此在使用PH采集模塊之前需要進行校準。將PH電極放入PH值為6.86的標準緩沖溶液中，調節電位器旋鈕使輸出電壓為1.7 V左右；再將PH電極放入PH值為9.18的標準緩沖溶液中，調節電位器旋鈕使輸出電壓為1.3 V左右。完成校準后，即可使用PH采集模塊獲取水質PH值。

溶氧量采集模塊采用希瑪AR8010溶氧測定傳感器。該傳感器具有測量精度高、反應靈敏的優勢。溫度的高低對溶氧測量有一定影響，該傳感器還具有自動溫度補償的功能。STM32L4通過RS 485接口與溶氧測定傳感器連接，從而實現對溶氧量信息的獲取。

濁度采集模塊采用TS 300濁度傳感器。該類傳感器利用光學原理，通過河水中的透光率和散射率對濁度情況進行判斷。傳感器內部安裝有紅外線對管。當光線穿過一定量的水時，光接收端將透過的光強轉換為對應的電流，且光強與電流大小成正比。濁度傳感器將輸出的電流信號轉換為電壓信號，輸出接口與STM32L4的AD轉換接口相連接，從而實現對濁度信息的輸出。濁度傳感器模塊電路如圖2所示。

圖2 濁度傳感器模塊電路

2.2 姿態傳感器

水質采集終端以浮標的方式放置于水面。為防止某些特殊情況（如浪潮、人為干擾等）使采集終端翻轉從而導致無法正常工作的現象出現，在水質采集終端上安裝有姿態傳感器來判斷終端是否出現翻轉。姿態傳感器采用MPU6050六軸傳感器，它集成了3軸MEMS陀螺儀、3軸MEMS 加速度計以及一個可擴展的DMP數字運動處理器。通過IC協議對傳感器進行讀寫，數據結果可從DMP寄存器讀出。其通信方式如圖3所示。

圖3 MPU6050通信示意圖

2.3 無線通信模塊

系統采用窄帶物聯網（NB-IoT）作為無線通信方式。NBIoT又稱為廣域物聯網，構建于蜂窩網絡，只占用約180 kHz的帶寬，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡。相比于藍牙、ZigBee等短距離通信技術，NB-IoT具備廣覆蓋、可移動以及大連接數等特性，并且具有更低功耗。

系統采用NB-IoT模組BC35-G。主控芯片STM32L4通過串口通信方式對BC35-G進行讀寫，并通過向模組發送AT指令集從而實現終端的入網及數據的收發。STM32的TXD、RXD引腳與BC35-G的RXD、TXD引腳相連，其通信接口如圖4所示。

圖4 BC35-G通信接口

3 系統的軟件設計

系統軟件設計主要包括的任務有：水質信息的獲取、河涌水質綜合評估模型的建立、NB-IoT模塊信息的發送與接收、云端管理平臺的設計等。河涌水質檢測系統的軟件工作流程如圖5所示。

圖5 水質監測系統軟件流程

3.1 河涌水質綜合評估模型的建立

河涌水質受多個因素的影響，李虹宇等通過主成分分析法選取出了影響水質的主要評價因子。因此參考李虹宇等的研究，本文選取河涌溫度、酸堿度、溶氧量以及濁度作為模型的輸入評價因子。

根據溫度、酸堿度、溶氧量以及濁度這四個指標，利用模糊綜合評價法建立水質綜合評估模型，通過查閱相關資料分析得出各個評價因子之間的相關系數。按照溫度、酸堿度、溶氧量以及濁度的順序，構建判斷矩陣如下：

根據判斷矩陣中的各個參數，利用YAAHP層次分析法得出了溫度、酸堿度、溶氧量以及濁度這四個評價因子的權重分別為：41%、27%、20%、12%。因此可以得到河涌水質綜合評估模型為：

式中：代表水質綜合評估得分；、、、分別代表溫度、酸堿度、溶氧量以及濁度的評估得分。將各個評價因子的評分求和后得到最終的水質評估得分。

參考我國地表水資源環境監測采用的指標—《中華人民共和國地表水環境質量標準》（GB 3838-2002），將河涌水質分為Ⅰ（優）、Ⅱ（良）、Ⅲ（中）、Ⅳ（差）、Ⅴ（極差）五個等級。評估標準見表1所列。

表1 河涌水質評估標準

3.2 無線通信程序設計

系統采用NB-IoT作為無線通信方式。通過串口向NBIoT模組BC35-G發送AT指令實現監測終端的入網以及數據的收發。采用LWM2M協議接入服務器，首先向BC35-G模組發送“AT”來檢查模組是否正常；發送“AT+CIMI”檢查卡槽中是否有SIM卡；發送“AT+NCDP=49.4.85.221，5427”設置監測終端接入地址為“49.4.85.221”、端口號為5427的服務器；發送“AT+CGATT=1”設置模組打開協議棧；發送“AT+CGATT=0”配置模塊附著網絡；發送“AT+CEREG？”檢查模塊是否成功接入網絡，若返回1，則代表接入成功。成功入網后，通過“AT+CIPSEND”指令向服務器發送數據。

3.3 云端監測平臺設計

系統的云端監測平臺選用華為OceanConnect物聯網開發平臺。OceanConnect平臺功能齊全、開發便捷，平臺為用戶提供開放服務器及接口，簡化終端接入，大大縮短開發周期。

在OceanConnect開發中心新建 “河涌水質檢測平臺”項目，并對Profile文件及編解碼插件進行開發。在Profile定義中新增名為“monitor”的服務，并在該項服務下新建“Temperatue”“PH”“Turbidity” 以 及“Dissolved_oxygen”四項屬性，并設置為全部訪問模式“RWE”。新建完成后，需要對平臺的編解碼插件進行開發。平臺需要接收采集終端上報的溫度、PH值、溶氧量以及濁度四項數據，因此需要在編解碼插件中新增四條消息，并配置相應的地址域已經響應字段。配置完成后，綁定終端設備的IMEI碼，即可實現云端與終端的連接。

4 結果測試與分析

系統分為水質采集終端以及云端監測平臺兩部分。為保證系統的穩定性和準確性，在河涌內共部署了3個水質采集終端，每個采集終端之間間隔不小于25 m，采樣時間間隔設置為20 s。首先在各個采樣點處通過專業儀器獲取各項數據的精確值，并與水質采集終端采集到的數據相對比，得出各個節點的測試結果見表2～表5所列。

表2 溫度測試結果

表3 PH值測試結果

表4 溶氧量測試結果

表5 濁度測試結果

由測試結果可知，溫度的測量偏差不超過0.45 ℃，PH值的測量誤差不超過0.01，溶氧量的測量誤差不超過0.07 mg/L，濁度的測量誤差不超過2 NTU。測試結果表明，該系統能夠較為精準地獲取河涌水質的溫度、PH值、溶氧量以及濁度，測量精度超過當前大部分水質監測系統。

系統的云端監測平臺界面如圖6所示。

圖6 云端監測平臺界面

經測試，云端監測平臺能夠正常接收到終端的信息并進行顯示，還能夠實時顯示出河涌水質情況和水質評估結果。

5 結 語

本文設計了基于窄帶物聯網的河涌水質監測系統。在此過程中，研究了河涌水質綜合評估模型的建立、水質采集模塊的設計、無線通信模塊的設計、云端監測平臺的設計以及系統的軟件和硬件設計等內容，并對系統進行了實驗測試。測試結果顯示，水質采集終端對溫度的測量偏差不超過0.45 ℃，PH值的測量誤差不超過0.01，溶氧量的測量誤差不超過0.07 mg/L，濁度的測量誤差不超過2 NTU。結果表明，該系統實現了對河涌水質信息的獲取以及數據的遠程傳輸、接收等功能，通過軟硬件的結合實現了對河涌水質的綜合評估，大大提高了河涌水質采集監測的高效性和實時性。