焦東海，胡乃瑞，伯麗欣，朱平平，王炫志

（沈陽航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的快速增長和工業(yè)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(huán)境保護中的重大難題。傳統(tǒng)的水質(zhì)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(zhì)進行長期實時監(jiān)測，難以解決突發(fā)性水質(zhì)污染問題；現(xiàn)代水質(zhì)檢測系統(tǒng)大多通過RS 232串口通信對水質(zhì)參數(shù)進行監(jiān)測，這種方式下數(shù)據(jù)準確率較低，且設(shè)備成本較高。大多數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)僅僅實現(xiàn)了對水質(zhì)信息的獲取，并沒有對水質(zhì)情況進行綜合評估。

針對上述問題，本文設(shè)計一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）的河涌水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠更加準確地獲取水質(zhì)信息并對水質(zhì)情況進行評估，且具有低成本、低功耗的優(yōu)勢。系統(tǒng)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(xiàn)對水質(zhì)情況的實時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

影響河涌水質(zhì)的主要因素有PH值、溫度、溶氧量以及渾濁度。系統(tǒng)由水質(zhì)監(jiān)測終端以及云端監(jiān)測平臺構(gòu)成。將監(jiān)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(zhì)進行評估。通過NB-IoT模組將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至云端服務(wù)器。該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 水質(zhì)信息采集模塊

采集終端的水質(zhì)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(shù)字式溫度傳感器，采用單總線通信協(xié)議，具有體積小、精度高等優(yōu)勢。DS18B20的輸出引腳上拉10 kΩ電阻后與STM32L4相連，從而實現(xiàn)對溫度傳感器輸出數(shù)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(zhuǎn)換接口相連，從而實現(xiàn)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(zhì)PH值。

溶氧量采集模塊采用?，擜R8010溶氧測定傳感器。該傳感器具有測量精度高、反應(yīng)靈敏的優(yōu)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?shù)墓δ堋TM32L4通過RS 485接口與溶氧測定傳感器連接，從而實現(xiàn)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(xué)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(nèi)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(zhuǎn)換為對應(yīng)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(zhuǎn)換為電壓信號，輸出接口與STM32L4的AD轉(zhuǎn)換接口相連接，從而實現(xiàn)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(tài)傳感器

水質(zhì)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(zhuǎn)從而導(dǎo)致無法正常工作的現(xiàn)象出現(xiàn)，在水質(zhì)采集終端上安裝有姿態(tài)傳感器來判斷終端是否出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。姿態(tài)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(shù)字運動處理器。通過IC協(xié)議對傳感器進行讀寫，數(shù)據(jù)結(jié)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(tǒng)采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）作為無線通信方式。NBIoT又稱為廣域物聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只占用約180 kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)。相比于藍牙、ZigBee等短距離通信技術(shù)，NB-IoT具備廣覆蓋、可移動以及大連接數(shù)等特性，并且具有更低功耗。

系統(tǒng)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(fā)送AT指令集從而實現(xiàn)終端的入網(wǎng)及數(shù)據(jù)的收發(fā)。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(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括的任務(wù)有：水質(zhì)信息的獲取、河涌水質(zhì)綜合評估模型的建立、NB-IoT模塊信息的發(fā)送與接收、云端管理平臺的設(shè)計等。河涌水質(zhì)檢測系統(tǒng)的軟件工作流程如圖5所示。

圖5 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程

3.1 河涌水質(zhì)綜合評估模型的建立

河涌水質(zhì)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(zhì)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(jù)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(zhì)綜合評估模型，通過查閱相關(guān)資料分析得出各個評價因子之間的相關(guān)系數(shù)。按照溫度、酸堿度、溶氧量以及濁度的順序，構(gòu)建判斷矩陣如下：

根據(jù)判斷矩陣中的各個參數(shù)，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(quán)重分別為：41%、27%、20%、12%。因此可以得到河涌水質(zhì)綜合評估模型為：

式中：代表水質(zhì)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(zhì)評估得分。

參考我國地表水資源環(huán)境監(jiān)測采用的指標—《中華人民共和國地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002），將河涌水質(zhì)分為Ⅰ（優(yōu)）、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(zhì)評估標準

3.2 無線通信程序設(shè)計

系統(tǒng)采用NB-IoT作為無線通信方式。通過串口向NBIoT模組BC35-G發(fā)送AT指令實現(xiàn)監(jiān)測終端的入網(wǎng)以及數(shù)據(jù)的收發(fā)。采用LWM2M協(xié)議接入服務(wù)器，首先向BC35-G模組發(fā)送“AT”來檢查模組是否正常；發(fā)送“AT+CIMI”檢查卡槽中是否有SIM卡；發(fā)送“AT+NCDP=49.4.85.221，5427”設(shè)置監(jiān)測終端接入地址為“49.4.85.221”、端口號為5427的服務(wù)器；發(fā)送“AT+CGATT=1”設(shè)置模組打開協(xié)議棧；發(fā)送“AT+CGATT=0”配置模塊附著網(wǎng)絡(luò)；發(fā)送“AT+CEREG？”檢查模塊是否成功接入網(wǎng)絡(luò)，若返回1，則代表接入成功。成功入網(wǎng)后，通過“AT+CIPSEND”指令向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.3 云端監(jiān)測平臺設(shè)計

系統(tǒng)的云端監(jiān)測平臺選用華為OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺。OceanConnect平臺功能齊全、開發(fā)便捷，平臺為用戶提供開放服務(wù)器及接口，簡化終端接入，大大縮短開發(fā)周期。

在OceanConnect開發(fā)中心新建 “河涌水質(zhì)檢測平臺”項目，并對Profile文件及編解碼插件進行開發(fā)。在Profile定義中新增名為“monitor”的服務(wù)，并在該項服務(wù)下新建“Temperatue”“PH”“Turbidity” 以 及“Dissolved_oxygen”四項屬性，并設(shè)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(fā)。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(shù)據(jù)，因此需要在編解碼插件中新增四條消息，并配置相應(yīng)的地址域已經(jīng)響應(yīng)字段。配置完成后，綁定終端設(shè)備的IMEI碼，即可實現(xiàn)云端與終端的連接。

4 結(jié)果測試與分析

系統(tǒng)分為水質(zhì)采集終端以及云端監(jiān)測平臺兩部分。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性，在河涌內(nèi)共部署了3個水質(zhì)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(shè)置為20 s。首先在各個采樣點處通過專業(yè)儀器獲取各項數(shù)據(jù)的精確值，并與水質(zhì)采集終端采集到的數(shù)據(jù)相對比，得出各個節(jié)點的測試結(jié)果見表2～表5所列。

表2 溫度測試結(jié)果

表3 PH值測試結(jié)果

表4 溶氧量測試結(jié)果

表5 濁度測試結(jié)果

由測試結(jié)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(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠較為精準地獲取河涌水質(zhì)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(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。

系統(tǒng)的云端監(jiān)測平臺界面如圖6所示。

圖6 云端監(jiān)測平臺界面

經(jīng)測試，云端監(jiān)測平臺能夠正常接收到終端的信息并進行顯示，還能夠?qū)崟r顯示出河涌水質(zhì)情況和水質(zhì)評估結(jié)果。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的河涌水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。在此過程中，研究了河涌水質(zhì)綜合評估模型的建立、水質(zhì)采集模塊的設(shè)計、無線通信模塊的設(shè)計、云端監(jiān)測平臺的設(shè)計以及系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計等內(nèi)容，并對系統(tǒng)進行了實驗測試。測試結(jié)果顯示，水質(zhì)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(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對河涌水質(zhì)信息的獲取以及數(shù)據(jù)的遠程傳輸、接收等功能，通過軟硬件的結(jié)合實現(xiàn)了對河涌水質(zhì)的綜合評估，大大提高了河涌水質(zhì)采集監(jiān)測的高效性和實時性。