面向5G+NB-IoT未知水域监测系统

王健，孙家军，李志刚，杨秀奇，王亚威，王杰龙

（ 辽宁科技大学 电信学院，辽宁 鞍山 114000）

0 引言

随着科技的发展，人类生活水平的提过，也给自然环境带来了一些不好影响。温室气体大量排放导致全球气候变暖海平面升高；工厂废水、生活污水的排放导致水资源的污染等问题普遍发生，所以应该采取可行的措施来减少此类事情的发生。随着5G通信技术的发展，为了更好的监护水资源，NB-IoT作为5G物联网的前奏和基础技术应用到未知水域监测系统中可以更好的提高我们监测系统的监测水平。

1 未知水域监测现状和分析

我国未知水域监测系统随着无线通信技术的发展，取得了很多显著的进步，但仍有很多不足的地方。经研究分析，主要是有这几部分因素导致的。

新产品研发投放缓慢。目前国内很多地方的湖泊、海洋都在用一些老旧的检测系统来进行信息的数据采集与传输，这就导致未知水域检测的不够及时和准确，远不能满足当下高速发展的5G通信技术下的互联网时代人们对水域信息的需求。

硬件设备老龄化严重。现在的硬件芯片特别是微功耗的芯片附着的设备更新的速度较快，而作为未知水域检测的核心控制芯片的更新换代的速度较慢，导致无法满足当下的5G通信的信息传输的需求，更导致的检测设备存在较大的误差。

传感器检测精度偏低。国内传感器产业实现了质的飞跃，而现在未知水域监测系统中使用的大部分还是几年前研发的传感器，无论是精度、稳定性等方面都与现在研发的传感器存在着比较大的差距。

无信通信方式的滞后。水域检测系统常用的通信方式大多是GSM、GPRS、卫星、光纤等信道组网。同时目前基于4G通信技术的方式的也是比较少，而面向5G通信技术的信号传输方式的则更是少之又少。

针对上述对未知水域监测系统的现状，分析当前对更实用更高速的未知水域监测手段的需求，此未知水域监测系统通过可驱动小型浮漂作为感知层的载体，有效的弥补了一些通过人工检测存在的误差和一些大型检测仪器携带不便等诸多问题；网络层则采用5G组网通信技术进行信息传输，极大地提高了信息的传输速度、安全性和传输量；应用层这通过中国移动推出的One Edge平台，一款面向5G边缘技术管理平台，可以更高效的接收数据、显示数据以及数据的分析整理等。

2 系统方案设计

本系统是通过物联网的层次化的网络。从先到后可划分为：感知层、网络层、应用层。

感知层的设计方案为：未知水域监测的感知设备嵌入在一个可以驱动的水中悬浮浮漂内，浮漂四面各有一个驱动加螺旋桨进行对浮漂的驱动，浮漂顶部安装GPS/北斗定位双系统的定位系统对检测采集位置进行定位，通过浮漂内载入的测量控制芯片STM32F407ZGT6控制传感器进行检测，检测传感器包括：BMP280高精度气压计、PH传感器、液体流量计、防水摄像头、MPU6050陀螺仪角度传感器。采集后的数据通过中移物联OneMO通信模组超高速率5G模块F03X将检测到的数据信息进行上传。

网络层的设计方案：通过NB-IoT通信及窄带物联网作为网络层技术进行网络的连接，采集数据的传输，NB-IoT只需要非常窄的频段(180KHz)就可以工作，完全兼容于全球移动通信系统、通用移动系统和5G网络；覆盖广；具备支撑海量连接的能力；更低功耗，可以说是为物联网量身打造的。

应用层的设计方案：通过中国移动OneNET推出的一款面向5G时代的边缘计算管理平台进行数据的接收和整合，OneNET边缘计算平台实现将OneNET云服务延伸至包括5G MEC在内的多种边缘场景。它支持运行在小到嵌入式终端，大到MEC边缘云基础设施中，并且可以在边缘端提供人工智能、大数据、物联网设备管理、工业及终端协议适配、视频接入、海量时序数据存储等功能。

3 系统下位机设计

浮漂内嵌系统下位机的设计方案如图1所示。选用ARM公司开发的32bit STM32F407ZGT6芯片作为控制芯片，因为其对代码数据的处理速度快，内部集成了12bit的A/D模块，可以直接进行A/D转换；运算当大电路采用4个运算放大器LM358,对传感器信号就行电压电流转换；STM32F07ZGT6芯片本身集成了两个USART模块，通过串口与F03X驱动电路相连，将电平信号传给F03X,实现控制芯片与F03X的串口通信，复位电路则设计常规的手动按键复位电路，来防止程序跑飞，从而能够更好的完成监测工作。

图1 浮漂内嵌硬件结构设计图

4 上位机软件设计

上位机软件的主要数据处理环节如图2所示，主要包括4个子模块：数据接收单元、数据字典维护、数据查询单元、数据显示单元、数据备份和灾难恢复。此设计可以快速准确的判断水域情况。

图2 控制中心软件功能框图

数据处理过程如图3所示。本系统借用中国移动OneNET推出的一款面向5G时代的边缘计算管理平台OneEdge进行数据的接收和整合，数据则采用JSON格式进行发送，JSON可以方便准确的将数据传输给平台。软件数据库则采用Microsoft SQL Server,可以更加准确地储存数据信息，并通过SQL语言进行查询。

图3 控制中心软件功能

5 结语

本文设计了一种面向5G+ NB-IoT的未知水域监测系统，通过物联网的层次化结构，将感知层网络层和应用层完美结合为一个整体，准确的采集到水域数据后可以立即通过NB-IoT技术快速的将数据进行传输，并通过中国移动推出的一款面向5G边缘技术管理平台OneEdge更高效的接收数据、显示数据以及数据的分析整理等。解决了当前无法快速准确并全面的了解未知水域情况等问题。