基于窄带物联网的河涌水质监测系统设计

焦东海，胡乃瑞，伯丽欣，朱平平，王炫志

（沈阳航空航天大学 电子信息工程学院，辽宁 沈阳 110136）

0 引 言

随着我国经济的快速增长和工业进程的不断加快，水资源的重要性日益凸显，水污染治理也成为了环境保护中的重大难题。传统的水质采样工作主要采取划船采水等人工模式，此方式下人工成本高，且无法对水质进行长期实时监测，难以解决突发性水质污染问题；现代水质检测系统大多通过RS 232串口通信对水质参数进行监测，这种方式下数据准确率较低，且设备成本较高。大多数水质监测系统仅仅实现了对水质信息的获取，并没有对水质情况进行综合评估。

针对上述问题，本文设计一种基于窄带物联网（NB-IoT）的河涌水质监测系统。该系统能够更加准确地获取水质信息并对水质情况进行评估，且具有低成本、低功耗的优势。系统会将处理后的信息上报至云端，管理人员通过登录云端管理平台实现对水质情况的实时监测。

1 系统总体设计

影响河涌水质的主要因素有PH值、温度、溶氧量以及浑浊度。系统由水质监测终端以及云端监测平台构成。将监测终端以浮标的方式放置在河涌中，对河涌的PH值、温度、溶氧量以及浑浊度信息进行采集，并建立综合评估模型对水质进行评估。通过NB-IoT模组将处理后的数据发送至云端服务器。该系统的总体结构如图1所示。

图1 系统总体框架图

2 系统的硬件设计

2.1 水质信息采集模块

采集终端的水质采集模块包含温度传感器模块、酸碱度（PH）采集模块、溶氧量采集模块以及浊度采集模块。

终端的温度采集模块选用DS18B20温度传感器。DS18B20是一款数字式温度传感器，采用单总线通信协议，具有体积小、精度高等优势。DS18B20的输出引脚上拉10 kΩ电阻后与STM32L4相连，从而实现对温度传感器输出数字量的读取。

酸碱度（PH）采集模块能够输出0～3.3 V的模拟量信号，通过将酸碱度（PH）采集模块的输出接口与STM32L4的AD转换接口相连，从而实现对酸碱度（PH）信息的获取。由于PH电极之间存在个体差异，因此在使用PH采集模块之前需要进行校准。将PH电极放入PH值为6.86的标准缓冲溶液中，调节电位器旋钮使输出电压为1.7 V左右；再将PH电极放入PH值为9.18的标准缓冲溶液中，调节电位器旋钮使输出电压为1.3 V左右。完成校准后，即可使用PH采集模块获取水质PH值。

溶氧量采集模块采用希玛AR8010溶氧测定传感器。该传感器具有测量精度高、反应灵敏的优势。温度的高低对溶氧测量有一定影响，该传感器还具有自动温度补偿的功能。STM32L4通过RS 485接口与溶氧测定传感器连接，从而实现对溶氧量信息的获取。

浊度采集模块采用TS 300浊度传感器。该类传感器利用光学原理，通过河水中的透光率和散射率对浊度情况进行判断。传感器内部安装有红外线对管。当光线穿过一定量的水时，光接收端将透过的光强转换为对应的电流，且光强与电流大小成正比。浊度传感器将输出的电流信号转换为电压信号，输出接口与STM32L4的AD转换接口相连接，从而实现对浊度信息的输出。浊度传感器模块电路如图2所示。

图2 浊度传感器模块电路

2.2 姿态传感器

水质采集终端以浮标的方式放置于水面。为防止某些特殊情况（如浪潮、人为干扰等）使采集终端翻转从而导致无法正常工作的现象出现，在水质采集终端上安装有姿态传感器来判断终端是否出现翻转。姿态传感器采用MPU6050六轴传感器，它集成了3轴MEMS陀螺仪、3轴MEMS 加速度计以及一个可扩展的DMP数字运动处理器。通过IC协议对传感器进行读写，数据结果可从DMP寄存器读出。其通信方式如图3所示。

图3 MPU6050通信示意图

2.3 无线通信模块

系统采用窄带物联网（NB-IoT）作为无线通信方式。NBIoT又称为广域物联网，构建于蜂窝网络，只占用约180 kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络。相比于蓝牙、ZigBee等短距离通信技术，NB-IoT具备广覆盖、可移动以及大连接数等特性，并且具有更低功耗。

系统采用NB-IoT模组BC35-G。主控芯片STM32L4通过串口通信方式对BC35-G进行读写，并通过向模组发送AT指令集从而实现终端的入网及数据的收发。STM32的TXD、RXD引脚与BC35-G的RXD、TXD引脚相连，其通信接口如图4所示。

图4 BC35-G通信接口

3 系统的软件设计

系统软件设计主要包括的任务有：水质信息的获取、河涌水质综合评估模型的建立、NB-IoT模块信息的发送与接收、云端管理平台的设计等。河涌水质检测系统的软件工作流程如图5所示。

图5 水质监测系统软件流程

3.1 河涌水质综合评估模型的建立

河涌水质受多个因素的影响，李虹宇等通过主成分分析法选取出了影响水质的主要评价因子。因此参考李虹宇等的研究，本文选取河涌温度、酸碱度、溶氧量以及浊度作为模型的输入评价因子。

根据温度、酸碱度、溶氧量以及浊度这四个指标，利用模糊综合评价法建立水质综合评估模型，通过查阅相关资料分析得出各个评价因子之间的相关系数。按照温度、酸碱度、溶氧量以及浊度的顺序，构建判断矩阵如下：

根据判断矩阵中的各个参数，利用YAAHP层次分析法得出了温度、酸碱度、溶氧量以及浊度这四个评价因子的权重分别为：41%、27%、20%、12%。因此可以得到河涌水质综合评估模型为：

式中：代表水质综合评估得分；、、、分别代表温度、酸碱度、溶氧量以及浊度的评估得分。将各个评价因子的评分求和后得到最终的水质评估得分。

参考我国地表水资源环境监测采用的指标—《中华人民共和国地表水环境质量标准》（GB 3838-2002），将河涌水质分为Ⅰ（优）、Ⅱ（良）、Ⅲ（中）、Ⅳ（差）、Ⅴ（极差）五个等级。评估标准见表1所列。

表1 河涌水质评估标准

3.2 无线通信程序设计

系统采用NB-IoT作为无线通信方式。通过串口向NBIoT模组BC35-G发送AT指令实现监测终端的入网以及数据的收发。采用LWM2M协议接入服务器，首先向BC35-G模组发送“AT”来检查模组是否正常；发送“AT+CIMI”检查卡槽中是否有SIM卡；发送“AT+NCDP=49.4.85.221，5427”设置监测终端接入地址为“49.4.85.221”、端口号为5427的服务器；发送“AT+CGATT=1”设置模组打开协议栈；发送“AT+CGATT=0”配置模块附着网络；发送“AT+CEREG？”检查模块是否成功接入网络，若返回1，则代表接入成功。成功入网后，通过“AT+CIPSEND”指令向服务器发送数据。

3.3 云端监测平台设计

系统的云端监测平台选用华为OceanConnect物联网开发平台。OceanConnect平台功能齐全、开发便捷，平台为用户提供开放服务器及接口，简化终端接入，大大缩短开发周期。

在OceanConnect开发中心新建 “河涌水质检测平台”项目，并对Profile文件及编解码插件进行开发。在Profile定义中新增名为“monitor”的服务，并在该项服务下新建“Temperatue”“PH”“Turbidity” 以 及“Dissolved_oxygen”四项属性，并设置为全部访问模式“RWE”。新建完成后，需要对平台的编解码插件进行开发。平台需要接收采集终端上报的温度、PH值、溶氧量以及浊度四项数据，因此需要在编解码插件中新增四条消息，并配置相应的地址域已经响应字段。配置完成后，绑定终端设备的IMEI码，即可实现云端与终端的连接。

4 结果测试与分析

系统分为水质采集终端以及云端监测平台两部分。为保证系统的稳定性和准确性，在河涌内共部署了3个水质采集终端，每个采集终端之间间隔不小于25 m，采样时间间隔设置为20 s。首先在各个采样点处通过专业仪器获取各项数据的精确值，并与水质采集终端采集到的数据相对比，得出各个节点的测试结果见表2～表5所列。

表2 温度测试结果

表3 PH值测试结果

表4 溶氧量测试结果

表5 浊度测试结果

由测试结果可知，温度的测量偏差不超过0.45 ℃，PH值的测量误差不超过0.01，溶氧量的测量误差不超过0.07 mg/L，浊度的测量误差不超过2 NTU。测试结果表明，该系统能够较为精准地获取河涌水质的温度、PH值、溶氧量以及浊度，测量精度超过当前大部分水质监测系统。

系统的云端监测平台界面如图6所示。

图6 云端监测平台界面

经测试，云端监测平台能够正常接收到终端的信息并进行显示，还能够实时显示出河涌水质情况和水质评估结果。

5 结 语

本文设计了基于窄带物联网的河涌水质监测系统。在此过程中，研究了河涌水质综合评估模型的建立、水质采集模块的设计、无线通信模块的设计、云端监测平台的设计以及系统的软件和硬件设计等内容，并对系统进行了实验测试。测试结果显示，水质采集终端对温度的测量偏差不超过0.45 ℃，PH值的测量误差不超过0.01，溶氧量的测量误差不超过0.07 mg/L，浊度的测量误差不超过2 NTU。结果表明，该系统实现了对河涌水质信息的获取以及数据的远程传输、接收等功能，通过软硬件的结合实现了对河涌水质的综合评估，大大提高了河涌水质采集监测的高效性和实时性。