基于NB-IOT的多点水文数据采集系统设计

王文军 王炜凯 聂何婷 吴佳 肖萍 潘颖

水文监测系统在水资源利用和防汛抗洪中起着重要作用，水文监测传感器布置在各地，采集到的水文参数通过无线通信和互联网传输到控制中心，便于决策部门精准有效管理。本文设计的多点数据监测系统，利用了低功耗的微控制器STM32L151，负责每个地域的温湿度、水位、降雨量的采集，通过基于NB-IoT通信协议的BC20无线通信模块发送至通信基站，再通过互联网上传至阿里云物联网控制平台显示各地采集的水位数据，实现了实时监测水文参数的目的。

水文监测系统可以长期对河湖水渠的水位、水流、流速以及对当地温湿度、降雨量进行采集，也可以对正在发生的汛情、灾情进行实时动态监测。基于NB-IoT技术水文采集系统，以STM32L151为微控制器的嵌入式系统对海量数据的采集，最终将采集的数据通过NB-IoT无线通信模块传送到阿里云物联网平台，在屏幕上实时查看网页显示的各地监测点水文监测参数，可以准确判断河流、湖泊、水库、河渠等设施水文状况，为决策层及时提供实时、有效的数据，深入掌握水源变化情况，为政府及时预警暴雨、山洪造成溃堤等灾害，避免群众生命财产损失等方面决策提供强有力的措施有着重大意义。

一、系统总体设计方案

基于NB-IoT通信技术、以STM32L151为控制核心的水文监测要实现的主要功能是要通过降雨量传感器、水位传感器、温湿度传感器实时准确采集降雨量以及监测河流、沟渠、湖面的水位变化，采集当地的温度湿度等数据，该系统可以根据不同需求增加风速、气压等传感器采集相应数据。这些水文类传感器布置在适当位置，STM32L151为控制核心的嵌入式系统不断查询接收的水文数据，经过处理，通过采用了NB-IoT技术的BC20模块将数据不断发送到5G基站，基站接收数据并通过互联网传输到阿里云物联网平台显示数据。平台不断刷新数据最终形成趋势图，完成监测数据的采集。整个电路控制核心采用意法半导体公司的STM32L151集成块，水文类传感器采用了SHT10温湿度传感器、光电红外线雨量传感器以及雷达水位传感器，无线通信采用了模块化设计的BC20模块[1]。

本设计中水文数据采集点可以分布于全省各地以及布置了NB-IoT地区，作为试验，本设计的监测系统布置在峡江、靖安、南昌三地，每个监测系统都由STM32L151作为核心控制器与水文类传感器构成，负责采集水位、降雨量、温湿度数据，然后各地采集的数据通过NB-IoT通信网络传输到互联网，数据汇聚到阿里云，在物联网控制台中显示采集数据。

二、系统硬件设计

監测系统以微控器STM32L151为控制核心，配置了水文类传感器模块作为数据采集端，结合无线通信模块、电源模块共同组成水文数据监测系统硬件部分。传感器模块采用了温度、湿度、水位、降雨量传感器模块，在微控制器协调下整体运行构成了水文监测系统，每个各采集点都使用相同的硬件[2]。

（一）微控制器系统

监控系统的控制器采用了STM32L151，该微控制器是STM32超低功耗系列产品。STM32系列的是法意半导体公司利用了ARM公司核心设计的高性能微控制器，采用该芯片可以保障水文监测系统低功耗长期工作。

设计中要用到STM32中的串口UART2，与BC20无线通信模块的RX、TX连接。数据采集接口方面，降雨量传感器用到了GPIO口的PB5，它以中断方式接收由降雨量传感器传输来的脉冲信号。温湿度传感器用了GPIO中的PB8接口。水位传感器用了GPIO中的接口PB4。具体接口说明如表1中所示。

整个监测系统由4节锂电池供电，电压在14.8-16.8V之间，通过降压模块给各功能模块供电，其中给微控制器模块（含BC20通信模块）采用了+3.3V电压，一体化温湿度传感器供电为+5V，降雨量传感器和雷达水位传感器模块供电范围较宽，在设计中使用了+12V。

（二）水位传感器

河道、河湖、水渠的水位有很多方法测量，其中利用超声波测距原理是应用比较广泛的方法。工作原理是通过超声波发射到再接收的时间来计算出发射点到发射面之间的距离。本设计采用了A12雷达传感器，测量输出接口采用了PWM脉冲输出模式，由STM32L151的PB4发出一个不少于10us以上高电平脉冲触发信号给传感器模块，传感器模块开始工作，发出8个40kHz周期电平并检测回波。当检测到有反射信号时，模块的输出引脚就输出高电平直到没有反射信号变为低电平为止。STM32L151从接收到模块传来的高电平开始计时直到低电平计时结束，这个脉冲宽度与所测的距离成正比。因此，时间乘以超声波在空气中传播的速度就可以得到水面与发射点的距离，进而推算出当前水位[3]。

（三）降雨量传感器

常见的降雨量传感器主要有机械翻斗式、压电式雨量传感器以及红外线式等雨量传感器等。翻斗式使用比较广泛，但是也存在着体积大，安装不方便的缺点，故本设计采用了光学即红外感应式雨量传感器。它采用光学感应原理测量降雨量，体积更小、更灵敏可靠，更智能，易维护。这种传感器工作原理是依靠发光二极管发出的光经过透镜系统调整后，成平行光状态照射到玻璃上;当玻璃干燥时、光线将发生全反射，并经过透镜系统成平行光状态被接收器件接收，输出最大值100%;当传感器玻璃上有雨水、雨滴时，由于玻璃表面的折射率受水的影响而发生了改变，完全的全反射现象不复存在，只有没有受到表面水滴影响的地方才能发生部分反射，这时红外接收管收到信号就是一部分了，通过发生全反射与部分发射的百分率比值能够确定出降雨量大小。

实际设计中降雨量传感器输出脉冲信号，一个脉冲对应了0.1mm的降雨量，将输出信号接入到微控制器中的PB4中，控制系统计算出脉冲数即可得到降雨量了。

（四）温湿度传感器

一体化温湿度传感器是一种常见的传感器，能够方便地测量出温度和湿度量。本设计采用了精度较高的温湿度传感器SHT10，该传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，数字通信引脚仅仅一个就可以完成命令传输和数据传输的功能，体积和功耗小，测量快速、精度适中，应用于当地的温度和湿度值的测量方便可靠，本设计中只利用了STM32L151的PB8连接到STH10的输入输出总线上完成温度和湿度的同时测量。CD079D0D-BA75-4BE1-A69E-368CA3B19AB7

（五）BC20通信模块

BC20是移远公司开发的一款高性能的NB-IoT和GNSS引擎的无线通信模块，它采用了低功耗技术，其中GSM部分内嵌了TCP/UDP、HTTP、MQTT等數据传输协议，内嵌了AT命令方便软件开发。通过NB-IoT无线电通信协议，BC20模块可与网络运营商的基础设备建立通信，支持三大运营商，能满足所有M2M领域的应用需求，包括水文数据采集监测应用。设计中BC20模块的通信接口与STM32L151的串口连接，STM32L151采集的数据通过串口传给BC20，该模块通过无线通信基站将数据发送远端，再通过互联网发送至阿里云。

三、软件设计

（一）采集端软件设计

软件编程中首先要对各个不同的传感器进行初始化，在代码中设置好监测系统中设备和产品的密钥，然后编制MQTT通信协议，实现与阿里云的链接，温湿度、水位、降雨量传感器采集到数据送到STM32L151中，经过控制器处理后通过USART2将数据传给BC20，由BC20发送给NB-IoT基站。软件流程图如图1所示。

图1 监测系统软件流程

（二）物联网界面设计

监控系统的数据显示终端没有专门开发上位机或者网页，而是利用了阿里云物联网平台。该平台给客户提供了一站式的设备接入、设备管理、监控运维、数据流转、数据存储等服务。本设计利用了阿里云物联网免费平台。阿里云物联网通信协议采用MQTT协议，下位机软件中编写通信协议软件，阿里云平台接收到协议数据包，解析数据后在相应的设备中显示采集的数据[4]。

设计中关键是新建水文监测系统作为物联网中的产品，在产品中新增数据采集设备并给布置在不同地区的采集点编号，物联网平台将自动生成产品以及设备的编号和密钥，将产品编号和密钥添加到监测系统下位机的软件中，运行后，下位机不断发送数据包，阿里云接收到数据并解析，实现监测系统与阿里云物联网通信。而后，监测系统采集的数据不断通过BC20发送到基站，再传输到互联网中，最终在阿里云的“物模型数据”中实时显示出各地传输过来的水文监测数据。

四、实验测试

由于资金及研究条件等限制，设计制作的水文监测系统每个地区只使用了三组传感器，分别监测温湿度、水位和降雨量，在省内的峡江、靖安、南昌地区布置了三个监测点进行观察和研究。

将各地布置点的监测系统连接电源运行，在南昌地区通过阿里云物联网平台观察数据传输情况。三个地点监测系统的3种传感器分别传输了温度、湿度、水位、降雨量共12类数据，显示器能够实时显示各地的数据并根据设置刷新数据，长时间接收的数据可以形成图表和表格便于观察。表2是传输显示的数据，其中降雨量是一段时间累计的结果，其他数据均为实时采集的数据。

五、总结

本设计是基于NB-IoT的水文监测系统，采用了模块化NB-IoT技术的BC20无线通信模块，运用了低功耗嵌入式微控制器STM32L151，采用了稳定可靠、性价比高的体积小巧的一体化温湿度传感器、安装使用方便的光学雨量传感器以及超声波传感器组成水文数据采集系统，结合阿里云物联网平台显示数据，构成了多地多点、低成本的水文监测系统。实验表明，该系统价格低廉，传输稳定、可靠、实时，实现多点水文数据的监测功能。

参考文献：

[1]杨英，高嘉晖，潘明毅，等.基于NB-IoT的漂浮式污水监控器设计[J].水利信息化，2020（4）：49-54，72.

[2]张鑫，许晓平.基于STM32的花园远程智能灌溉监控系统[J].信息技术，2020（8）：89-92，97.

[3]梅鹍.水文监测设备在城市内涝预警中的应用[J].湖南水利水电，2018（6）：83-85.

[4]袁园.基于NB-IoT技术的智慧水利系统[J].电子技术与软件工程，2019（1）：252.

基金项目：江西省教育厅科技课题（编号：GJJ206004）。

作者简介：王文军（1967-），男，硕士研究生，教授，研究方向：电子信息。王炜凯（1996-），男，技术员，研究方向：软件工程。聂何婷（1991-），女，高职讲师，研究方向：物联网应用技术。吴佳（1985-），女，高职讲师，研究方向：物联网应用技术。肖萍（1985-），女，助教，研究方向：物联网应用技术。潘颖（1990-），女，高职讲师，研究方向：职业教育。CD079D0D-BA75-4BE1-A69E-368CA3B19AB7