物聯(lián)網(wǎng)工程-基于NB–IOT的白洋淀水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)

第1章緒論1.1研究背景與意義隨著社會人口的不斷增長和經(jīng)濟(jì)實力的逐步增強(qiáng)，我們賴以生存的水環(huán)境并沒有受到太多關(guān)注。然而，人類健康和社會穩(wěn)定與水環(huán)境安全密切相關(guān)REF_Ref29031\r\h[1]。該國的經(jīng)濟(jì)實力正在增強(qiáng)。為了快速發(fā)展和開發(fā)郊區(qū)，許多工廠已經(jīng)開始向郊區(qū)遷移。然而，由于監(jiān)管不力，工廠廢水和城市生活污水未經(jīng)處理直接排入河流，導(dǎo)致我國河流水質(zhì)受到一系列污染。此類水污染事件的發(fā)生，不僅會影響生態(tài)環(huán)境，還會限制人類活動的范圍。相關(guān)研究涉及一種基于ZigBee技術(shù)的魚塘水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)REF_Ref30674\r\h[2]。簡而言之，該系統(tǒng)主要包括傳感器模塊、ZigBee模塊、中心處理系統(tǒng)和GPRS模塊，其中ZigBee網(wǎng)絡(luò)組織方式采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；將溫度傳感器模塊、pH值傳感器模塊、溶解氧值傳感器模塊等放置在魚塘中；傳感器模塊向綁定的ZigBee模塊發(fā)送數(shù)據(jù)；ZigBee模塊將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee接收器；ZigBee接收器接收信號并將該信號輸入到中央處理系統(tǒng)；中央處理系統(tǒng)通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給管理者的計算機(jī)或移動電話，以便管理者可以根據(jù)需要隨時獲取測量數(shù)據(jù)REF_Ref31660\r\h[3]。當(dāng)被測水體的指數(shù)低于設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值時，中央處理系統(tǒng)發(fā)出警報，同時通過為了滿足當(dāng)前水資源管理自動化和遠(yuǎn)程監(jiān)控的需要，并且還設(shè)計了一個基于GPRS的實時管理系統(tǒng)，包括終端子系統(tǒng)、主站子系統(tǒng)和通信服務(wù)子系統(tǒng)REF_Ref31859\r\h[4]。終端子系統(tǒng)是基于STM32F103X微處理器和GPRS網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的。MC55的GPRS模塊用于實現(xiàn)終端與GPRS網(wǎng)絡(luò)之間的遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)廣泛的水資源管理監(jiān)控。管理系統(tǒng)軟件基于Windows平臺，在SQL2Server+VC++環(huán)境下，采集和處理運行參數(shù)和實時水質(zhì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計、分析、曲線和分類REF_Ref31908\r\h[5]。設(shè)計的系統(tǒng)滿足了實時性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的要求。因此基于相關(guān)的研究設(shè)計，本文提出了一種基于NB-IOT的水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，為健康飲水保駕護(hù)航。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對于一定場所的監(jiān)控系統(tǒng)的研究各個國家均有類似的設(shè)計。SafiraMRREF_Ref31999\r\h[6]發(fā)明公開了一種水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)。通過在水上平臺模塊上布置水質(zhì)監(jiān)測模塊并通過遠(yuǎn)程控制模塊執(zhí)行控制，水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)可以系統(tǒng)地實時監(jiān)測水源，數(shù)據(jù)處理和傳輸模塊以及數(shù)據(jù)接收和分析模塊實時分析水質(zhì)，以便于探索人類活動與水質(zhì)變化之間的相關(guān)性，并提供相應(yīng)的預(yù)防和控制措施；遠(yuǎn)程控制模塊和水上平臺模塊的組合可以動態(tài)控制水質(zhì)采樣點的位置，不需要設(shè)置固定的采樣點，可以自動完成水質(zhì)監(jiān)測；因此，與人工采樣相比，水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的成本可以大大降低，監(jiān)測結(jié)果更良好REF_Ref32163\r\h[7]。養(yǎng)護(hù)觀賞魚包括定期維護(hù)水質(zhì)和數(shù)量。這一點經(jīng)常被魚主人忘記，因為他們沒有關(guān)于水族館條件的足夠信息。王克玉REF_Ref32228\r\h[8]提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水族館無線監(jiān)控系統(tǒng)。使用溫度傳感器、濁度傳感器和超聲波傳感器作為傳感器設(shè)備。基于傳感器數(shù)據(jù)，使用C4.5算法對服務(wù)器端的水族箱狀況進(jìn)行分類。用戶可以通過我們的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序訪問這些信息。在性能評估中表明，使用80:20數(shù)據(jù)分區(qū)，該系統(tǒng)可以達(dá)到97.8%的準(zhǔn)確率。方志豪REF_Ref32280\r\h[9]介紹了一種低成本的實時監(jiān)測用戶飲用水水質(zhì)的系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)。該系統(tǒng)由多個管內(nèi)電化學(xué)傳感器和光學(xué)傳感器組成，重點是低成本、輕量化和可靠的長時間運行。這樣的實施方式適合于大型部署，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)方法能夠向水消費者、水公司和當(dāng)局提供時空豐富的數(shù)據(jù)。進(jìn)行了大量的文獻(xiàn)和市場研究，以確定低成本的在線傳感器，該傳感器能夠可靠地監(jiān)測可用于推斷水質(zhì)的幾個參數(shù)?；谶x定的參數(shù)，開發(fā)了傳感器陣列以及用于模擬信號調(diào)節(jié)、處理、記錄和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程顯示的幾個微系統(tǒng)。最后，開發(fā)了一種融合在線多傳感器測量的算法，以評估水污染風(fēng)險REF_Ref32437\r\h[10]。ChenZengREF_Ref32558\r\h[11]研究的目的是開發(fā)一種用于溪邊水質(zhì)監(jiān)測的自動化計算機(jī)輔助多物種生物傳感裝置。來自多個營養(yǎng)水平的代表性淡水動物組被選為自動生物監(jiān)測儀的測試對象，包括魚類、未成熟昆蟲和貽貝。重點放在系統(tǒng)設(shè)計、硬件開發(fā)、數(shù)據(jù)管理以及可作為判斷水質(zhì)適宜性標(biāo)準(zhǔn)的物種特異性反應(yīng)的初步觀察上。專門設(shè)計的差動放大器用于檢測未受限制的受試者的選定生物電響應(yīng)，該放大器與一臺16位儀器小型計算機(jī)連接REF_Ref456\r\h[12]。由魚鰓通氣運動、蜉蝣若蟲鰓搏動和貽貝產(chǎn)生的模擬響應(yīng)信號、心臟事件被數(shù)字化，并作為每單位時間的事件存儲在磁盤文件中。這項研究的結(jié)果表明，設(shè)計用于檢測來自不同淡水熱帶群體的個體產(chǎn)生的選定生物反應(yīng)的多物種生物監(jiān)測器可以同時測量。1.3本文的研究內(nèi)容本文的研究主要針對水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計，旨在實現(xiàn)該裝置的基本特性，進(jìn)一步提高監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)控效率和安全性。具體研究內(nèi)容包括以下方面：（1）本文介紹了國內(nèi)外水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)的研究背景和發(fā)展趨勢，并提出了該系統(tǒng)的具體研究內(nèi)容和設(shè)計方案。（2）設(shè)計了水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)的軟硬件控制系統(tǒng)的基本要求，并提出了水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案。其中軟件設(shè)計包括系統(tǒng)主流程和子流程的設(shè)計。（3）最后，對水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)和調(diào)試分析，以進(jìn)一步驗證該裝置的實用性。第2章水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)總體方案2.1系統(tǒng)設(shè)計思路及方案本文著重設(shè)計一種河流水質(zhì)多參數(shù)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)以實現(xiàn)對河域水環(huán)境的實時監(jiān)測，將有效地預(yù)防河域水資源污染并提高河域水資源保護(hù)效率。本文研究并設(shè)計一種基于NB–IOT的白洋淀水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)分為水質(zhì)采集終端和上位機(jī)監(jiān)測端。系統(tǒng)以STM32F103C8T6為主控芯片，結(jié)合多參數(shù)水質(zhì)傳感器、水流速檢測模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊和NB-IoT無線通信模塊開發(fā)了河域水環(huán)境采集終端；利用有人IoT云平臺實現(xiàn)了設(shè)備接入、數(shù)據(jù)查詢顯示、實時定位、手機(jī)報警推送功能，設(shè)計開發(fā)了集成式的水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測上位機(jī)，實現(xiàn)了水質(zhì)參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。（1）系統(tǒng)總體設(shè)計。完成基于微處理器、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)、公有云平臺的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計，完成水質(zhì)監(jiān)測傳感器選型，對NB-IoT通訊與公有云可行性進(jìn)行分析。（2）水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點的硬件和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計方面完成水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點的微處理器選型，水質(zhì)檢測節(jié)點核心板電路、傳感器數(shù)據(jù)采集電路、電源電路、NB-IoT模組等硬件設(shè)計；軟件設(shè)計方面完成監(jiān)測節(jié)點系統(tǒng)初始化、水質(zhì)參數(shù)信息采集、水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點與云平臺連接、數(shù)據(jù)收發(fā)等程序設(shè)計。（3）云平臺接入與系統(tǒng)測試。以公有云平臺為基礎(chǔ)，完成水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點的接入、界面設(shè)計、消息推送、數(shù)據(jù)展示等功能。其研究方案具體如下：（1）在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的裝置工作中，數(shù)據(jù)和信號是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、處理、傳輸、展示貫穿于整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的工作流程。因此可以將數(shù)據(jù)作為設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的裝置的重點。（2）以系統(tǒng)工作中的“數(shù)據(jù)”作為主線，將系統(tǒng)整體方案設(shè)計分三個模塊進(jìn)行分析講解。在寫作過程中說明三個與數(shù)據(jù)相關(guān)的設(shè)計問題，它們分別是：數(shù)據(jù)的獲取與處理、數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，以及數(shù)據(jù)的最終展現(xiàn)形式。（3）監(jiān)測裝置的設(shè)計內(nèi)容包括兩方面：硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。其中，硬件設(shè)計完成數(shù)據(jù)的獲取，軟件設(shè)計完成數(shù)據(jù)的處理、發(fā)送和接收，以及展現(xiàn)最終的監(jiān)測數(shù)據(jù)。2.2NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸原理隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)療、汽車和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)連接市場也迎來了蓬勃生機(jī)。不同于智能家居、車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的中高速連接，智能抄表、智能井蓋和電車衛(wèi)士等領(lǐng)域?qū)Φ退購V域物聯(lián)網(wǎng)有著更高的需求，NB-IoT技術(shù)也應(yīng)運而生。NB-IoT是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一個新興技術(shù)，它的研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作由3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織進(jìn)行，由于其工作在授權(quán)頻段，所以相較于其他網(wǎng)絡(luò)頻段干擾更少，可以為用戶提供更好的服務(wù)質(zhì)量和安全保障，這也有利于NB-IoT的蓬勃發(fā)展?，F(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)主要分為短距離通信技術(shù)和廣域網(wǎng)通信技術(shù)兩大類。以Wi-Fi、ZigBee為代表的短距離通信技術(shù)主要優(yōu)勢為穩(wěn)定性高、傳輸速度快，但網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域較小且功耗較高，適用于視頻監(jiān)控等領(lǐng)域。而以LoRa、NB-IoT為代表的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)更加適用于對時延不敏感、數(shù)據(jù)吞吐量小的業(yè)務(wù)場景。由于LoRa工作在非授權(quán)頻段，數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩跃蜎]有NB-IoT高，同時使用LoRa需要自己組建私網(wǎng)，終端節(jié)點的設(shè)計就更加復(fù)雜。終端側(cè)通過移植軟件開發(fā)工具包（SoftwareDevelopmentKit，SDK）可以實現(xiàn)基于輕量化的受限應(yīng)用協(xié)議（ConstrainedApplicationProtocol，CoAP）與LwM2M協(xié)議進(jìn)行傳輸，降低物聯(lián)網(wǎng)終端功耗。同時目前已有80多款模組已經(jīng)移植平臺的SDK，終端設(shè)備可基于預(yù)集成的模組，使用AT指令快速實現(xiàn)接入平臺和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，這里選用市面上最為常用的M5310-A模組，其實物圖如圖2.1所示。圖2.1M5310-A模組實物圖在本文的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中，終端側(cè)通過STM32單片機(jī)搭載了該款NB-IoT模塊，并使用AT指令快速連接上了NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。OneNET平臺側(cè)可實現(xiàn)與中國移動NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的無縫對接，滿足大量設(shè)備的快速入云，同時實現(xiàn)對設(shè)備的資源訂閱、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、命令下發(fā)、安全傳輸?shù)?。?yīng)用側(cè)提供了豐富的應(yīng)用程序接口（ApplicationProgrammingInterface，API），個人只需專注于自身應(yīng)用的開發(fā)，而不用花大量時間在環(huán)境搭建上。通過云平臺轉(zhuǎn)發(fā)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，應(yīng)用服務(wù)器要能接收并解析數(shù)據(jù)將其存儲在數(shù)據(jù)中心，基于NB-IoT的數(shù)據(jù)傳輸框圖如圖2.2所示。OneNET云平臺為用戶打造了完美的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層，使基于NB-IoT的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)更加便捷。圖2.2NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸框圖2.3水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)針對傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的弊端，本文開發(fā)了一種基于NB-IoT的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要由水質(zhì)傳感器采集模塊、NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸模塊、水質(zhì)監(jiān)測管理平臺三大部分組成，由采集模塊采集數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)傳輸模塊上傳到云平臺，最終上傳到MYSQL數(shù)據(jù)庫。具體流程為通過在白洋淀監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布置的節(jié)點獲得相關(guān)水質(zhì)信息，數(shù)據(jù)經(jīng)微控制器處理后由支持NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)哪＝M傳輸至OneNET云平臺，通過在OneNET云平臺上進(jìn)行相關(guān)配置，可將設(shè)備終端采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)通過HTTP協(xié)議推送至本地應(yīng)用服務(wù)器，從而完成水質(zhì)數(shù)據(jù)的相關(guān)操作，以達(dá)到信息收集、數(shù)據(jù)分析、水質(zhì)監(jiān)測的目的。該水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)總體框架如圖2.3所示。圖2.3水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)總體框架第3章水質(zhì)實時監(jiān)測節(jié)點硬件電路設(shè)計3.1硬件系統(tǒng)總體架構(gòu)水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點的硬件系統(tǒng)以STM32（MCU）單片機(jī)為控制單元，通過RS485信號轉(zhuǎn)換電路與水質(zhì)傳感器進(jìn)行通信，通信協(xié)議采用Modbus。主控模塊負(fù)責(zé)定時采集各水質(zhì)傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后通過NB-IoT模塊將一包完整數(shù)據(jù)發(fā)送到OneNET云平臺，整個硬件系統(tǒng)的工作需要依靠電源供電模塊來維持。硬件系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3.1所示。圖3.1硬件系統(tǒng)總體架構(gòu)3.2系統(tǒng)主控模塊主控模塊作為整個硬件系統(tǒng)的控制單元，要主導(dǎo)著各模塊的正常運行。因此在選擇主控模塊的微控制器時，必須充分考慮其外設(shè)資源是否滿足整個硬件系統(tǒng)的工作需求，以及是否支持硬件設(shè)備的功能擴(kuò)展。綜合以上考慮，本文選擇意法半導(dǎo)體（ST）公司生產(chǎn)的STM32F103C8T6型號芯片作為主控模塊的核心芯片，該款芯片的引腳圖如圖3.2所示。圖3.2STM32F103C8T6主控芯片STM32F103C8T6型號芯片使用高性能的32位RISC內(nèi)核，供電電壓為2.0V至3.6V，可通過系統(tǒng)穩(wěn)壓電路輸入，工作頻率為72MHz，包含3個12位的ADC、4個通用16位定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個I2C接口、3個SPI接口、5個USART接口、1個USB接口等，基本達(dá)到各外接模塊的工作需求。同時該款芯片內(nèi)置高達(dá)512K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM，滿足該系統(tǒng)軟件驅(qū)動的內(nèi)存需求，且其工作時的溫度范圍為-40度至+105度，也適用于水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的低溫場景。3.3水質(zhì)傳感器模塊本文設(shè)計的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)在參數(shù)選擇上參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）》，選取其中溫度、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和總磷5項作為監(jiān)測指標(biāo)。考慮到水質(zhì)傳感器模塊一般價格比較昂貴，本文設(shè)計的監(jiān)測節(jié)點硬件終端僅集成了溶解氧傳感器，實物圖如圖3.3所示。而其它水質(zhì)參數(shù)采集過程原理均相同，在本文將以隨機(jī)數(shù)作為數(shù)據(jù)采集的結(jié)果，因此最終展示數(shù)據(jù)不代表站點實際水質(zhì)狀況。圖3.3溶解氧傳感器實物圖圖中該款溶解氧傳感器采用熒光法，不消耗氧氣、不受磁場干擾、不消耗探頭、靈敏度高和檢出限低，能夠克服傳統(tǒng)經(jīng)典測量方法不能在線連續(xù)測量的缺點。相比于極譜法探頭，使用熒光法溶解氧探頭無需更換膜片、頻繁校準(zhǔn)、長期免維護(hù)和安裝方便，所以更加適用于戶外水質(zhì)監(jiān)測維護(hù)不便利且需要長期監(jiān)測的場景。3.4NB-IoT模塊水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點使用的NB-IoT模塊為中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司研發(fā)的M5310-A模組，通過該模組可實現(xiàn)監(jiān)測節(jié)點與移動OneNET云平臺的數(shù)據(jù)交互。單片機(jī)通過AT指令對模組進(jìn)行初始化后，可將水質(zhì)數(shù)據(jù)采集結(jié)果上報至OneNET云平臺，同時模組接收到OneNET云平臺下發(fā)的命令后，也可以通過串口轉(zhuǎn)發(fā)至單片機(jī)。該模組工作頻段是Band3、Band5、Band8，模組可以自動搜尋頻率，也支持使用AT指令自由選擇頻段；主要應(yīng)用于低功耗的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，滿足3gppRelease14標(biāo)準(zhǔn)；內(nèi)嵌LwM2M/MQTT/TCP/UDP/CoAP等多種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和擴(kuò)展的AT指令。圖3.4為M5310-A模組的引腳分配圖。圖3.4M5310-A引腳圖3.5485轉(zhuǎn)232模塊在水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點設(shè)計中，由于水質(zhì)傳感器輸出的是485信號，因而與單片機(jī)進(jìn)行通信時需要將485信號轉(zhuǎn)為232信號。本文使用現(xiàn)有的RS485模塊完成信號的轉(zhuǎn)換操作，該模塊電路原理圖如圖3.5所示。圖3.5RS485模塊原理圖該RS485模塊板載MAX485芯片，是一款用于485通信的低功耗、限擺率收發(fā)器，其工作電壓為5V。另外模塊板載5.08mm間距2P接線柱，方便485通信接線，同時芯片全部引腳都已經(jīng)引出來，可以直接通過單片機(jī)控制操作。3.6電源供電模塊電源供電模塊是保障系統(tǒng)正常工作的前提。由于本文選用的溶解氧傳感器其正常工作電壓為12V，所以可選擇12V可充電鋰電池作為整個硬件系統(tǒng)的電源模塊，對于其它低電壓設(shè)備則可通過降壓后輸入，電源實物圖如圖3.6所示。該電池采用進(jìn)口18650電芯，安全品質(zhì)有保障，且尺寸規(guī)格為56*58*67mm，重量約為435g，滿足監(jiān)測節(jié)點的便攜式要求。圖3.6鋰電池實物圖第4章水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計在進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)之前需要對整個業(yè)務(wù)平臺進(jìn)行功能需求分析，這是確定系統(tǒng)架構(gòu)的前提。在第四章節(jié)介紹了水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點的詳細(xì)設(shè)計過程，并已經(jīng)實現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)在OneNET云平臺上的展示。為更加方便地對水質(zhì)監(jiān)測站點及相應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，需要搭建本地水質(zhì)監(jiān)測管理平臺。OneNET平臺向客戶提供了數(shù)據(jù)推送服務(wù)，通過相關(guān)配置后，可以將平臺作為客戶端，將相關(guān)信息以HTTP請求的方式，發(fā)送給應(yīng)用服務(wù)器。其中，相關(guān)信息包括水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)備上下線消息。應(yīng)用服務(wù)器接收到OneNET云平臺推送的消息后，需要及時保存到數(shù)據(jù)庫，本文使用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫?；贠neNET云平臺的推送數(shù)據(jù)，可搭建水質(zhì)監(jiān)測管理平臺，其中水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)圖如圖4.1所示。圖4.1水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)圖由圖4.1知，水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)是整個系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)。通過應(yīng)用服務(wù)器的數(shù)據(jù)接收小程序可將OneNET云平臺的推送數(shù)據(jù)保存在MySQL數(shù)據(jù)庫，而水質(zhì)監(jiān)測管理平臺則基于MySQL數(shù)據(jù)庫的水質(zhì)數(shù)據(jù)執(zhí)行相關(guān)業(yè)務(wù)功能。在本文的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中，數(shù)據(jù)接收小程序和水質(zhì)監(jiān)測管理平臺均基于SSM框架實現(xiàn)，并按照三層架構(gòu)的模式進(jìn)行開發(fā)。其中，Controller層為表現(xiàn)層，在該層使用了SpringMVC技術(shù)，主要與前端頁面進(jìn)行交互；Service層為業(yè)務(wù)層，當(dāng)表現(xiàn)層接收到頁面發(fā)來的請求時，通過業(yè)務(wù)層執(zhí)行相應(yīng)邏輯并返回結(jié)果；Dao層為數(shù)據(jù)層，主要用來與數(shù)據(jù)庫打交道，在該層使用了MyBatis技術(shù)，簡化了數(shù)據(jù)庫的連接以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)表的增刪改查操作。水質(zhì)監(jiān)測管理平臺作為水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的上層應(yīng)用，主要與用戶進(jìn)行交互，其提供的功能應(yīng)該足夠豐富。通過對水質(zhì)監(jiān)測市場需求的相關(guān)調(diào)研，將本文的水質(zhì)監(jiān)測管理平臺確定為三大部分：平臺系統(tǒng)管理模塊、水質(zhì)節(jié)點管理模塊和水質(zhì)詳情模塊。圖4.2為水質(zhì)監(jiān)測管理平臺的功能架構(gòu)圖。圖4.2平臺功能架構(gòu)圖（1）平臺系統(tǒng)管理模塊平臺系統(tǒng)管理模塊主要實現(xiàn)了三個功能，且不向普通用戶開放權(quán)限。該模塊向管理員用戶提供了模塊管理功能，每個列表項將代表平臺的一個具體可操作功能，管理員可以對所有模塊列表進(jìn)行增刪改查；提供了平臺所有角色的增刪改查操作，管理員可在角色列表為每個已創(chuàng)建角色授權(quán)可操作的模塊列表項；提供了用戶管理功能，管理員可在用戶列表首頁新建用戶，并為新用戶分配平臺的角色，當(dāng)普通用戶訂閱了平臺的水質(zhì)監(jiān)測站點，管理員可在用戶列表首頁為其授權(quán)可查看的站點。（2）水質(zhì)節(jié)點管理模塊水質(zhì)節(jié)點管理模塊主要實現(xiàn)了四個功能。該模塊提供了所有用戶已訂閱節(jié)點列表的詳情，通過列表首頁用戶可以向任意站點下發(fā)讀取數(shù)據(jù)的命令，以便獲取最新水質(zhì)信息，并且可以查看所有站點設(shè)備是否在線的消息，當(dāng)設(shè)備長時間處于離線狀態(tài)，用戶可告知管理員進(jìn)行設(shè)備維護(hù)；提供了所有已訂閱節(jié)點在百度地圖中的分布查詢，方便用戶直觀查看監(jiān)測站點的位置及水質(zhì)狀況；向管理員用戶提供了水質(zhì)報警限值的更改操作，根據(jù)每個水域水質(zhì)要求不同，管理員用戶可以自由設(shè)置每個站點需要報警的水質(zhì)等級；提供了報警推送功能，管理員用戶可以選擇要推送的監(jiān)測站點消息，若近期內(nèi)該站點出現(xiàn)水質(zhì)等級超標(biāo)情況，平臺將會向所有訂閱該站點的用戶推送報警消息。（3）水質(zhì)詳情模塊水質(zhì)詳情模塊主要實現(xiàn)了三個功能。該模塊提供了對各站點水質(zhì)歷史數(shù)據(jù)的查詢功能，并以表格的方式呈現(xiàn)給用戶，用戶也可以通過頁面下載水質(zhì)歷史數(shù)據(jù)的Excel文件；提供了對各站點水質(zhì)走勢的查看，用戶可以查看各個水質(zhì)參數(shù)隨時間的變化趨勢圖，平臺將以折線圖的方式反饋給用戶；提供了對各站點各時間段水質(zhì)數(shù)據(jù)分類結(jié)果的查看，分類方法為本文第三章所提方法，分類結(jié)果分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五個等級。4.2系統(tǒng)主程序設(shè)計本文在設(shè)備端通過TIM2定時器實現(xiàn)了每半小時下發(fā)一次水質(zhì)數(shù)據(jù)采集的命令，使用USART2串口接收水質(zhì)傳感器的返回數(shù)據(jù)和TIM3定時器確定返回數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)記。對于水質(zhì)數(shù)據(jù)的上報，本文使用USART3串口與NB-IoT模塊進(jìn)行通信，然后通過該模塊與OneNET平臺進(jìn)行交互。由于平臺也會下發(fā)數(shù)據(jù)到設(shè)備端，且規(guī)定時間內(nèi)未收到設(shè)備端的數(shù)據(jù)回復(fù)，將會導(dǎo)致此次通信操作失敗，因此本文在設(shè)備端使用TIM6定時器實現(xiàn)了OneNET平臺下行數(shù)據(jù)的檢查。同時，為了防止網(wǎng)絡(luò)波動導(dǎo)致NB-IoT模塊與OneNET平臺連接斷開，進(jìn)而無法正常上傳數(shù)據(jù)，本文在設(shè)備端使用TIM7定時器實現(xiàn)了斷線標(biāo)志位的檢查，如果網(wǎng)絡(luò)斷開將重新初始化NB-IoT模塊。因此，本文對于設(shè)備端實現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)主動上傳的設(shè)計，首先在硬件上初始化了2個串口和4個定時器，然后初始化了NB-IoT模塊，保障了各個模塊的正常工作，最后通過一系列流程判斷是否達(dá)到上傳數(shù)據(jù)的要求，具體流程如圖4.3所示。圖4.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳主程序設(shè)備端上電后，首先會執(zhí)行硬件和NB-IoT的初始化，然后等待半小時后硬件會向485總線發(fā)送讀取水質(zhì)數(shù)據(jù)的命令，收到一幀數(shù)據(jù)包后會將modbus.reflag置為1，然后進(jìn)入主函數(shù)校驗接收到的一幀數(shù)據(jù)在傳輸時是否發(fā)生錯誤，校驗方式為CRC，如果通過CRC校驗，設(shè)備將解析數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容，將16進(jìn)制數(shù)值轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)并保存在寄存器，然后按照NB-IoT模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的AT指令格式封裝一幀數(shù)據(jù)包。4.3OneNET數(shù)據(jù)響應(yīng)流程在NB-IoT模塊與OneNET平臺保持連接的前提下，設(shè)備端會通過NB-IoT模塊將單片機(jī)內(nèi)部封裝的數(shù)據(jù)包發(fā)送到OneNET平臺，然后清除相關(guān)標(biāo)志位，等待下一次循環(huán)；否則，設(shè)備端將重新對NB-IoT模塊進(jìn)行初始化。當(dāng)OneNET平臺有下行數(shù)據(jù)發(fā)送給設(shè)備側(cè)時，設(shè)備應(yīng)及時接收下行數(shù)據(jù)，并在規(guī)定時間內(nèi)做出響應(yīng)，數(shù)據(jù)響應(yīng)流程如圖4.4所示。圖4.4OneNET下行數(shù)據(jù)響應(yīng)流程圖4.4中，設(shè)備對下行數(shù)據(jù)的接收是通過M5310-A模組轉(zhuǎn)發(fā)完成的，因此需要對單片機(jī)與M5310-A模組的通信串口USART3進(jìn)行中斷配置，當(dāng)有下行數(shù)據(jù)時，及時將數(shù)據(jù)保存到寄存器。由于OneNET平臺25秒內(nèi)沒有收到下行數(shù)據(jù)的回復(fù)便認(rèn)為操作失敗，故本文在硬件上使能了TIM6定時器中斷，定時對下行數(shù)據(jù)包進(jìn)行檢查，以便有數(shù)據(jù)請求時得到及時處理。根據(jù)本文設(shè)計的水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點業(yè)務(wù)需求，主要在以下兩種情況會收到OneNET平臺的下行數(shù)據(jù)：（1）通過OneNET平臺主動讀取指定Object下指定Instance下的指定Resource的數(shù)據(jù)；（2）模組側(cè)設(shè)備在平臺的存活時間到期，平臺會強(qiáng)制設(shè)備離線，并向設(shè)備側(cè)發(fā)送斷線指令。對于OneNET平臺主動讀取設(shè)備資源數(shù)據(jù)，設(shè)備側(cè)收到讀取命令后將根據(jù)ObjectID、InstanceID和ResourceID匹配實體資源，然后將對應(yīng)數(shù)據(jù)流按照AT指令格式進(jìn)行回復(fù)。由于OneNET平臺限制了模組側(cè)單次登錄時間，故本文通過TIM2定時器中斷在設(shè)備下線前對設(shè)備存活時間進(jìn)行了更新。4.4水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集水質(zhì)傳感器與單片機(jī)采用基于485的Modbus通訊，工作在半雙工方式下，硬件上電后兩者均處于監(jiān)聽方式，任何一次數(shù)據(jù)交換都是由單片機(jī)主動發(fā)起。因此對于水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集，本文在硬件上使用兩個定時器（TIM2和TIM3）和一個USART2串口來完成數(shù)據(jù)的交換。其中定時器TIM2用來控制單片機(jī)采集數(shù)據(jù)的頻率，定時器初始化程序如圖4.5所示。圖4.5定時器TIM2的初始化在TIM2的初始化中，本文開啟了定時器更新中斷，設(shè)置更新周期為5s。當(dāng)程序上電后，主程序會5s進(jìn)入一次中斷程序，執(zhí)行相應(yīng)操作。對于水質(zhì)數(shù)據(jù)上報周期，設(shè)置時間過長不能及時獲取水質(zhì)信息且當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常情況時難以排查問題，設(shè)置周期過短導(dǎo)致數(shù)據(jù)交換頻率過高，功耗增加，且NB流量消耗嚴(yán)重，故本文數(shù)據(jù)上報周期設(shè)置為半小時一次。因此在定時器TIM2的中斷函數(shù)中需要定義一個靜態(tài)變量Time_value，控制主程序半小時向傳感器設(shè)備發(fā)送讀取數(shù)據(jù)的命令，主要程序如下所示：當(dāng)定時器TIM2中斷程序檢測到中斷標(biāo)志位掛起后，首先清除標(biāo)志位，然后將靜態(tài)變量Time_value加1，判斷是否達(dá)到半小時的定時要求。如果達(dá)到要求，將Time_value清零，然后向485總線發(fā)送一條采集水質(zhì)數(shù)據(jù)的命令，隨后將485總線忙碌標(biāo)志位掛起；否則，直接退出中斷函數(shù)的執(zhí)行，等待下一次中斷標(biāo)志位的掛起。4.5485串口通信本文使用STM32單片機(jī)的USART2作為485通信的串口，通過外接485轉(zhuǎn)232模塊實現(xiàn)與水質(zhì)傳感器的數(shù)據(jù)交互。當(dāng)水質(zhì)傳感器向單片機(jī)做出讀命令回復(fù)后，單片機(jī)需要接收返回的數(shù)據(jù)包，本文通過USART2串口中斷函數(shù)完成數(shù)據(jù)的存儲，程序如圖4.6所示。圖4.6USART2串口中斷函數(shù)考慮到水質(zhì)傳感器與單片機(jī)的通信基于Modbus協(xié)議，因此需要使用一個定時器來約定傳感器返回數(shù)據(jù)包的結(jié)束標(biāo)記，這里選用單片機(jī)的TIM3定時器。Modbus協(xié)議約束為：當(dāng)接收數(shù)據(jù)停止時間達(dá)到3.5個字節(jié)以上，即認(rèn)為一幀數(shù)據(jù)傳輸完畢。本文對USART2串口初始化時配置了波特率為9600bit/s，一個起始位和一個停止位，所以該串口傳輸一個字節(jié)的時間為1040us，即Modbus協(xié)議確定一個數(shù)據(jù)幀傳輸完成的時間為3.64ms。由于TIM3定時器只工作于USART2串口接收水質(zhì)傳感器返回數(shù)據(jù)包期間，該配置極大提高了程序運行效率。4.6上位機(jī)介紹基于NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）的白洋淀水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)是一種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序，旨在通過網(wǎng)絡(luò)連接實時監(jiān)測和報告白洋淀水質(zhì)信息。此系統(tǒng)包括水質(zhì)傳感器，NB-IoT模塊，數(shù)據(jù)中心以及安卓app上位機(jī)。安卓app上位機(jī)是此系統(tǒng)的用戶界面，用戶可以通過它來查看實時的水質(zhì)數(shù)據(jù)、設(shè)置監(jiān)測參數(shù)以及接收警報和通知。下面是該應(yīng)用程序的詳細(xì)介紹：用戶登錄/注冊：用戶可以使用自己的賬戶登錄或注冊該系統(tǒng)。登錄后，用戶可以查看自己的監(jiān)測設(shè)備，并能夠在設(shè)備列表中添加、編輯或刪除設(shè)備。設(shè)備監(jiān)測：用戶可以查看設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，包括水質(zhì)溫度、PH值、溶解氧、濁度等數(shù)據(jù)。參數(shù)設(shè)置：用戶可以根據(jù)自己的需要設(shè)置監(jiān)測參數(shù)，例如監(jiān)測頻率、報警閾值等。用戶可以在應(yīng)用程序中更改這些參數(shù)，并將其發(fā)送到設(shè)備上進(jìn)行更新。告警和通知：如果水質(zhì)參數(shù)超出了用戶設(shè)置的閾值，系統(tǒng)會自動發(fā)送警報和通知。用戶可以在應(yīng)用程序中設(shè)置告警參數(shù)，并能夠接收通知和報警信息。數(shù)據(jù)可視化：應(yīng)用程序還提供了數(shù)據(jù)可視化功能，用戶可以通過圖表和圖形界面直觀地了解水質(zhì)數(shù)據(jù)的趨勢和變化?？傊?，安卓app上位機(jī)是該系統(tǒng)的核心用戶界面，為用戶提供了全面的水質(zhì)監(jiān)測和管理功能，幫助用戶了解和改善水質(zhì)情況。圖4.7為app上位機(jī)用戶應(yīng)用界面的截圖。圖4.7app上位機(jī)用戶應(yīng)用界面截圖第5章系統(tǒng)功能測試5.1水質(zhì)數(shù)據(jù)上傳功能測試本文設(shè)計的水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點正常情況下可通過NB-IoT模塊向OneNET云平臺上傳水質(zhì)數(shù)據(jù)，參數(shù)有溫度、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和總磷，上傳頻率為半小時一次。水質(zhì)數(shù)據(jù)的上傳結(jié)果可在OneNET云平臺的設(shè)備資源列表進(jìn)行查看。溶解氧濃度最大約為9.5mg/L，最小約為8.76mg/L，且上傳頻率為半小時一次，說明監(jiān)測節(jié)點主動上傳數(shù)據(jù)功能正常。同時，OneNET云平臺向用戶開放了應(yīng)用編輯器，用戶可以方便快捷地實現(xiàn)OneNET平臺上的設(shè)備數(shù)據(jù)流可視化，圖5.1為本次監(jiān)測站點實時水質(zhì)數(shù)據(jù)展示界面。圖5.1水質(zhì)數(shù)據(jù)展示界面5.2讀取命令下發(fā)功能測試根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求，目前僅需要設(shè)備對下發(fā)的讀取命令做出實時響應(yīng)即可。對于讀取命令的下發(fā)，可以通過OneNET平臺直接測試，在設(shè)備成功登錄到平臺時，資源管理界面中可以看到讀、寫、執(zhí)行等操作；同時，也支持通過OneNET平臺提供的API調(diào)用相應(yīng)接口的方式，實現(xiàn)對設(shè)備資源的數(shù)據(jù)讀取。圖5.2是本次讀取命令下發(fā)的日志詳情，讀取參數(shù)為溶解氧濃度。由該圖可看出，監(jiān)測節(jié)點對下發(fā)的讀取命令響應(yīng)結(jié)果為成功，響應(yīng)時間僅不到1s，且返回的溶解氧濃度為9.06mg/L，完全滿足實時響應(yīng)的需求。圖5.2讀取命令下發(fā)日志詳情5.3最終成果在設(shè)備的研究與調(diào)試中，我們也遇到了許多的困難與阻礙，但經(jīng)過幾次反復(fù)的嘗試與解決，最終成功的將設(shè)備焊接完成，圖5.3為本次設(shè)計系統(tǒng)的最終實物圖片。圖5.3最終實物圖第6章結(jié)論國家經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時，也帶來了水環(huán)境的嚴(yán)重污染問題。然而，人類的健康和社會的穩(wěn)定都與水環(huán)境的安全息息相關(guān)。為落實水環(huán)境監(jiān)管防治政策，水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的研究不可或缺。目前常用的Wi-Fi、ZigBee和Bluetooth等通信技術(shù)，由于通信距離短，無法滿足遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測的要求；而GPRS、4G、5G等通信技術(shù)，由于能耗、信號覆蓋以及高流量成本等問題，也不適于應(yīng)用到水質(zhì)監(jiān)測中。近幾年來，NB-IoT技術(shù)因其具有低成本、低功耗、廣覆蓋和大連接的優(yōu)勢，迅速出現(xiàn)在人們眼前，成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中一顆閃耀的新星。因此，本文設(shè)計了一種基于NB-IoT的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由水質(zhì)數(shù)據(jù)采集模塊、NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸模塊和水質(zhì)監(jiān)測管理平臺組成。針對傳統(tǒng)水質(zhì)無線監(jiān)測技術(shù)存在的問題，利用NB-IoT技術(shù)實現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點的設(shè)計。首先，對硬件電路總體架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，對各模塊選型和工作參數(shù)進(jìn)行了介紹。然后，對軟件設(shè)計過程進(jìn)行了詳細(xì)分析，包括水質(zhì)數(shù)據(jù)采集過程以及通過NB-IoT模塊實現(xiàn)與OneNET云平臺的交互流程。最后，通過OneNET云平臺界面對監(jiān)測節(jié)點進(jìn)行功能測試。結(jié)果表明，監(jiān)測節(jié)點可以實時上傳水質(zhì)數(shù)據(jù)信息，也可以完成對平臺下發(fā)命令的應(yīng)答。參考文獻(xiàn)Rodríguez-Mu?ozRodolfo,Mu?iz-CastilloAarónIsrael,Euán-AvilaJorgeIván,Hernández-Nú?ezHéctor,Valdés-LozanoDavidSergio,Collí-DuláReynaCristina,Arias-GonzálezJesúsErnesto.AssessingtemporaldynamicsonpelagicSargassuminfluxanditsrelationshipwithwaterqualityparametersintheMexicanCaribbean[J].RegionalStudiesinMarineScience,2021,48.錢穎,杜亮,閆翔.一種可擴(kuò)展的雙電源水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力,2022(12):30-33.崔秀波,路鵬程,李璐璐,劉立明.基于污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)的實時水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].無線互聯(lián)科技,2022,19(23):58-61.閆天瑞,余倩倩,陳新威,李抒智,張紅,王江,鄒軍,石明明,王洪榮,蘇曉峰,陳啟,鄭煒陵.基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)在智慧機(jī)場水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用分析[J].應(yīng)用技術(shù)學(xué)報,2022,22(04):395-398.BautistaMaryGraceAnnC.,PalconitMariaGemelB.,RosalesMarifeA.,ConcepcionIIRonnieS.,BandalaArgelA.,DadiosElmerP.,DuarteBernardo.FuzzyLogic-BasedAdaptiveAquacultureWaterMonitoringS