摘? ?要：為了促進(jìn)太湖片區(qū)鱸魚養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)信息化發(fā)展，對魚塘水質(zhì)進(jìn)行更優(yōu)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，文章設(shè)計(jì)了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、水質(zhì)監(jiān)測和管理功能。該系統(tǒng)選用MKL36Z64VLH4為微控制器，以ME3616通信模塊實(shí)現(xiàn)無線傳輸功能，實(shí)現(xiàn)魚塘水質(zhì)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測功能。

關(guān)鍵詞：窄帶物聯(lián)網(wǎng);水質(zhì);監(jiān)測

近年來，太湖地區(qū)鱸魚養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，是該地區(qū)漁業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，也是 漁民的主要收入來源。由于養(yǎng)殖過程中水質(zhì)監(jiān)測不到位，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致鱸魚大量死亡，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，鱸魚對溫度、含氧量、pH值等水體因子比較敏感，因此，設(shè)計(jì)和應(yīng)用水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)變得尤為重要，也為提高產(chǎn)量、科學(xué)養(yǎng)殖提供基礎(chǔ)保障。研究人員結(jié)合ZigBee和WiFi技術(shù)，利用4G-DTU無線傳輸?shù)确绞竭M(jìn)行水質(zhì)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，這些監(jiān)測系統(tǒng)都各有特點(diǎn)，大多采用GPRS與外網(wǎng)連接，功耗比較高。近年來，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）由于低功耗、低成本、覆蓋廣等優(yōu)點(diǎn)得到迅速發(fā)展[1]。

1? ? 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的養(yǎng)殖遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括感知層、傳輸層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。（1）感知層，主要包括微控制單元（Micro Control Unit，MCU）、電源模塊、水質(zhì)傳感器模塊等。（2）傳輸層，主要作用是通過感知層的NB-IoT模塊物理連接到核心網(wǎng)和通信基站。（3）平臺(tái)層，主要是云服務(wù)器負(fù)責(zé)匯聚接入網(wǎng)得到IoT相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給偵聽程序進(jìn)行相應(yīng)處理。（4）應(yīng)用層，主要在平臺(tái)提供的偵聽及相應(yīng)的開放接口利用Web端、手機(jī)APP端等應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測管理。該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2? ? 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分主要集中在感知層，主要包含傳感器模塊（溶解氧傳感器、pH傳感器、溫度傳感器），MCU和NB-IoT通信模塊。水質(zhì)參數(shù)通過相應(yīng)傳感器進(jìn)行采集的模擬信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換通過MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理成數(shù)字信號，傳至NB-IoT通信模塊。

2.1? 水質(zhì)參數(shù)采集模塊

溶解氧參數(shù)采集模塊采用的是原電池溶解氧電極的原理測定水中氧的變化。電池溶解氧傳感器性能高、重復(fù)性好、響應(yīng)時(shí)間短、抗干擾強(qiáng)、殘余電流低，不需要換透氣膜，也不需要換電解液。該模塊測量范圍為0～20 mg/L，溫度適用范圍為﹣5～40 ℃，最小分度值為0.01 mg/L，內(nèi)置溫度補(bǔ)償。傳感器測量時(shí)電流變化量比較微弱，因此，將傳感器電極連接在電壓變送模塊，可以將微弱的電流變換量轉(zhuǎn)化為0～5 V的電壓變化。

pH采集傳感器模塊采用的帶有串口輸出的酸堿度采集模塊，可通過串口助手直接測試、校正、獲取pH值，之后可以利用串口與MCU相連獲取pH值。檢測濃度范圍為0～14，響應(yīng)時(shí)間短、功耗低。

溫度采集傳感器選取的是DS18B20，由于該傳感器獨(dú)特的單總線接口方式[2]，使得傳感器與微處理器連接時(shí)僅需要一條線即可實(shí)現(xiàn)雙向通信，有效提高了系統(tǒng)的抗干擾性。并且測試范圍高達(dá)125 ℃，低至﹣55 ℃，精度為±0.5 ℃，滿足整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，而且使用時(shí)不需要任何外圍組件，減少硬件的復(fù)雜度。

2.2? 嵌入式主控板模塊

嵌入式主控板設(shè)計(jì)模塊中，MCU采用MKL36Z64VLH4，該MCU采用ARM Cortex-M0+內(nèi)核，具備超低功耗的性能，采用3.3 V工作電壓，其工作頻率為48 MHz，I2C，ADC，UART等相關(guān)外設(shè)也比較豐富，適合消費(fèi)電子、工業(yè)計(jì)量等應(yīng)用，滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，框架如圖2所示。

2.3? 通信模塊

通信模塊主要負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和轉(zhuǎn)發(fā)，將主控芯片監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過該模塊發(fā)送出去，通信模塊電路由模塊本身、電源、串口和eSIM卡等組成。通信模塊需要使用串口與主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，本文采用的是ME3616的NB-IoT的通信模塊[3]，該模塊是一款支持NB-IoT通信標(biāo)準(zhǔn)的窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的通信模塊，可以提供最大66 Kbps上行速率和34 Kbps下行速率，具有低功耗、遠(yuǎn)距離、海量連接等特點(diǎn)。本系統(tǒng)通信模塊與主控板芯片通過UART1串口相連，采集到的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過主控芯片處理后通過串口傳送給通信模塊。對于具有通信模塊的通信終端，天線匹配也十分重要，會(huì)直接影響終端設(shè)備的信號質(zhì)量和傳輸成功率，因此，本系統(tǒng)也配備了相應(yīng)的匹配天線。

2.4? 硬件模塊主要執(zhí)行流程

硬件程序模塊主要是微控制器MKL36Z64VLH4各個(gè)主要構(gòu)件的初始化、中斷優(yōu)先級分配初始化，主要針對DS18B20初始化和溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)、pH值讀取初始化及串口讀取初始化、溶解氧讀取初始化及模數(shù)轉(zhuǎn)換函數(shù)初始化，然后微處理器讀取和處理傳感器傳來的水質(zhì)參數(shù)，并顯示與LCD顯示屏，通過URAT1傳送給ME3616無線通信模塊，微控制器通過異步串行通信向ME3616無線通信模塊發(fā)送一系列AT指令進(jìn)行連接和通信。硬件模塊主要執(zhí)行流程如圖3所示。

3? ? 系統(tǒng)軟件應(yīng)用

3.1? ME3616模塊通信設(shè)計(jì)

根據(jù)窄帶物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用架構(gòu)可知，采用的是IP+IMSI號的方式識別不同的終端設(shè)備[4]，IMSI號是SIM卡唯一的國際移動(dòng)用戶標(biāo)識符，在有效的數(shù)據(jù)報(bào)中加入IP地址是為了數(shù)據(jù)報(bào)能夠到達(dá)目的設(shè)備并能及時(shí)響應(yīng)。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和降低丟包率等，通信數(shù)據(jù)報(bào)一幀數(shù)據(jù)采用了幀頭、IMSI號、有效數(shù)據(jù)、幀尾組成，一幀數(shù)據(jù)的長度為42個(gè)字節(jié)，具體的幀格式如表1所示。

數(shù)據(jù)通過ME3616無線通信模塊進(jìn)入傳輸層，由傳輸層的核心網(wǎng)發(fā)送至附近電信基站，進(jìn)入平臺(tái)層進(jìn)行處理，平臺(tái)層主要負(fù)責(zé)處理、存儲(chǔ)無線傳輸過來檢測到的水溫等數(shù)據(jù)。

3.2? 人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人機(jī)交互接口客戶端軟件是整個(gè)系統(tǒng)的平臺(tái)層與應(yīng)用層，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫管理，然后與程序數(shù)據(jù)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計(jì)采用的是Microsoft Visual 2013+SQL Server2005模式設(shè)計(jì)管理接口。采用B/S架構(gòu)客戶端模式，通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器訪問服務(wù)器的數(shù)據(jù)資源[5]。設(shè)計(jì)水質(zhì)監(jiān)測軟件系統(tǒng)主要包含系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)下載、實(shí)時(shí)顯示、閾值設(shè)置5個(gè)功能板塊，客戶端軟件總體框架如圖4所示。

4? ? 系統(tǒng)測試結(jié)果

本系統(tǒng)采用的是在蘇州市吳江區(qū)的某養(yǎng)殖戶魚塘，對該養(yǎng)殖戶的某一魚塘進(jìn)行實(shí)地測試，終端設(shè)備每10 min對水質(zhì)采樣一次，并及時(shí)傳送給系統(tǒng)應(yīng)用端，形成的3個(gè)水質(zhì)參數(shù)曲線結(jié)果如圖5—7所示。系統(tǒng)還可通過閾值的設(shè)置看水質(zhì)參數(shù)是否符合鱸魚的生長環(huán)境，必要時(shí)需要人為的增氧或其他作業(yè)以減少養(yǎng)殖的不必要損失。

5? ? 結(jié)語

本系統(tǒng)以無線傳輸水質(zhì)參數(shù)為目的，采用ME3616無線通信模塊為無線傳輸模塊，并基于MKL36Z64VLH4微控制器和各類水質(zhì)傳感器為硬件對水質(zhì)中的參數(shù)進(jìn)行采集并處理。利用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)直接接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)，使整個(gè)系統(tǒng)成本低、結(jié)構(gòu)相對簡單、覆蓋廣，滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測的要求。為養(yǎng)殖戶解決水質(zhì)監(jiān)測的實(shí)際問題，可以有效降低因水質(zhì)監(jiān)測不到位產(chǎn)生的損失。本文測試只用了一個(gè)終端設(shè)備，后期可投入多個(gè)終端設(shè)備以提高資料的可靠性。限于筆者水平，應(yīng)用層的手機(jī)端APP或微信小程序端的數(shù)據(jù)監(jiān)測還未開發(fā)。

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Design of remote water quality monitoring system based on NB-IoT

Qian Ping

（Suzhou Vocational University， Suzhou 215104， China）

Abstract：In order to promote bass aquaculture industry informatization development in the Taihu lake， pond water quality for remote monitoring of the article design a based on narrowband Internet of aquaculture water quality remote monitoring system in this paper， realize the function of remote data acquisition and water quality monitoring and management the system chooses MKL36Z64VLH4 for microcontrollers， with ME3616 communication module， wireless transmission function， pond water quality real-time.

Key words：narrow band Internet of Things; water quality; monitoring