基于NB-IoT技术的水质监测系统设计.docx

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基于NB-IoT技术的水质监测系统设计

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摘要：随着社会及经济的发展，工业化进程的不断加快导致城市水资源污染逐步加剧，对居民的身体健康和国家的可持续发展政策造成威胁。传统的水质监测依赖人工采样的方法，工作强度大、时效性差、监测周期长、在水样分析和统计过程中需要用到高精度仪器设备，导致监测成本过高。近年来，随着物联网技术的发展与成熟，基于物联网技术的水质监测系统逐渐成为该领域的研究热点。因此，本文就基于NB-IoT技术的水质监测系统设计相关内容进行了论述，以期为我国可持续发展发展增砖添瓦。

关键词：窄带物联网技术；水质监测；NB-IoT；传感器

1窄带物联网（NB-IoT）介绍

窄带物联网（NB-IoT）作为物联网技术的一个新制式，依托于蜂窝网络，可直接部署在GSM、LTE网络上，支持低功耗设备在广域网蜂窝数据连接。

NB-IoT的典型网络由行业终端+NB-IoT模块、NB-IoT基站、核心网、IoT平台和行业应用构成。行业终端通过NB-IoT模块接入NB-IoT网络，经过核心网，实现与IoT平台的对接，IoT平台将行业终端采集数据进行大数据运算，行业应用通过访问平台获取结果。

NB-IoT技术主要有以下几个优势：①覆盖广。NB-IoT基于运营商网络部署，只要有运营商信号的地方都可以被NB-IoT信号覆盖，并且对复杂地形具有较强的穿透能力。②连接多。NB-IoT在同一基站的接入能力是现有无线技术的50倍以上，一个扇区能够同时支持10万连接。③功耗低。NB-IoT针对小数据量、小速率的应用场景进行优化。通过简化空口信令，降低芯片复杂度，采用PSM节能技术等一系列技术实现了低功耗。

2水质监测系统设计方案

本水质监测系统由水质监测终端、水质监测平台和监控终端三部分组成，如图1所示。水质监测终端部署在城市河道的排污口、河流汇聚处及城区重点监控水域内。水质监测终端通过控制器和传感器两部分组成，其中，传感器负责对水体的各项指标进行采集，采集后通过发送至控制器，控制器对数据做初加工，加工完的数据按照以指定的格式通过NB-IoT网络将数据发送至监控平台。水质监测平台由服务器和数据库组成，主要提供3个主要功能：

①负责对水质监测数据和水质监测终端状态进行计算，存储；②提供查询接口供监控终端对数据库数据进行访问；③当监测指标超出阈值或者水质监测终端状态异常时，触发告警。监控人员日常可随时通过监控终端或者手机APP查看水质监测数据和告警信息。

图1分布式水质监测系统图

3水质监测系统硬件设计

在水质监测系统中，水质监测终端是整个系统的核心部分。监测终端由数据采集单元、数据处理单元和数据发送单元三部分组成，如图2所示。其中，数据采集单元通过4个传感器，完成对水样本的pH、氨氮、电导率和温度数据的采集。数据处理单元为监测终端的大脑，控制着传感器进行数据采集，并对接收到的数据进行放大、滤波、转换、加权计算等初步加工，并将加工后的数据通过UART接口传递给数据发送单元。数据传送单元实现与NB-IoT基站的对接，通过NB-IoT网络将监测数据发送到监测平台。

3.1控制单元

水质监测终端需要能够在野外环境长期工作，低功耗是一个很重要的指标，本设计选取MSP430作为数据处理单元的微控制器。该控制器是德州仪器推出的一款超低功耗、具有精简指令集的微控制器。本设计中，微控制器芯片工作在3.3V的电压，依靠芯片内置的硬件乘法器，来实现水质监测终端的控制和监测数据加工运算的功能。微控制器通过SPI通信接口与AT45DB041存储芯片进行通信，对运算后的监测数据进行存储。微控制器通过串行通信接口与SARA-N201模块进行通信，将监测数据发送至监测平台。

3.2采集单元

传感器测量输出信号较弱，且可能伴随一定的干扰，无法直接对检测数据进行采样，需要对输出信号进行一定的预处理，首先通过放大电路将数据放大到合理的区间。但数据放大的同时，误差也会随之放大。使用AD8620构造二阶低通滤波器，消除数据中的干扰，减小误差后，再将数据发送给MSP430的ADC12模块进行处理。

3.3传送单元

使用SARA-N201模块设计实现数据发送模块，SARA-N201模块为u-blox公司开发的NB-IoT通信模块。

本设计中，SARA-N201模块工作在3.3V电压下，与工作电压相同，具有相同的电平电压，无需进行额外的电平转换。模块内部提供1.8V的电压，用来支持SIM卡的数字接口对接。SARA-N201模块的复位管脚为RST_IN，与MCU的开漏输出管脚相连，MCU可通过该管脚完成对数据传输单元的复位操作。SARA-N201模块与MCU间的数据传输通过UART串口实现，SARA-N201模块的R