基于窄带物联网养殖远程水质监测系统设计
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作者:钱平
摘 要：为了促进太湖片区鲈鱼养殖产业信息化发展，对鱼塘水质进行更优的远程监测，文章设计了一种基于窄带物联网养殖远程水质监测系统，实现了远程数据采集、水质监测和管理功能。该系统选用MKL36Z64VLH4为微控制器，以ME3616通信模块实现无线传输功能，实现鱼塘水质远程实时监测功能。
关键词：窄带物联网;水质;监测
近年来，太湖地区鲈鱼养殖业快速发展，是该地区渔业的支柱产业之一，也是 渔民的主要收入来源。由于养殖过程中水质监测不到位，经常会导致鲈鱼大量死亡，经济损失严重，鲈鱼对温度、含氧量、pH值等水体因子比较敏感，因此，设计和应用水质实时监测系统变得尤为重要，也为提高产量、科学养殖提供基础保障。研究人员结合ZigBee和WiFi技术，利用4G-DTU无线传输等方式进行水质的远程监测，这些监测系统都各有特点，大多采用GPRS与外网连接，功耗比较高。近年来，窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）由于低功耗、低成本、覆盖广等优点得到迅速发展[1]。
1 系统体系结构
基于窄带物联网的养殖远程水质监测系统主要包括感知层、传输层、平台层和应用层。（1）感知层，主要包括微控制单元（Micro Control Unit，MCU）、电源模块、水质传感器模块等。（2）传输层，主要作用是通过感知层的NB-IoT模块物理连接到核心网和通信基站。（3）平台层，主要是云服务器负责汇聚接入网得到IoT相关数据，并将数据发送给侦听程序进行相应处理。（4）应用层，主要在平台提供的侦听及相应的开放接口利用Web端、手机APP端等应用程序对数据进行实时监测管理。该系统总体结构如图1所示。
2 系统硬件构成
远程水质监测系统的硬件部分主要集中在感知层，主要包含传感器模块（溶解氧传感器、pH传感器、温度传感器），MCU和NB-IoT通信模块。水质参数通过相应传感器进行采集的模拟信号，经过A/D转换通过MCU进行数据处理成数字信号，传至NB-IoT通信模块。
2.1 水质参数采集模块
溶解氧参数采集模块采用的是原电池溶解氧电极的原理测定水中氧的变化。电池溶解氧传感器性能高、重复性好、响应时间短、抗干扰强、残余电流低，不需要换透气膜，也不需要换电解液。该模块测量范围为0～20 mg/L，温度适用范围为﹣5～40 ℃，最小分度值为0.01 mg/L，内置温度补偿。传感器测量时电流变化量比较微弱，因此，将传感器电极连接在电压变送模块，可以将微弱的电流变换量转化为0～5 V的电压变化。
pH采集传感器模块采用的带有串口输出的酸碱度采集模块，可通过串口助手直接测试、校正、获取pH值，之后可以利用串口与MCU相连获取pH值。检测浓度范围为0～14，响应时间短、功耗低。
温度采集传感器选取的是DS18B20，由于该传感器独特的单总线接口方式[2]，使得传感器与微处理器连接时仅需要一条线即可实现双向通信，有效提高了系统的抗干扰性。并且测试范围高达125 ℃，低至﹣55 ℃，精度为±0.5 ℃，满足整个系统设计的要求，而且使用时不需要任何外围组件，减少硬件的复杂度。
2.2 嵌入式主控板模块
嵌入式主控板设计模块中，MCU采用MKL36Z64VLH4，该MCU采用ARM Cortex-M0+内核，具备超低功耗的性能，采用3.3 V工作电压，其工作频率为48 MHz，I2C，ADC，UART等相关外设也比较丰富，适合消费电子、工业计量等应用，满足本系统的设计要求，框架如图2所示。
2.3 通信模块
通信模块主要负责对数据进行接收和转发，将主控芯片监测到的数据通过该模块发送出去，通信模块电路由模块本身、电源、串口和eSIM卡等组成。通信模块需要使用串口与主控芯片进行数据通信，本文采用的是ME3616的NB-IoT的通信模块[3]，该模块是一款支持NB-IoT通信标准的窄带蜂窝物联网的通信模块，可以提供最大66 Kbps上行速率和34 Kbps下行速率，具有低功耗、远距离、海量连接等特点。本系统通信模块与主控板芯片通过UART1串口相连，采集到的传感器数据经过主控芯片处理后通过串口传送给通信模块。对于具有通信模块的通信终端，天线匹配也十分重要，会直接影响终端设备的信号质量和传输成功率，因此，本系统也配备了相应的匹配天线。
2.4 硬件模块主要执行流程
硬件程序模块主要是微控制器MKL36Z64VLH4各个主要构件的初始化、中断优先级分配初始化，主要针对DS18B20初始化和温度转换函数、pH值读取初始化及串口读取初始化、溶解氧读取初始化及模数转换函数初始化，然后微处理器读取和处理传感器传来的水质参数，并显示与LCD显示屏，通过URAT1传送给ME3616无线通信模块，微控制器通过异步串行通信向ME3616无线通信模块发送一系列AT指令进行连接和通信。硬件模块主要执行流程如图3所示。
3 系统软件应用
3.1 ME3616模块通信设计
根据窄带物联网的应用架构可知，采用的是IP+IMSI号的方式识别不同的终端设备[4]，IMSI号是SIM卡唯一的国际移动用户标识符，在有效的数据报中加入IP地址是为了数据报能够到达目的设备并能及时响应。为了提高数据传输的准确性和降低丢包率等，通信数据报一帧数据采用了帧头、IMSI号、有效数据、帧尾组成，一帧数据的长度为42个字节，具体的帧格式如表1所示。
數据通过ME3616无线通信模块进入传输层，由传输层的核心网发送至附近电信基站，进入平台层进行处理，平台层主要负责处理、存储无线传输过来检测到的水温等数据。 3.2 人机交互系统设计
人机交互接口客户端软件是整个系统的平台层与应用层，主要负责数据库管理，然后与程序数据之间进行数据传输。本设计采用的是Microsoft Visual 2013+SQL Server2005模式设计管理接口。采用B/S架构客户端模式，通过网络浏览器访问服务器的数据资源[5]。设计水质监测软件系统主要包含系统管理、数据查询、数据下载、实时显示、阈值设置5个功能板块，客户端软件总体框架如图4所示。
4 系统测试结果
本系统采用的是在苏州市吴江区的某养殖户鱼塘，对该养殖户的某一鱼塘进行实地测试，终端设备每10 min对水质采样一次，并及时传送给系统应用端，形成的3个水质参数曲线结果如图5—7所示。系统还可通过阈值的设置看水质参数是否符合鲈鱼的生长环境，必要时需要人为的增氧或其他作业以减少养殖的不必要损失。
5 结语
本系统以无线传输水质参数为目的，采用ME3616无线通信模块为无线传输模块，并基于MKL36Z64VLH4微控制器和各类水质传感器为硬件对水质中的参数进行采集并处理。利用窄带物联网技术直接接入蜂窝网络，使整个系统成本低、结构相对简单、覆盖广，满足水产养殖远程水質监测的要求。为养殖户解决水质监测的实际问题，可以有效降低因水质监测不到位产生的损失。本文测试只用了一个终端设备，后期可投入多个终端设备以提高资料的可靠性。限于笔者水平，应用层的手机端APP或微信小程序端的数据监测还未开发。
[参考文献]
[1]宦娟，吴帆，曹伟建，等.基于窄带物联网的养殖塘水质监测系统研制[J].农业工程学报，2019（8）：260-269.
[2]钱平，鲜学丰，顾才东，等.一种鲈鱼养殖远程水质监测系统[J].现代计算机，2019（25）：80-84.
[3]王宜怀，张建，刘辉，等.窄带物联网NB-IoT应用开发共性技术[M].北京：电子工业出版社，2019.
[4]黄伟，彭晓宏，张明明，等.一种基于窄带物联网的智能水表设计[J].现代电子技术，2019（14）：169-172，176.
[5]宋洪儒，王宜怀，杨凡.基于窄带物联网的智能路灯控制系统设计与实现[J].现代电子技术，2019（2）：180-184，190.
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
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