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(duì)魚塘水質(zhì)進(jìn)行更優(yōu)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，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(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(cè)功能。

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

　　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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)，這些監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(hào)，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(hào)，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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和轉(zhuǎn)發(fā)，將主控芯片監(jiān)測(cè)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(duì)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(hào)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(jí)分配初始化，主要針對(duì)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(hào)的方式識(shí)別不同的終端設(shè)備[4]，IMSI號(hào)是SIM卡唯一的國(guó)際移動(dòng)用戶標(biāo)識(shí)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(hào)、有效數(shù)據(jù)、幀尾組成，一幀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)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(cè)到的水溫等數(shù)據(jù)。

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