基于NB-IoT技術(shù)的家庭水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)①

楊 磊,熊衛(wèi)華,姜 明

1(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院,杭州 310018)

2(杭州電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,杭州 310018)

在人類的生產(chǎn)生活之中,水資源是必不可少的物質(zhì)[1].但是,現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展都在以一定的環(huán)境污染作為代價(jià),給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了不好的影響,特別是水污染方面,尤其嚴(yán)重[2].這也使得人們對(duì)于水質(zhì)安全問(wèn)題特別在意,生活用水的安全質(zhì)量問(wèn)題也受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[3,4].

在現(xiàn)如今科技發(fā)達(dá)的信息時(shí)代,物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展速度也是極快的,已經(jīng)逐步進(jìn)入萬(wàn)物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代了[5].而其中,NB-IoT更是物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)中的佼佼者,與傳統(tǒng)的WiFi、GPRS和藍(lán)牙等無(wú)線通信技術(shù)相比,NB-IoT具有廣覆蓋、低功耗、低成本和大連接等特點(diǎn),更加符合萬(wàn)物互聯(lián)這個(gè)物聯(lián)網(wǎng)概念,能更好地實(shí)現(xiàn)全球部署[6-8].當(dāng)前,NB-IoT技術(shù)已被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域,如智慧停車系統(tǒng)、農(nóng)田遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)等等,技術(shù)發(fā)展已經(jīng)逐漸成熟,相信在不久的將來(lái)會(huì)被人們應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域[9].

為保障人們生活用水的安全性,本文提供了一種基于NB-IoT技術(shù)的家庭水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)水中溫度、TDS值和pH值,且將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云平臺(tái)和服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控.該系統(tǒng)極大降低了家庭水質(zhì)檢測(cè)的難度,滿足了生活用水檢測(cè)設(shè)備的要求,給人們的生活提供了非常大的便利而且還帶來(lái)了很大的安全感.

1 系統(tǒng)方案

家庭水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成,水質(zhì)檢測(cè)終端、無(wú)線通信模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái).

水質(zhì)檢測(cè)終端可以即時(shí)采集生活用水的水質(zhì)狀態(tài)數(shù)據(jù)信息,并且實(shí)時(shí)處理采集到的傳感器數(shù)據(jù),將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送給無(wú)線通信模塊.無(wú)線通信模塊作用相當(dāng)于是遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)和水質(zhì)檢測(cè)終端進(jìn)行信息交互的驛站,所有信息都要通過(guò)無(wú)線通信模塊進(jìn)行傳遞.終端系統(tǒng)將打包好的數(shù)據(jù)信息先發(fā)給無(wú)線通信模塊,經(jīng)由無(wú)線通信模塊發(fā)送給服務(wù)器,服務(wù)器再發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)[10].遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的功能是對(duì)終端系統(tǒng)發(fā)送上來(lái)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析和整理統(tǒng)計(jì),一方面將解析完成之后的實(shí)時(shí)水質(zhì)數(shù)據(jù)以非常直觀的方式呈現(xiàn)給用戶,另一方面將過(guò)往的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì),方便用戶查看之前的數(shù)據(jù),方便用戶對(duì)家里的水質(zhì)安全有個(gè)更加全面的了解[11].整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)見(jiàn)圖1.

2 硬件設(shè)計(jì)

終端系統(tǒng)的硬件部分由5個(gè)部分組成,包含有MCU控制模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、傳感器模塊以及電源模塊.模塊化的設(shè)計(jì)有利于降低整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度,提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率和有效性.水質(zhì)檢測(cè)終端系統(tǒng)的硬件框圖見(jiàn)圖2.

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 水質(zhì)檢測(cè)終端系統(tǒng)的硬件框圖

2.1 MCU控制模塊

本系統(tǒng)的主控芯片采用的是ST公司的超低功耗的STM32L433CBT6芯片.它的運(yùn)行功耗84 μA/MHz,睡眠功耗只有2 μA.它的主時(shí)鐘頻率最高達(dá)48 MHz,可以滿足整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和運(yùn)算,一般被應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴等設(shè)備上.

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊一共由3種傳感器組成,分別是pH傳感器、溫度傳感器和TDS傳感器.

2.2.1 pH傳感器模塊

pH傳感器是用來(lái)檢測(cè)被測(cè)溶液中氫離子濃度并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)的傳感器.本系統(tǒng)的pH傳感器模塊的工作原理是用氫離子玻璃電極與參比電極組成原電池,在玻璃膜與被測(cè)溶液中氫離子進(jìn)行例子交換過(guò)程中,通過(guò)測(cè)量采集電極之間的電位差,來(lái)檢測(cè)溶液中的氫離子濃度,從而檢測(cè)出被測(cè)液體的pH值[12].

該傳感器電路使用反向跟隨放大電路,主要電路組成有穩(wěn)壓電路、電壓跟隨電路和反向放大電路.穩(wěn)壓電路由電壓基準(zhǔn)芯片TL432組成,它的主要功能是輸出精準(zhǔn)穩(wěn)定的1.25 V基準(zhǔn)電壓,用作MCU的ADC采樣時(shí)的參考電壓.電壓跟隨電路和反向放大電路由精密運(yùn)放MS8628組成.它們的作用是將采集到的電位信號(hào)進(jìn)行精密準(zhǔn)確放大,讓MCU采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)更加的準(zhǔn)確,增加可信度.

2.2.2 溫度傳感器模塊

溫度傳感器模塊使用NTC熱敏電阻來(lái)采集溫度變化信號(hào).熱敏電阻的靈敏度較高,體積小,使用方便.本系統(tǒng)使用的是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器,即在溫度越高時(shí),其電阻值越低.且本系統(tǒng)使用兩個(gè)NTC熱敏電阻進(jìn)行對(duì)比測(cè)試,防止本系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間工作之后,其中一個(gè)熱敏電阻出現(xiàn)損耗而導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤.

2.2.3 TDS傳感器模塊

本系統(tǒng)的TDS傳感器采用電導(dǎo)電極法測(cè)量水的電導(dǎo)率,而水的電導(dǎo)率和TDS值成正比例關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)間接測(cè)量值的TDS值[13].該傳感器電路采用分壓法來(lái)實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率的采集.將測(cè)量電極與精密電阻串聯(lián),通過(guò)采集精密電阻上的分壓值來(lái)計(jì)算出電極間的等效電阻,從而推斷出水質(zhì)的電導(dǎo)率.為避免使用的鉑金探針電極因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間單向通電造成氧化,本系統(tǒng)采用了雙向交替通電的方法,延長(zhǎng)TDS探針的使用壽命,提高測(cè)量精度.

2.3 電源模塊

本系統(tǒng)的電源模塊由DC-DC電源模塊和低壓差線性穩(wěn)壓(LDO)電路組成.輸入電壓為外部電源適配器輸入的24 V,經(jīng)由DC-DC芯片SY8201組成的BUCK電路降壓至5 V,提供給NB-IoT模塊.之后,5 V電源經(jīng)由ME6119C33芯片組成的LDO電路降壓至3.3 V,為MCU和其他各模塊提供穩(wěn)定的輸入電壓.本模塊選取的兩種電源芯片都保證了輸出電壓的穩(wěn)定,輸出電流滿足系統(tǒng)所需要的驅(qū)動(dòng)電流.

2.4 存儲(chǔ)模塊

本系統(tǒng)選取CAT24C256芯片作為EEPROM存儲(chǔ)芯片,容量為256 KB,使用I2C接口與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.本設(shè)計(jì)運(yùn)用存儲(chǔ)模塊是為了將過(guò)去一周采集到的數(shù)據(jù)保存下來(lái),防止設(shè)備的突然斷電斷網(wǎng)造成的數(shù)據(jù)缺失.在設(shè)備重新上電聯(lián)網(wǎng)之后,會(huì)將存儲(chǔ)器里的數(shù)據(jù)同步到云平臺(tái)和服務(wù)器,保證數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性.

2.5 NB-IoT模塊

本系統(tǒng)使用的NB-IoT模塊是上海移遠(yuǎn)的BC-35G模組,它使用的是華為的Hi2115芯片,支持B1/B3/B8/B5/B20/B28共6個(gè)工作頻段,支持UDP/TCP/MQTT/CoAP/LWM2M共5種工作協(xié)議.本系統(tǒng)使用的是移動(dòng)的NB卡,所以它的工作中心頻段應(yīng)當(dāng)設(shè)置在900 MHz.BC-35G模塊通過(guò)串口與MCU系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,MCU通過(guò)串口向BC-35G模塊發(fā)送AT指令集,來(lái)控制BC-35G模塊,實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)、服務(wù)器的通信和數(shù)據(jù)傳輸.

3 軟件設(shè)計(jì)

水質(zhì)檢測(cè)終端的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)可分為MCU控制驅(qū)動(dòng)程序和IoT云平臺(tái)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)兩部分.MCU控制驅(qū)動(dòng)程序用KEIL軟件編寫和調(diào)試.IoT云平臺(tái)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)是在華為的OceanConnect云平臺(tái)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì).

3.1 IoT云平臺(tái)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

OceanConnect云平臺(tái),是華為公司打造的IoT物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)者平臺(tái),能夠幫助開(kāi)發(fā)者輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備對(duì)接,還提供了完善的配套的開(kāi)發(fā)指導(dǎo),API參考等資源,能極大的幫助開(kāi)發(fā)者縮短開(kāi)發(fā)周期,提升開(kāi)發(fā)者的開(kāi)發(fā)效率.在本設(shè)計(jì)中,NB-IoT模塊與OceanConnect云平臺(tái)之間的信息交互是通過(guò)CoAP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)的.云平臺(tái)與其他開(kāi)發(fā)應(yīng)用之間是基于HTTPS通信的[14].

OceanConnect云平臺(tái)的工作原理：通過(guò)圖形化的方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備的二進(jìn)制碼流到IoT平臺(tái)的JSON格式消息的轉(zhuǎn)換,同時(shí)將平臺(tái)下發(fā)的控制命令編碼成設(shè)備的二進(jìn)制碼流格式[15].OceanConnect云平臺(tái)工作流程圖見(jiàn)圖3.

圖3 OceanConnect云平臺(tái)工作流程圖

OceanConnect云平臺(tái)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作主要包括Profile產(chǎn)品模型定義和編解碼插件開(kāi)發(fā).在本設(shè)計(jì)中Profile產(chǎn)品模型需要定義pH值、溫度值和TDS值3種服務(wù)信息模型,編解碼插件開(kāi)發(fā)需要設(shè)置這3個(gè)服務(wù)信息的映射服務(wù),使其數(shù)據(jù)格式可以轉(zhuǎn)換成JSON格式,以便于平臺(tái)處理和保存數(shù)據(jù).

3.2 MCU控制驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的工作流程：系統(tǒng)上電后,MCU先完成系統(tǒng)設(shè)備初始化,各工作模塊初始化,作運(yùn)行準(zhǔn)備；pH、溫度、TDS傳感器開(kāi)始工作,采集水質(zhì)狀態(tài)數(shù)據(jù),并按照相應(yīng)的協(xié)議完成數(shù)據(jù)打包；NB-IoT設(shè)備進(jìn)入聯(lián)網(wǎng)狀態(tài),確認(rèn)入網(wǎng)成功之后,MCU將打包好的數(shù)據(jù)報(bào)文通過(guò)串口發(fā)送給NB-IoT模塊,NB模塊按照CoAP協(xié)議將打包好的數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送給云平臺(tái)；判斷是否發(fā)送成功,確認(rèn)發(fā)送成功后,將結(jié)束一次數(shù)據(jù)傳輸；反之,若發(fā)送失敗,則再次發(fā)送數(shù)據(jù),超過(guò)3次發(fā)送失敗,則將此次發(fā)送失敗數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)模塊中,等待下次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)一起發(fā)送.系統(tǒng)主程序流程圖見(jiàn)圖4.

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試與應(yīng)用

為了檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性和準(zhǔn)確性,選用溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì),選用梅特勒托利多電導(dǎo)率儀作為標(biāo)準(zhǔn)TDS檢測(cè)儀,選用已經(jīng)標(biāo)定好pH值的標(biāo)準(zhǔn)溶液作為被測(cè)水質(zhì),對(duì)本設(shè)計(jì)的溫度、TDS和pH傳感器分別進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn).

4.1 溫度傳感器對(duì)比測(cè)試

在對(duì)溫度傳感器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)時(shí),使用恒溫水箱當(dāng)作測(cè)試環(huán)境,利用恒溫水箱的加熱功能,將水溫調(diào)節(jié)到不同溫度,分別使用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和溫度傳感器的去采集水箱里水的溫度數(shù)據(jù),然后對(duì)比恒溫水箱所設(shè)定的溫度,查看并記錄這三者之間的差值.對(duì)比溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

表1 標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)與溫度傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比表(℃)

由表中數(shù)據(jù)可以得出,恒溫水箱溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和溫度傳感器測(cè)試所得出的數(shù)據(jù)誤差在±0.5 ℃以內(nèi),本系統(tǒng)的溫度傳感器的準(zhǔn)確度在±0.5 ℃以內(nèi),誤差在可接受范圍之內(nèi),已經(jīng)可以滿足日常生活所需.

4.2 TDS傳感器對(duì)比測(cè)試

梅特勒托利多電導(dǎo)率儀是高品質(zhì)的TDS檢測(cè)儀,應(yīng)用在覆蓋衛(wèi)生要求嚴(yán)格的半導(dǎo)體和制藥生產(chǎn)、生產(chǎn)條件惡劣的化工廠及電廠高純水電導(dǎo)率測(cè)量等.在對(duì)水質(zhì)的TDS進(jìn)行測(cè)試時(shí),將配置不同濃度的水溶液來(lái)模擬不同水質(zhì),用梅特勒托利多電導(dǎo)率儀和TDS傳感器分別測(cè)試不同的TDS值的水質(zhì),來(lái)驗(yàn)證TDS傳感器的準(zhǔn)確性,記錄下兩者間數(shù)據(jù)的差別.對(duì)比TDS數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.

表2 梅特勒電導(dǎo)率儀與TDS傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比表

由表中數(shù)據(jù)可以得出,本設(shè)計(jì)的TDS傳感器測(cè)得的TDS值與標(biāo)準(zhǔn)TDS檢測(cè)儀檢測(cè)出的TDS值誤差并不大,在1%以內(nèi).一般情況下,自來(lái)水的TDS值在400左右,在該閾值范圍之內(nèi),本系統(tǒng)的TDS傳感器的測(cè)試準(zhǔn)確性和精度已經(jīng)可以滿足日常水質(zhì)檢測(cè)的基本需求,達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)的目標(biāo).

4.3 pH傳感器對(duì)比測(cè)試

在對(duì)水質(zhì)的pH進(jìn)行測(cè)試時(shí),使用的pH標(biāo)準(zhǔn)溶液的PH值分別為4、7和10,分別觀察在3種酸堿度差異如此明顯的水溶液中,pH傳感器的測(cè)試效果.pH測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3.

表3 pH傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)表

由表3所提供的數(shù)據(jù),可以得出該pH傳感器在酸性和中性溶液中的測(cè)試結(jié)果很好,誤差在±0.1之內(nèi),滿足日常生活所需的基本要求.但是在強(qiáng)堿性pH=10的溶液中誤差卻達(dá)到了0.5左右,經(jīng)過(guò)分析,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所用的球泡玻璃電極并不適用于強(qiáng)堿環(huán)境,所以在檢測(cè)強(qiáng)堿性水溶液時(shí)的測(cè)試結(jié)果并不好.如需在強(qiáng)堿性環(huán)境下使用,需要更改相應(yīng)的球泡玻璃電極和電路.

4.4 OceanConnect云平臺(tái)效果展示

硬件系統(tǒng)設(shè)備連接完好并且主程序運(yùn)行正常,OceanConnect云平臺(tái)會(huì)接收到被測(cè)水質(zhì)的溫度、pH值和TDS值,如圖5所示.

5 結(jié)束語(yǔ)

基于NB-IoT技術(shù)的家庭水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)家庭用水的水體質(zhì)量檢測(cè)且達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控與反饋的目標(biāo),為人們提供了準(zhǔn)確即時(shí)的水質(zhì)信息,讓人們能更加安全、更加放心的用水.通過(guò)實(shí)際應(yīng)用和測(cè)試,本系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果達(dá)到了理想的期望值,可以滿足人們的日常生活需要,這對(duì)于家庭水質(zhì)檢測(cè)這一方面具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和參考價(jià)值.

圖5 OceanConnect云平臺(tái)接收數(shù)據(jù)界面