面向5G+NB-IoT未知水域監(jiān)測系統(tǒng)

王健，孫家軍，李志剛，楊秀奇，王亞威，王杰龍

（ 遼寧科技大學(xué) 電信學(xué)院，遼寧 鞍山 114000）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，人類生活水平的提過，也給自然環(huán)境帶來了一些不好影響。溫室氣體大量排放導(dǎo)致全球氣候變暖海平面升高；工廠廢水、生活污水的排放導(dǎo)致水資源的污染等問題普遍發(fā)生，所以應(yīng)該采取可行的措施來減少此類事情的發(fā)生。隨著5G通信技術(shù)的發(fā)展，為了更好的監(jiān)護(hù)水資源，NB-IoT作為5G物聯(lián)網(wǎng)的前奏和基礎(chǔ)技術(shù)應(yīng)用到未知水域監(jiān)測系統(tǒng)中可以更好的提高我們監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測水平。

1 未知水域監(jiān)測現(xiàn)狀和分析

我國未知水域監(jiān)測系統(tǒng)隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，取得了很多顯著的進(jìn)步，但仍有很多不足的地方。經(jīng)研究分析，主要是有這幾部分因素導(dǎo)致的。

新產(chǎn)品研發(fā)投放緩慢。目前國內(nèi)很多地方的湖泊、海洋都在用一些老舊的檢測系統(tǒng)來進(jìn)行信息的數(shù)據(jù)采集與傳輸，這就導(dǎo)致未知水域檢測的不夠及時(shí)和準(zhǔn)確，遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)下高速發(fā)展的5G通信技術(shù)下的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代人們對水域信息的需求。

硬件設(shè)備老齡化嚴(yán)重。現(xiàn)在的硬件芯片特別是微功耗的芯片附著的設(shè)備更新的速度較快，而作為未知水域檢測的核心控制芯片的更新?lián)Q代的速度較慢，導(dǎo)致無法滿足當(dāng)下的5G通信的信息傳輸?shù)男枨?，更?dǎo)致的檢測設(shè)備存在較大的誤差。

傳感器檢測精度偏低。國內(nèi)傳感器產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，而現(xiàn)在未知水域監(jiān)測系統(tǒng)中使用的大部分還是幾年前研發(fā)的傳感器，無論是精度、穩(wěn)定性等方面都與現(xiàn)在研發(fā)的傳感器存在著比較大的差距。

無信通信方式的滯后。水域檢測系統(tǒng)常用的通信方式大多是GSM、GPRS、衛(wèi)星、光纖等信道組網(wǎng)。同時(shí)目前基于4G通信技術(shù)的方式的也是比較少，而面向5G通信技術(shù)的信號傳輸方式的則更是少之又少。

針對上述對未知水域監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀，分析當(dāng)前對更實(shí)用更高速的未知水域監(jiān)測手段的需求，此未知水域監(jiān)測系統(tǒng)通過可驅(qū)動(dòng)小型浮漂作為感知層的載體，有效的彌補(bǔ)了一些通過人工檢測存在的誤差和一些大型檢測儀器攜帶不便等諸多問題；網(wǎng)絡(luò)層則采用5G組網(wǎng)通信技術(shù)進(jìn)行信息傳輸，極大地提高了信息的傳輸速度、安全性和傳輸量；應(yīng)用層這通過中國移動(dòng)推出的One Edge平臺，一款面向5G邊緣技術(shù)管理平臺，可以更高效的接收數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的分析整理等。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是通過物聯(lián)網(wǎng)的層次化的網(wǎng)絡(luò)。從先到后可劃分為：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。

感知層的設(shè)計(jì)方案為：未知水域監(jiān)測的感知設(shè)備嵌入在一個(gè)可以驅(qū)動(dòng)的水中懸浮浮漂內(nèi)，浮漂四面各有一個(gè)驅(qū)動(dòng)加螺旋槳進(jìn)行對浮漂的驅(qū)動(dòng)，浮漂頂部安裝GPS/北斗定位雙系統(tǒng)的定位系統(tǒng)對檢測采集位置進(jìn)行定位，通過浮漂內(nèi)載入的測量控制芯片STM32F407ZGT6控制傳感器進(jìn)行檢測，檢測傳感器包括：BMP280高精度氣壓計(jì)、PH傳感器、液體流量計(jì)、防水?dāng)z像頭、MPU6050陀螺儀角度傳感器。采集后的數(shù)據(jù)通過中移物聯(lián)OneMO通信模組超高速率5G模塊F03X將檢測到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行上傳。

網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)方案：通過NB-IoT通信及窄帶物聯(lián)網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的連接，采集數(shù)據(jù)的傳輸，NB-IoT只需要非常窄的頻段(180KHz)就可以工作，完全兼容于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)、通用移動(dòng)系統(tǒng)和5G網(wǎng)絡(luò)；覆蓋廣；具備支撐海量連接的能力；更低功耗，可以說是為物聯(lián)網(wǎng)量身打造的。

應(yīng)用層的設(shè)計(jì)方案：通過中國移動(dòng)OneNET推出的一款面向5G時(shí)代的邊緣計(jì)算管理平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和整合，OneNET邊緣計(jì)算平臺實(shí)現(xiàn)將OneNET云服務(wù)延伸至包括5G MEC在內(nèi)的多種邊緣場景。它支持運(yùn)行在小到嵌入式終端，大到MEC邊緣云基礎(chǔ)設(shè)施中，并且可以在邊緣端提供人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理、工業(yè)及終端協(xié)議適配、視頻接入、海量時(shí)序數(shù)據(jù)存儲等功能。

3 系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)

浮漂內(nèi)嵌系統(tǒng)下位機(jī)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。選用ARM公司開發(fā)的32bit STM32F407ZGT6芯片作為控制芯片，因?yàn)槠鋵Υa數(shù)據(jù)的處理速度快，內(nèi)部集成了12bit的A/D模塊，可以直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；運(yùn)算當(dāng)大電路采用4個(gè)運(yùn)算放大器LM358,對傳感器信號就行電壓電流轉(zhuǎn)換；STM32F07ZGT6芯片本身集成了兩個(gè)USART模塊，通過串口與F03X驅(qū)動(dòng)電路相連，將電平信號傳給F03X,實(shí)現(xiàn)控制芯片與F03X的串口通信，復(fù)位電路則設(shè)計(jì)常規(guī)的手動(dòng)按鍵復(fù)位電路，來防止程序跑飛，從而能夠更好的完成監(jiān)測工作。

圖1 浮漂內(nèi)嵌硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件的主要數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)如圖2所示，主要包括4個(gè)子模塊：數(shù)據(jù)接收單元、數(shù)據(jù)字典維護(hù)、數(shù)據(jù)查詢單元、數(shù)據(jù)顯示單元、數(shù)據(jù)備份和災(zāi)難恢復(fù)。此設(shè)計(jì)可以快速準(zhǔn)確的判斷水域情況。

圖2 控制中心軟件功能框圖

數(shù)據(jù)處理過程如圖3所示。本系統(tǒng)借用中國移動(dòng)OneNET推出的一款面向5G時(shí)代的邊緣計(jì)算管理平臺OneEdge進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和整合，數(shù)據(jù)則采用JSON格式進(jìn)行發(fā)送，JSON可以方便準(zhǔn)確的將數(shù)據(jù)傳輸給平臺。軟件數(shù)據(jù)庫則采用Microsoft SQL Server,可以更加準(zhǔn)確地儲存數(shù)據(jù)信息，并通過SQL語言進(jìn)行查詢。

圖3 控制中心軟件功能

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種面向5G+ NB-IoT的未知水域監(jiān)測系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)的層次化結(jié)構(gòu)，將感知層網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層完美結(jié)合為一個(gè)整體，準(zhǔn)確的采集到水域數(shù)據(jù)后可以立即通過NB-IoT技術(shù)快速的將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，并通過中國移動(dòng)推出的一款面向5G邊緣技術(shù)管理平臺OneEdge更高效的接收數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的分析整理等。解決了當(dāng)前無法快速準(zhǔn)確并全面的了解未知水域情況等問題。